01. Introduction (3)

Typical Signal Processing Operations

 

1. Correlation

 

하나의 참조 신호를 하나 이상의 신호와 비교하여 신호 간의 유사성을 결정하고 유사성을 기반으로 추가 정보를 결정하려면 신호의 상관 관계가 필요하다. 상호 상관의 응용 프로그램에는 교차 스펙트럼 분석, 노이즈에 묻혀 있는 신호 감지, 패턴 일치 및 지연 측정이 포함된다.

 

2. Filtering

 

필터링은 기본적으로 주파수 영역 작업이다. 필터는 특정 대역의 주파수 성분을 왜곡 없이 통과시키고 다른 주파수 성분을 차단하는 데 사용된다. 필터를 통과할 수 있는 주파수 범위를 통과대역이라고 하고 필터에 의해 차단되는 주파수 범위를 저지대역이라고 한다. 저역 통과 필터는 차단 주파수라고 하는 특정 지정된 주파수 Ωc 미만의 모든 저주파 성분을 통과시키고 Ωc 이상의 모든 고주파수 성분을 차단한다. 고역 통과 필터는 특정 차단 주파수 Ωc 이상의 모든 고주파 성분을 통과시키고 Ωc 미만의 모든 저주파 성분을 차단한다. 대역 통과 필터는 Ωc1 < Ωc2인 두 차단 주파수 Ωc1과 Ωc2 사이의 모든 주파수 성분을 통과시키고 주파수 Ωc1 미만 및 주파수 Ωc2 초과의 모든 주파수 성분을 차단한다. 대역 정지 필터는 Ωc1 < Ωc2인 두 차단 주파수 Ωc1과 Ωc2 사이의 모든 주파수 성분을 차단하고 주파수 Ωc1 미만 및 주파수 Ωc2 초과의 모든 주파수 성분을 통과시킨다. 노치 필터는 노치 주파수라고 하는 특정 주파수를 억제하는 데 사용되는 협대역 정지 필터이다.

 

3. Modulation and Demodulation

 

케이블 및 광섬유와 같은 전송 매체는 장거리 신호 전송에 사용된다. 이러한 각 매체는 고주파수 범위에서 신호를 효율적으로 전송하는 데 더 적합한 대역폭을 가지고 있다. 따라서 이러한 채널을 통한 전송을 위해서는 변조 연산을 통해 저주파 신호를 고주파 신호로 변환해야 한다. 수신단에서 변조된 고주파 신호를 복조하여 원하는 저주파 신호를 추출한다.

 

4. Transformation

 

변환은 주파수 영역의 신호 표현이고, 역변환은 주파수 영역의 신호를 시간 영역으로 다시 변환한다. 변환은 신호의 스펙트럼 분석을 제공한다. 신호의 스펙트럼에 대한 지식에서 신호를 전송하는 데 필요한 대역폭을 결정할 수 있다. 변환 도메인 표현은 신호의 동작에 대한 추가 통찰력을 제공하고 필터링, 컨볼루션 및 상관 관계를 위한 알고리즘과 같은 알고리즘을 쉽게 설계하고 구현할 수 있도록 한다.

 

5. Multiplexing and Demultiplexing

 

다중화는 전송 매체의 대역폭이 더 높지만 신호의 대역폭이 더 낮은 상황에서 사용된다. 따라서 멀티플렉싱은 서로 다른 소스에서 오는 여러 신호가 결합되어 단일 채널을 통해 전송되는 프로세스이다. 멀티플렉싱은 송신기 끝에 위치한 멀티플렉서에 의해 수행된다. 수신단에서 합성 신호는 역다중화 과정을 수행하는 역다중화기에 의해 분리되고 분리된 신호를 해당 수신기 또는 목적지로 라우팅한다. 

 

전자 통신에서 다중화의 두 가지 기본 형태는 시분할 다중화 (TDM) 및 주파수 분할 다중화 (FDM)이다. 시분할 다중화에서 단일 채널의 전송 시간은 중첩되지 않은 시간 슬롯으로 나뉜다. 서로 다른 소스의 데이터 스트림은 동일한 크기의 단위로 분할되고 타임 슬롯에 연속적으로 interleaved 한다. 주파수 분할 다중화 (FDM)에서는 단일 통신 채널을 통한 전송을 위해 수많은 저주파 협대역폭 신호가 결합됩니다. 메인 채널 내의 각 신호에는 다른 주파수가 할당된다. 코드 분할 다중화 (CDM)는 공통 주파수 대역을 통한 동시 전송을 위해 여러 데이터 신호를 결합하는 통신 네트워킹 기술이다.

 

Some Examples of Real-World Signals and Systems

 

1. Audio Recording System

 

 

그림 (a)의 오디오 녹음 시스템은 오디오나 음성을 입력으로 받아 오디오 신호를 전기 신호로 변환하여 자기 테이프나 CD에 기록한다. 녹음된 음성 신호의 예는 1.23(b)와 같다.

 

2. Global Positioning System

 

 

위성 기반 GPS (Global Positioning System)는 지구보다 높은 고도에 있는 24개의 위성으로 구성된다. 위 그림은 항공, 해상 및 육상 항법에 사용되는 GPS의 예를 보여준다. 사용자 위치 (X, Y, Z)와 사용자 수신기의 클록 바이어스를 찾기 위해서는 최소한 4개의 위성에서 오는 신호가 필요하다. 위치 찾기를 위해 GPS 수신기에서 필요한 측정은 범위, 즉 GPS 위성에서 사용자까지의 거리이다. 범위는 수신된 신호와 수신기에서 생성된 신호 간의 비교를 기반으로 측정된 시간 또는 위상 차이에서 추론된다. 시간을 측정하기 위해서는 수신기에서 생성된 레플리카 시퀀스와 위성 시퀀스를 비교해야 한다.

