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산업계측제어기술사

Nyquist-Shnanon Sampling Therem

무선통신개론 2판, 28 ~ 32p 정리

https://en.wikipedia.org/wiki/Nyquist%E2%80%93Shannon_sampling_theorem

https://en.wikipedia.org/wiki/Discrete-time_Fourier_transform#Relation_to_Fourier_Transform

https://www.ti.com/video/5527868103001#tab-1

https://jaeseolee3754.tistory.com/34

“`html

Nyquist-Shannon Sampling Theorem

Sampling · Nyquist Rate · Aliasing · Frequency Spectrum · Channel Capacity · SNR

1. Nyquist-Shannon Sampling Theorem

NeoStudio에서는 연속시간 Signal을 일정한 시간 간격으로 Sampling하여 이산 데이터로 만드는 과정에서 시작한다.

      Continuous Signal
             │
             ▼
         Sampling
             │
             ▼
      Discrete Samples
    

Sampling Frequency가 충분히 높으면 원 신호를 복원할 수 있지만, 충분하지 않으면 Aliasing이 발생한다고 기록한다.

2. Sampling 주기

Sample 사이의 시간간격을 T로 나타낸다.

Sampling Period = T
f_s = 1 / T
Sampling 주기가 짧을수록 Sampling Frequency는 높아진다.

3. 시간영역 Sampling

원본 그림에서는 연속신호 x(t)를 일정한 주기 T마다 추출한다.

      x(t)

       /\        /\        /\
      /  \      /  \      /  \
     /    \____/    \____/    \

       ↑         ↑         ↑
       │←── T ──→│←── T ──→│
    

Sampling된 신호는 원 신호의 일정 간격 값만 남긴다.

4. Sampling된 신호의 반복 표현

NeoStudio에는 Sampling 과정과 함께 다음 형태의 반복 표현이 기록되어 있다.

Σ x(t – nT)

여기서 n은 정수 범위에서 반복되는 형태로 표현되어 있다.

해당 합 표현의 정확한 수학적 정의는 손글씨에서 완전히 전개하지 않았으므로 외부 Sampling 이론으로 수정하지 않았다.

5. 주파수영역에서의 Spectrum 복제

Sampling하면 주파수영역에서는 원래 Spectrum이 일정한 간격으로 반복된다.

      Original Spectrum

              /\
             /  \
      -------    --------------------→ f
             -B  B


      Sampled Spectrum

        /\          /\          /\
       /  \        /  \        /  \
      --------------------------------→ f

           ←──── f_s = 1/T ────→
    
Spectrum Repetition Interval = 1/T = f_s

6. Bandwidth B

원본에서는 신호 Spectrum의 범위를 Bandwidth B와 연결하여 그린다.

Signal Bandwidth = B

Sampling 후 복제된 Spectrum 사이의 간격은 Sampling Frequency f_s이다.

7. Nyquist Sampling 조건

원본 그림은 Spectrum이 서로 겹치지 않도록 Sampling Frequency를 설정해야 한다는 흐름을 보여준다.

f_s ≥ 2B
f_s = 1/T
최대 주파수 B까지 포함한 신호를 복원하려면 Sampling Frequency를 최소 2B 이상으로 선택한다.

8. Nyquist Rate

원본에서는 최소 Sampling Frequency를 Nyquist 조건과 연결한다.

Nyquist Rate = 2B

즉 원 신호의 최고주파수 성분보다 2배 이상의 속도로 Sampling해야 한다.

9. Aliasing

Sampling Frequency가 부족하면 주파수영역의 Spectrum이 서로 겹친다.

      정상 Sampling

        /\            /\
       /  \          /  \
      --------------------------→ f
          서로 분리


      Undersampling

          /\____/\
         /        \
      --------------------------→ f
          Spectrum 겹침
             ↓
          Aliasing
    
f_s < 2B → Spectrum Overlap → Aliasing

10. Aliasing의 결과

NeoStudio에서는 Aliasing이 발생하면 원 신호를 완전히 복원할 수 없다고 기록한다.

Aliasing → Original Signal 복원 불가
Sampling Frequency가 너무 낮으면 서로 다른 주파수 성분이 겹쳐 원래 신호를 구분하기 어려워진다.

