샘플링 용어(Sampling Terminology)와 샘플링 기법(Sampling Mode)

샘플링 용어

샘플링(Sampling), 샘플(Sample)

샘플링(Sampling)이란 어떤 자료에서 일부 값을 추출하는 것을 말합니다. DAQ에서는 대표적으로 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 추출하는 것이라고 생각하시면 되겠습니다. 그 외에도 음악에서는 일부 구간을 잘라 사용한다거나 통계에서 표집하는 것을 샘플링이라고 부르기도 합니다.

DAQ 시스템 구성을 생각해보면 [센서] - [DAQ] - [PC] 순으로 연결이 되었었는데요. 센서로부터 취득한 데이터를 PC로 가져와 디스플레이 하거나(AD 컨버팅) 반대로 PC에서 생성한 디지털 데이터를 DAQ 보드로 전달할 때 데이터를 주고받는 과정을 샘플링이라고 합니다. 샘플(Sample)은 디지털화된 데이터 하나(이미지에서는 한 포인트)를 말합니다.

샘플링 속도(Sampling Rate)

샘플링 속도(SPS, Sampling Rate)는 샘플링 과정에서 주고 받는 샘플들에 대해서 1초를 기준으로 몇 개의 샘플씩 주고받을 것인지 정의하는 속도입니다. Sample/sec의 의미로 단위는 S/s로 표시하며 1초를 기준으로 나타내기에 그냥 Hz단위로 말씀하시는 분들도 있습니다. DAQ 장비의 매뉴얼을 살펴보다 보면 250kS/s 이런 식으로 표기가 되어 있는데 '초당 25만개'의 데이터를 취득할 수 있는 장비라는 의미입니다.

우리가 측정하고자 하는 신호는 Time-Domain과 Frequency-Domain으로 디스플레이할 수 있는데 원신호가 가지는 파형과 주파수 성분을 모두 표현하고자 한다면 얼마의 Sampling Rate로 측정할 것이냐가 중요하게 됩니다. 이 부분에 대해서는 이후 포스팅에서 자세히 다루어 보도록 하겠습니다.

샘플링 방식

샘플링 방식 또는 기법이라고하여 하드웨어의 구조에 따라 샘플링 방식이 나뉩니다.(샘플링 모드(Sampling Mode)라고도 부르기도 합니다.) 내용을 다루기 전에 MUX(Multiplexer)에 대해서 간단히 짚고 넘어가도록 하겠습니다. 멀티플렉서(MUX, Multiplexer) 또는 실렉터라고 하여 여러 아날로그 또는 디지털 신호 중 하나를 선택하여 선택된 입력을 출력 라인에 전달하는 장치입니다. 스위치 또는 디지털 논리 회로의 일종으로 \(2^{n}\)개의 입력 선택선을 비트 단위로 판별하여 출력선과 매칭 시켜준다라고 보시면 될 것 같습니다. 이해를 도울만한 사진을 간단히 만들어 보았으니 참고하시면 되겠습니다.

※ Tip : 멀티플렉서의 반대로 하나의 입력을 여러 출력과 매칭 시켜주는 것을 디멀티플렉서(DEMUX, Demultiplexer) 또는 디코더라고 부릅니다.

MUX를 언급한 이유는 바로 샘플링을 하기 전 알맞은 채널의 신호선과 ADC를 연결시켜주기 위함으로 하드웨어 구조적으로 크게 MUX를 사용할 경우와 사용하지 않을 경우 2가지로 나뉘기 때문입니다. ¹멀티플렉스 샘플링(Multiplexed Sampling), ²동시 샘플링(Simultaneous Sampling)이라고 부르며 하나씩 살펴보겠습니다.

멀티플렉스 샘플링(Multiplexed Sampling)

말그대로 MUX를 사용한 샘플링 방식으로 각 입력 채널이 하나의 ADC만 공유하는 구조입니다.

ADC 하나로만 구성되기 때문에 비용적인 측면에서는 효율적이지만 기능면에서는 비효율적입니다. 멀티플렉스 샘플링 구조의 디바이스를 사용할 경우 대표적으로 다음과 같은 현상을 고려해야합니다.

◾ 물리적으로 채널간 스위칭하는 과정에서 미세한 시간 지연이 발생할 수 밖에 없습니다. (이상적인 동시 샘플링이 되지는 않음)

◾ ADC가 가지고 있는 표본화(Sampling) 스펙이 사용하는 채널 수만큼 n등분 되어집니다.
(예: 1MS/s의 스펙을 가진 멀티플렉스 장비에서 입력 2채널을 사용할 경우? → 채널당 사용 가능한 최대 샘플 속도는 500kS/s가 됩니다.)

◾ 채널간 스위칭하는 과정에서 다른 채널에 영향을 줄 수 있습니다. (고스트 현상 등)

동시 샘플링(Simultaneous Sampling)

채널마다 하나의 ADC를 각각 가지는 구조입니다.

위의 이미지처럼 각 채널마다 ADC를 가지기 때문에 이상적인 동시간대 샘플링이 가능합니다. 아무래도 비용적인 측면에서 멀티플렉스와 비교하였을 때 비쌀 수 밖에는 없지만 기능적인 측면에서는 낫다고 볼 수 있습니다. 사용되는 채널 수와 상관없이 ADC의 최대 샘플 속도까지 사용가능하기에 보통 동시 샘플링 디바이스는 샘플 속도 스펙 뒤에 '/ch'을 추가로 표시하여 스펙을 나타냅니다. 예를들어서 16채널 250kS/s 동시 샘플링 DAQ 디바이스의 경우 샘플 속도를 '250kS/s/ch'이라고 표기하여 샘플 속도 스펙만 가지고도 동시 샘플링 장비임을 알 수 있습니다.

멀티플렉스 샘플링(Multiplexed Sampling) vs 동시 샘플링(Simultaneous Sampling)

시스템을 구성할 때 중요시 되는 사항이 어떤 것이냐(가격, 신호와 시간 관계)에 따라서 알맞은 샘플링 방식의 장비를 사용하면 되기에 어떤 것이 좋다라고 딱 단정짓기는 어렵습니다. 저렴한 비용으로 동시 샘플링 효과를 보고싶은 경우도 있을 것이고 비용과 관계없이 정말 이상적인 동시간대에서의 샘플링이 필요할 수도 있기 때문입니다. 위의 내용들을 종합적으로 살펴볼 때 멀티플렉스 샘플링과 동시 샘플링에 대하여 아래의 이미지처럼 정리해볼 수 있습니다.