 

사용자 GPS 수신기의 상관기는 수신 중인 코드와 정확한 타이밍을 결정한다. 수신 시퀀스와 수신기 생성 시퀀스가 ​​동위일 때 상관기는 시간 지연을 제공한다. 이제 시간 지연에 빛의 속도를 곱하여 범위를 얻을 수 있다. 예를 들어, 시간 지연을 3ms (위성 12의 C/A 코드의 3 블록에 해당)로 가정하면 3ms [Rao06] 후에 피크를 생성하는 위성 12의 상관 관계가 그래프에 나와 있다.

 

3. Location-Based Mobile Emergency Services System

 

 

모바일 긴급 서비스 (MES)는 모바일 사용자에게 향상된 무선 긴급 출동 서비스 (소방, 구급차 및 경찰 포함)를 제공하기 위해 모바일 사용자를 정확히 찾아내기 위해 모바일 포지셔닝 기술을 사용하는 것을 말한다. 이 긴급 서비스 시스템에서 사용자는 GPS 지원 모바일 핸드셋 장치를 지원해야 한다. 네트워크 서비스 제공업체는 "모바일 위치 프로토콜 (MLP)"을 지원할 것이다. MLP는 위치 서버와 위치 서비스 (LCS) 클라이언트 간의 인터페이스 역할을 한다.

 

사용자가 긴급 서비스가 필요할 때마다 긴급 호출을 위해 지정된 번호로 전화를 건다. 긴급 서비스 번호로 전화를 걸면 "긴급 위치 즉시 서비스 (ELIS)"가 생성된다.

 

ELIS는 긴급 호출에 참여했거나 다른 방식으로 긴급 서비스를 시작한 모바일 가입자의 위치를 ​​검색하는 데 사용된다. 서비스는 ELIR (긴급 위치 즉시 요청) 및 ELIA (긴급 위치 즉시 응답) 메시지로 구성된다.

 

사용자가 긴급 전화를 걸면 긴급 위치 즉시 요청이 네트워크 서비스 제공자에게 전송된다. 사용자로부터 긴급 위치 즉시 요청을 받은 네트워크 서비스 제공자는 위치 정보를 추출하여 모바일 사용자에게 긴급 위치 즉시 응답을 전송하고 서비스 제공자는 사용자에게 구급차, 경찰, 소방 서비스 중에서 서비스를 선택하도록 요청한다. 모바일 사용자는 실제로 필요한 서비스를 선택한다.

 

서비스 제공자는 가장 가까운 응급 서비스 센터를 찾아 해당 센터에 응급 위치 보고서를 보낸다. 긴급 위치 보고가 수신될 때마다 해당 디지털 지도에 표시가 나타난다. 이 표시는 사용자의 위치를 ​​나타낸다. 위치 기반 모바일 긴급 서비스 시스템과 모바일 사용자 추적의 개략적인 블록도는 각각 그림 (a)와 (b)에 나와 있다.

 

4. Heart Monitoring System

 

 

인체의 심장 세포에서는 나트륨 (Na+)과 칼륨 (K+) 이온의 이동에 의해 작은 전류가 생성된다. 이러한 이온에 의해 생성된 전위는 심전도 (ECG) 신호로 알려져 있다. ECG 신호는 의사가 심장 상태를 분석하는 데 사용한다. ECG 신호는 매우 작습니다 (일반적으로 0.0001~0.003V). 이러한 신호는 0.05 ~ 100Hz의 주파수 범위 내에 있다. 정상적인 심장 박동의 일반적인 1주기 ECG 추적은 그림에서와 같이 P파, QRS 콤플렉스 및 T파로 구성된다. 작은 U파는 일반적으로 ECG의 50~75%에서 볼 수 있다.

 

ECG 신호를 처리하면 의사가 환자의 심장 상태를 분석하는 데 필요한 진폭 및 타이밍과 같은 정보가 생성된다. ECG 기록의 R-피크 감지 및 R-R 간격 계산은 포괄적인 부정맥 분석 시스템의 중요한 요구 사항이다. 심박수는 60초 단위의 심박수 = 1 RR 간격으로 계산한다.

 

 

심박수의 변화가 있는 ECG 신호는 그림에 나와 있다.

 

5. Human Visual System

 

 

인간 시각 시스템 (HVS)은 현재 우리가 컴퓨터로 실행할 수 있는 어떤 것보다 우수한 방식으로 많은 이미지 처리 작업을 광범위하게 수행할 수 있다. 이러한 신호 처리 작업을 수행하려면 HVS가 작동하는 방식을 이해해야 한다. 

 

물체 (광선)의 반사가 눈으로 관찰되면 먼저 각막을 통과하고 결국에는 방수, 홍채, 수정체, 유리체를 거쳐 최종적으로 망막에 도달한다. 망막은 입사광 에너지를 시신경에 의해 인간의 뇌로 전달되는 신경 신호로 변환하는 역할을 하는 원뿔과 간상체라고 하는 감광성 세포로 구성되어 있다.

 

6. Magnetic Resonance Imaging

 

 

진동하는 강한 자기장이 인체의 특정 부위에 특정 주파수로 가해지면 인체의 수소 원자가 고주파를 방출하여 인체의 특정 부위의 영상을 형성하고 이를 MRI 기계에 포착한다. MRI 영상 시스템과 뇌종양이 있는 MRI 영상은 각각 그림 (a)와 (b)에 나와 있다.