신호 교차 회피 기술
지난 20년에 걸쳐 이뤄온 디지털 혁명의 혜택에도 불구하고 여전히 아날로그는 매우 많은 분야에서 사용되고 있다. 사람과 연 관된 아날로그 신호는 매우 중요하며 때로는 사람의 생명을 구하기도 한다. 따라서 아날로그 신호를 디지털로 변환하거나 혹은 디지털 신호를 아날로그로 변환하는 컨버터는 중요한 역할을 담당하게 되었다.
Tamara Schmitz, Intersil
사람들은 단순히 자동차 경적이 울리는 소리 외에도 매우 다양한 소리를 듣고 있으며, 다양한 밝기의 컬러 스펙트럼을 보고 있다. 사람과 연관되어 있기에 아날로그 신호는 매우 중요한 역할을 담당하는데, 이러한 이유로 A-D, D-A 컨버터의 중요성이 부각됐다. 그러나 컨버터 작동 방식에 대한 통찰력을 기르기에 앞서, 아날로그와 디지털 신호의 장단점에 대한 이해가 선행되어야 할 것이다.
여기서는 우선 디지털 신호의 장점을 살펴본다. 디지털 신호는 단순하며 저장이쉽고, 잡음에대한면역성을갖고있을뿐만 아니라 조정비용이 적게 든다. 디지털 비트는 하나의 정보만 포함하며 온/오프, 하이/로우, 1/0을나타낼수있다.
간단한 예로, 의사의 역할이 질병의 경중(輕重)을 판단하는 것이 아니라 단순하게 환자의 질병 여부만 결정하는 것이라고 가정했을 경우, 하루에 몇 명의 환자를 진료할 수 있을지 생각해보자. 물론 의사가 사람의 감정과 질병 여부만 다룬다면 필요가 없을 수 있겠지만 간단한 업무는 훨씬 빠르게 수행할 수 있을것이다.
또한 두 번째 의사는 이미 첫 번째 의사가 환자로 판정한 사람만 진료한다고 했을 경우 환자가‘중상’또는‘경상’인지만 판단한다. 그 후 세 번째 의사는 모든‘중상’환자만 모아‘생명이 위독한지’혹은‘잠재적으로 생명에 위협이 있는지’를 판단한다. 그리고 결국 심장외과 또는 정형외과와 같은 특수한 분야의 의사가 환자들을 진료하게 될 것이다. 이것을 의료 시스템의 디지털 변환 모델로 볼 수 있다.
물론 이 글에서는 환자 대신 전압 레벨을 논의할 것이다. 이론적으로 순간적인 아날로그 신호는 무한한 양의 정보를 지니며, 보통‘레벨’이 존재한다. 아날로그 신호는단순히1 혹은0 대신1, 0, 또는그 사이의 값일 수 있다. 그 레벨이 0.63V라고생각해보자. 이해를 돕기위해 풀스케일(가능한최대값)은 1V로 제한한다.
1 또는 0 값만 가지는 디지털 신호가 0.63V를 표현할 수 있을까? 간단하게 설명하면, 여러 비트를 사용하면 된다.비트 수가 많아질수록 높은 해상도를 나타낼 수 있다.
그림 1을 살펴보자. 첫 번째 비트 정보는 값이 0.5V 이상 혹은 전체 절반 범위의 위쪽 어딘가에 있음을 알려준다. 두 번째 비트는 첫 번째 비트가 범위의 절반을 제거했다는 사실을 활용한다(첫번째 의사가 질병 여부를 판정한 것과 동일하다). 두 번째 비트는 0.5V에서 1.0 V사이의 범위를 취하여 이를 반으로 쪼갠다(마찬가지로 ‘중상’과 ‘경상’을 분류한 의사와 같다). 아날로그 값이 0.75V 이하이므로 두 번째 비트는 0으로 된다(앞에 나온 예제에서는‘경상’을 나타낸다). 즉 아날로그 값이 0.5와 0.75V 사이라는 것을 입증한다.
세 번째 비트는 아날로그 값이 상기 0.25V 범위의 상위 절반인지 하위 절반인지 확인한다. 0.63V는 0.5V에 가까우므로 하위 절반에 속하며, 세 번째 비트 또한 0이 된다. 또 다시 네 번째 비트는 0.5에서 0.675V 범위로 나뉜다. 0.63V는 0.674V에 근접하므로 이 비트는 1이다. 따라서 1V 스케일에서 0.63V를 4비트 디지털로 표현하면 1001이 된다. 디지털 신호 1001은 0.5875V에서 0.675V의 전압 범위를 나타낸다. 이를 더욱 정밀하게 표현할 필요가 있지 않을까? 그 대답은‘아마도’이다.
만약 아날로그 값을 더 정밀하게 표현할 필요가 있다면 더 많은 비트를 사용해야 한다. 예제에서 4비트가 생성하는 오류는 양자화 오류라고 한다. 만일 언젠가 디지털 값을 아날로그 값으로 다시 변환한다면 그 값은 0.5875V와 0.675V사이라고 추정할 수 있으며, 그 중간 값 혹은 0.63125V가 될 것이다. 여기서 오류 값은 0.00125V 또는 1.25mV이다.
그렇다면 과연 이 에러를 수용할 수 있을까? 그것은 시스템에 따라 다르다. 만일 ㎶와 mV 단위의 신호를 다루는 의료 애플리케이션이라면 재앙을 초래할 수도 있다. 그러나 만일 15V, 24V, 또는 48V의 전압 간격을 다루는 산업용 애플리케이션이라면 위의 값은 무시할 수 있을 정도로 적을 것이다. 다른 측면에서 1V 풀 스케일로 아날로그-디지털 변환을 처리할 때, 이는 의료 또는 산업용 애플리케이션을 나타내거나 아닐 수 있다.
만약 더욱 더 정밀해야 한다면 디지털 변환 기기의 비트 수를 늘리면 된다. 1개의 비트는 2개의 양자화 레벨을, 2개의 비트는 4개의 레벨을, 3개의 비트는 8개의 레벨을, 4개의 비트는 16개의 레벨을 제공한다. 그 패턴은 2n(n은 비트수)이다. 그림 2를 살펴보자. 각 비트는 이전에 나누어진 부분을 2개로 나누어 2배의 레벨을 만들게 된다.
적절한 컨버터를 선택하는 데 있어서 중요한 점은 필요한 비트 수를 파악하는 일이다. 다음의 몇몇 예제들을 보면 이해하는 데 도움이 될 것이다.
인텔은 1972년에 8비트로 동작하는 8008 마이크로프로세서를 출시했다. 이제 마이크로프로세서는 빠른 속도로 64비트를 처리한다. CD는 16비트로 소리를 저장하며 사람의 귀는 더 많은 비트수의 사운드를 듣지 못한다. 컬러 디스플레이는 시스템에서 24비트를 사용하지 만디지털카메라의아날로그-디지털컨버터는일반적으로12 또는 14비트이다.
많은 디지털 비트는 아날로그 입력 해상도가 높다는 것을 의미한다. 잡음, 온도, 전압변동효과를 고려할 경우 아날로그 신호 저장은 어려울 수 있다. 일련의 0과1의모음인 디지털 신호의 경우 이러한 의존도가 거의 제거되므로 저장에 문제가없다. 설계자가 다음에 선택해야 할 사항은 비트 수이다. 그 다음으로는 이러한 비트들이 처리되는 속도를 선택해야 하며, 이는 토폴로지에 의존한다.
