ADC - 샘플링 이론(1) ADC구조

실시간 샘플드 데이터 시스템(Realtime sampled data system)의 블록도

아날로그 신호가 유입되는 즉시 지연 없이(In real-time) 샘플링하여 디지털로 처리하고, 필요하다면 다시 DAC를 통해 아날로그로 복원해 내는 연속적인 하드웨어 파이프라인을 의미합니다. 그 첫 단추인 '시간 축의 이산화(Sampling)'를 배우기 위한 준비 단계입니다.

 

실제 아날로그-디지털 변환(ADC)이 이루어지기 전에, 아날로그 신호는 일반적으로 증폭(Amplification), 감쇄(Attenuation), 필터링(Filtering) 등의 기능을 수행하는 일종의 신호 컨디셔닝 회로(Signal conditioning circuitry)를 통과하게 됩니다.

 

관심 대역폭 외부의 원치 않는 신호들을 제거하고 앨리어싱(Aliasing, 주파수 중첩)을 방지하기 위해 로우패스(낮은 주파수 통과) 또는 밴드패스(특정 대역 통과) 필터가 필수적으로 요구됩니다.

 

그림 2.25에 나타난 시스템은 실시간(Real-time) 시스템입니다. 실시간 시스템에서 데이터는 멈추지 않는 강물처럼 흐릅니다. 샘플링 주파수가 f_s라면, ADC는 정확히 매 T_s = 1/f_s 초마다 아날로그 전압을 디지털 코드로 뚝딱 구워내어 후단의 디지털 프로세서(DSP) 입력 핀으로 가차 없이 밀어 넣습니다.

실시간 동작을 유지하기 위해서, DSP는 주어진 샘플링 간격인 1/f_s 이내에 필요한 모든 연산을 완료해야 하며, ADC로부터 다음 샘플이 도착하기 전에 DAC로 출력 샘플을 전달해야만 합니다.

 

1. 아날로그 프론트엔드 (Analog Front-End, AFE) 단

① SIGNAL CONDITIONING (신호 컨디셔닝)

• 물리적 역할: 입력 단에 들어오는 날것의 아날로그 신호를 뒤에 붙을 ADC가 가장 좋아라 하는 최적의 상태로 마사지해 주는 블록입니다. 주로 저잡음 증폭기(LNA), 가변 이득 증폭기(PGA), 혹은 감쇄기(Attenuation)와 레벨 시프터(Level Shifter)로 구성됩니다.

② ANTI-ALIASING FILTER (앤티-앨리어싱 필터, AAF)

• 물리적 역할: 관심 대역폭(f_a) 외부의 고주파 노이즈와 방해 신호들을 샘플링 전에 미리 아날로그 레벨에서 싹둑 잘라내는 아날로그 로우패스 필터(LPF) 또는 밴드패스 필터(BPF)입니다.

2. 데이터 컨버전 및 디지털 처리 단

③ ADC (Analog-to-Digital Converter)

• 물리적 역할: 샘플앤홀드(SHA) 스위치를 통해 시간 축을 쪼개고(Sampling), 내부 퀀텀 격자에 맞춰 진폭을 디지털 코드로 매핑(Quantizing)하는 믹스드 시그널 시스템의 심장입니다.

④ DIGITAL PROCESSOR (디지털 신호 처리기, DSP/MCU)

• 물리적 역할: ADC가 뱉어낸 이진수 데이터를 받아 수학적 연산(필터링, FFT 주파수 분석, 인공지능 연산, CIM 아레이 로직 등)을 수행하는 순수 디지털 도메인 영역입니다.

3. 아날로그 복원 (Reconstruction) 단

⑤ DAC (Digital-to-Analog Converter)

• 물리적 역할: 가공이 완료된 디지털 코드를 다시 전압이나 전류 같은 물리적인 아날로그 계단으로 뿜어내는 장치입니다.

⑥ RECONSTRUCTION FILTER (복원 필터 / Smoothing Filter)

• 물리적 역할: DAC가 뱉어낸 거친 아날로그 계단 파형의 모서리를 부드럽게 깎아내어, 원래 자연계에 존재하던 매끄러운 연속 신호로 최종 복원해 주는 아날로그 로우패스 필터입니다.

Signal Conditioning -> Anti-Aliasing Filter -> ADC -> DSP -> Reconstruction Filter

 

• 앞단에서 AAF가 신호를 깎아 안전하게 ADC로 밀어 넣었다면,
• 뒷단에서는 DAC가 신호를 풀고 Reconstruction Filter가 다시 예쁘게 다듬어 내보냅니다.