[임베디드 레시피]1.2 신호와 주파수 영역 ~ 1.3 Analog 신호와 Digital 신호, 그리고 Ground

강의 출처

• https://recipes.tistory.com/

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2. 신호와 주파수 영역

• 주파수(Frequency) : 1초간 주기적인 현상이 일어난 횟수 [Hz]
  • 혹은 1초 사이에 전류의 극성이 변하는 횟수
• 1Hz : 1초간 진동 1회 발생 / 2Hz : 2초간 진동 2회 발생

출처 : https://news.samsungsemiconductor.com/kr/%EC%8A%AC%EA%B8%B0%EB%A1%9C%EC%9A%B4-%EC%A0%84%EA%B8%B0%EC%83%9D%ED%99%9C%EC%9D%84-%EC%9C%84%ED%95%9C-%EC%A0%84%EA%B8%B0%EC%83%81%EC%8B%9D%EC%9A%A9%EC%96%B4-%EC%A3%BC%ED%8C%8C%EC%88%98/

 

• 위처럼 주기를 갖는 신호를 AC, 주기를 갖지 않는= 신호를 DC 신호라고 부름
• AC, DC 신호 관련 :  https://youngseong.tistory.com/238

전기/전자 관련 기초 지식

 

• 모든 신호는 아래와 같이 수많은 주파수를 가진 주기 신호의 합으로 이뤄져 있음

• 위와 같은 신호 분석은 Fourier Transform 통해 표현 가능
  • Fourier Transform : 시간에 대한 신호를 주파수 성분으로 분해하는 수학적 연산

Ex 1) 3V DC, 3V AC의 시간 / 주파수 영역에서의 Graph (AC Frequency = 60Hz라 가정)

• 3V DC는 Frequency 성분이 0
• 3V AC는 1초에 60번의 주기 반복

Ex 2) y = cos(2πft)의 시간 / 주파수 영역에서의 Graph

y = cos(2πft)의 시간 영역(왼쪽)과 주파수영역(오른쪽)에서의 Graph

• 이렇게 복잡한 시간 신호를 주파수 성분으로 분해하여 분석을 용이하게 할 수 있음
• 또한 Filter 등을 통한 Noise 제거, 통신 신호 효율적 전송 등이 가능함

Ex 3) X(t) = ζsinc(ft)의 시간 / 주파수 영역에서의 Graph 

출처 : http://www.ktword.co.kr/test/view/view.php?no=3617

 

• Embedded System에서의 Digital 신호는 보통 위와 같은 Pulse 파형
• Frequency가 0인 부분(DC 부분)이 가장 큰 비유을 차지
  • 크기는 직사각형 신호의 시간 영역에서의 넓이와 같음
• 1 / ζ 마다 Frequency 성분이 0이 됨

• sinc : Low Pass Filter의 Ideal Impulse Response를 나타냄

3. Analog, Digital, Ground

• Digital 신호는 Analog 신호의 일종이며, 대부분이 DC 성분으로 이뤄진 0과 1의 Boolean 값
  • High / Low 2개의 Logic 값만을 가질 수 있음 (High 신호의 높이는 임의 설정 가능)
  • 신호 유무 여부는 DC 신호만을 통해 판단

Ex 1) Ideal vs Actual Digital Singal

Ideal 신호. 출처 : https://www.facebook.com/ElectronicsResearchDevelopment/posts/an-ideal-pulse-represents-a-perfect-digital-signal-that-switches-instantly-betwe/1330190282458327/

• Digital 신호는 특정 Threshold 이상이면 High, 이하면 Low로 판단
• 실제로는 Ideal Pulse처럼 0 -> 1 로 바로 변하지 않고 Actual Pulse 처럼 Bouncing 하며 변화
  • 즉 실제 Digital 신호에는 DC 뿐 아니라 AC(Noise) 성분도 포함 : DC + AC
  • FIlter를 통해 저주파(DC), 고주파(AC) 성분 분리 가능
• Bouncing 개선을 위해 Power 선과 GND에 Capacitor를 병렬로 연결해 건전지처럼 사용
  • Power Line의 전압, 전류 급감 시 Capacitor가 저장하고 있던 전기에너지를 방출해 Power Line의 전압을 유지
  • 이에 사용되는 Capacitor를 Decoupling / Bypass Capacitor라 부름

 

• Computer Architecture는 Base Band : Digital 신호 사용
  • Base Band : 변조되지 않은 신호가 0Hz에 가까운 저주파 대역에서 직접 전송되는 "기저대역 전송"
  • Digital data를 직류 Pulse 형태로 변조 없이 전송하며, 하나의 통신 채널만 사용
• 원래 Analog 신호를 사용했으나 Channel (송신 - 수신 사이) 간의 왜곡과 Noise로 인해 통신이 어려워짐
  • 신호의 Bouncing도 위 문제를 야기
• Digital 신호는 수신부에서 Logic 0, 1 만 구분하면 됨
  • 또한 Error가 발생해도 FEC, CRC 등으로 복구가 용이
  • FEC(Forward Error Correction) : 데이터 전송 시 송신 측에서 원본 데이터에 부가 정보를 덧붙여 보내는 기술. 수신 측에서 부가 정보를 통해 오류를 감지
  • CRC(Cyclic Redundancy Check) : 원본 데이터에 대해 미리 정해진 다항식을 통해 나눗셈 연산 후 나머지 값(Checksum) 을 계산. 수신 측에서 원본 데이터 + CRC 값을 동일한 다항식으로 나눈 후 나머지가 0이면 정상 통신, 아니면 통신 오류 발생 확인

Ground

• 모든 전기, 전자 회로에서 다른 전위에 대해 기준이 되는 0V (전지의 -극 의미)
• System 내부에서 모든 전류가 모이는 지점으로, Digital System에서 1, 0을 구분하는 기준점 (중요)

Ground 종류

• Earth GND : 직접 땅에 연결. Earth는 실제 0V를 의미하지는 않으나 저항이 크지 않아 왠만한 전류는 다 흡수함
• Signal GND : Hardware 측면에서 어떤 전자기기의 GND, System 내 모든 전위의 기준점
  • 보통 전지의 -극을 저항이 적은 넓은 모양의 Case나 PCB 기판의 뒷면 등에 연결해 전류가 몰려들 수 있게 해 사용
• AGND(Analog), DGND(Digital) 은 서로 성질이 달라 같이 맞물려놓으면 서로의 신호에 영향을 줌
  • 단 둘의 전위는 같게 해야 하므로 0Ω 등으로 연결
  • 혹은 Jumper(측정용 라인)로 0Ω을 연결하기도 함

 

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참고 자료 : 

https://news.samsungsemiconductor.com/kr/%EC%8A%AC%EA%B8%B0%EB%A1%9C%EC%9A%B4-%EC%A0%84%EA%B8%B0%EC%83%9D%ED%99%9C%EC%9D%84-%EC%9C%84%ED%95%9C-%EC%A0%84%EA%B8%B0%EC%83%81%EC%8B%9D%EC%9A%A9%EC%96%B4-%EC%A3%BC%ED%8C%8C%EC%88%98/

슬기로운 전기생활을 위한 전기상식용어 ‘주파수’ - 삼성전자 반도체 뉴스룸

 

http://www.ktword.co.kr/test/view/view.php?no=3617

펄스

 

https://m.blog.naver.com/dragons119/221979886653

시간 영역과 주파수 영역(Time domain & Frequency domain)의 이해