11. Sampling Theorem 전체 관계

          Continuous Signal
                 │
                 ▼
              Sampling
                 │
                 ▼
           Period T 선택
                 │
                 ▼
            f_s = 1/T
                 │
         ┌───────┴────────┐
         │                │
         ▼                ▼
      f_s ≥ 2B         f_s < 2B
         │                │
         ▼                ▼
     Spectrum 분리     Spectrum 중첩
         │                │
         ▼                ▼
     원 신호 복원       Aliasing
                          │
                          ▼
                    정확한 복원 불가
    

12. Nyquist 채널 용량

NeoStudio 2페이지는 Sampling Theorem 이후 Nyquist의 Channel Capacity 관계를 기록한다.

C = Channel Capacity
B = Bandwidth
M = 전압 Level의 수

잡음이 없는 채널에서 M개의 Signal Level을 사용하는 관계를 다음 식으로 기록한다.

C = 2B log₂ M
Nyquist 관계에서는 Bandwidth B와 Signal Level 수 M이 최대 전송률과 연결된다.

13. M 증가의 의미

NeoStudio에서는 M이 커지면 전송 가능한 정보량이 증가하는 방향으로 기록한다.

M ↑ → log₂M ↑ → Channel Capacity ↑

다만 실제 채널에서는 Noise 때문에 Signal Level을 무한히 증가시킬 수 없다는 흐름으로 Shannon 이론으로 연결한다.

14. Shannon Channel Capacity

NeoStudio에서는 실제 채널에는 Noise가 존재하므로 Nyquist의 무잡음 관계만으로는 전송속도를 계속 증가시킬 수 없다고 기록한다.

Real Channel = Signal + Noise

이에 대해 Shannon Channel Capacity를 다음과 같이 기록한다.

C = B log₂(1 + SNR)

단위는 bps로 기록되어 있다.

15. SNR

Signal과 Noise의 비를 SNR로 표현한다.

SNR = Signal Power / Noise Power

dB 표현은 다음과 같이 기록한다.

SNR(dB) = 10 log₁₀ ( Signal Power / Noise Power )

16. Noise와 Channel Capacity

NeoStudio의 흐름은 실제 채널에서는 Noise를 무시할 수 없으므로 최대 전송률에 한계가 있다는 것이다.

Noise ↑ → SNR ↓ → Channel Capacity 제한
Shannon 식은 Bandwidth와 SNR을 이용하여 Noise가 존재하는 채널의 최대 전송률을 나타낸다.

17. Nyquist와 Shannon 관계

구분 NeoStudio 내용
Nyquist Sampling f_s ≥ 2B, Aliasing 없이 Signal 복원
Nyquist Channel 잡음이 없는 채널, C = 2B log₂M
Shannon Channel Noise가 있는 채널, C = B log₂(1+SNR)

18. 전체 흐름

                 Signal
                   │
                   ▼
                Sampling
                   │
                   ▼
             f_s = 1/T
                   │
                   ▼
              f_s ≥ 2B
                   │
                   ▼
            Aliasing 방지
                   │
                   ▼
             Signal 복원


         Communication Channel
                   │
          ┌────────┴────────┐
          │                 │
          ▼                 ▼
      Noise 없음          Noise 있음
          │                 │
          ▼                 ▼
       Nyquist           Shannon
          │                 │
          ▼                 ▼
   C=2B log₂M       C=B log₂(1+SNR)
    

19. NeoStudio PDF 핵심 정리

항목 원본 내용
Sampling Period T
Sampling Frequency f_s = 1/T
Signal Bandwidth B
Nyquist Sampling 조건 f_s ≥ 2B
Undersampling Aliasing 발생
Aliasing Spectrum 중첩 → 원 신호 복원 불가
Nyquist Channel Capacity C = 2B log₂M
Shannon Capacity C = B log₂(1+SNR)
SNR Signal Power / Noise Power
SNR(dB) 10 log₁₀(Signal Power / Noise Power)
이 HTML은 페이지 본문과 YouTube, Wikipedia, TI, Tistory 등의 외부 링크를 사용하지 않고, NeoStudio PDF 1개(총 2페이지)만 페이지별 시각 판독하여 작성했다. 이 페이지에는 별도의 일반 이미지가 없다. 1페이지는 Sampling Period T, f_s = 1/T, Spectrum 반복, Nyquist Sampling 조건, Aliasing을 그림으로 설명한다. 2페이지는 Nyquist의 무잡음 Channel Capacity와 Shannon의 Noise Channel Capacity를 정리한다. 일부 반복신호 합 표현과 Spectrum 그림의 세부 표기는 손글씨가 불명확하여 외부 Sampling Theory로 임의 보완하지 않았다. Reconstruction Filter, Anti-Aliasing Filter, Oversampling, Quantization 등의 내용은 NeoStudio에 직접 설명되어 있지 않아 추가하지 않았다.
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```

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