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14 (신호 및 시스템)예시를 통한 시간-주파수 스펙트럼 관계 이해

by Dr.햄스터 2024. 4. 2.
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우리는 다양한 모양의 파형들이 사인파의 합으로 합성될  있다는 것을 이전 장에서 확인하였다.

 

$$x(t) = A_0 + \sum_{k=1}^N A_kcos(2\pi f_k t + \phi_k)$$

 

이러한 파형들은 상수부터 Cos 신호, 일반적인 주기 신호, 주기적이지 않은 복잡한 모습의 신호에 이르기까지 다양하다. 우리가 지금까지  가지 가정은  수식의 진폭, 위상  주파수가 시간에 따라 변하지 않는다는 것이다. 그러나 대부분의 신호는 시간이 지남에 따라 주파수가 변한다.

 

시간-주파수 스펙트럼 시

 

음악이 좋은 예이다. 매우 짧은 시간 간격 동안 음악은 하나의 "상수" 스펙트럼을 가질  있지만 장기적보면 음악 작품의 주파수는 바뀐다. 인간의 말도 좋은 예이다. “~”  같은 모음 소리는  시간 동안 유지되면서 "상수"적인 특성을 보인다. 왜냐하면 성대는 비교적 일정한 주파수로 진동하고, 특성 주파수로 공명하기 때문이다. 그러나 우리가 단어를 말할  주파수 내용은 계속 변하게 된다.

 

결론을 말하자면, 대부분의 신호는 주파수, 진폭  위상이 시간에 따라 변할 경우에도 사인파의 합으로 모델링될  있다. 따라서 신호에 대한 이해를 높이기 위해 우리는 시간-주파수 스펙트럼을  필요가 있다.

이것이 시간-주파수 스펙트럼 개념을 공부하게 되는 이유이다. 가장 일반적인 시간-주파수 표현은 스펙트로그램(Spectrogram)이다.

 

위 설명을 좀더 자세히 이해해 보자.

시간-주파수 스펙트럼의 수학적 개념은 정교하고 난해할  있는 아이디어이지만, 시간에 따라 변하는 스펙트럼의 직관적 개념은 일상적인 예제에서도 확인할  있다. 예를 들어, 음악 표기법이 있다 (아래 그림(1) 참). 음악 악보는 연주 방법을 지정하는  음표뿐만 아니라  음표의 지속 시간과  음표의 시작 시간도 지정한다.

그림 (1)

 

 

많은 학생들이 음악을 배울   그림과 같이 악보를 보았을 것이다.  그림에서 수평 "" 시간이고, 수직 축은 주파수이다.  음표의 지속 시간은 음표 머리, 몸통  꼬리에 인코딩 된다. 인코딩된 지속 시간은 온음표, 반음표, 4분음표, 8분음표, 16분음표 등을 정의할  있다.  그림 에서 가장 많이 보이는 음표는 16분음표로, 작품을 빠르게 연주해야 함을 의미한다. 8분음표는 16분음표의  배의 지속 시간을 가지고, 4분음표는 16분음표보다    길어야 한다.

 

수직(주파수) 축은 주파수를 정의하기 위해 훨씬 복잡한 표기법을 사용한다.  그림을 주의 깊게 보면, 음표를 표시하는 검은 점들이 수평선  하나 위에 놓이거나   사이의 공간에 위치하는 것을   있다. 이러한 위치 각각은 그림에 나타낸 피아노 키보드의 흰색 건반을 나타내며,  건반은 서로 다른 주파수의 음을 발생시킨다.

피아노의 검은 건반은 추가 표기가 필요하며, 이는 "" (♯) 또는 "플랫" () 사용하여 수행된다. 왼쪽 그림에는  개의 음표 옆에 샾이 붙어있다. (예를 들어, D#5.) 악보는 높은  부분(상단 다섯 ) 낮은음 부분(하단 다섯 )으로 나뉘며, 음표의 중앙 참조점은 "미들 C" 있다. 이는 높은음과 낮은음 사이에 있다 (오른쪽 그림의 40 ). 따라서 높은  부분의 가장 아래 음반은 미들 C보다   위에 있는 흰색 건반이며, 이는 그림 (1) 44 키와 해당된다.

 

음악 악보에서 피아노 건반으로의 매핑이 완료되면  음표의 주파수에 대한 수학적 공식을 작성할  있다. 88 키로 구성된 피아노 키보드는 각각 12개의 키를 포함하는 옥타브로 나뉜다.  옥타브의 키의 주파수는 다음 낮은 옥타브의  배이다. 옥타브 내에서 인접한 키들은 일정한 주파수 비율 (r) 유지한다.  옥타브에는 12개의 키가 있으므로 비율 (r) 다음과 같이 계산할  있다:

 

$$r^{12} = 2 \Rightarrow r=2^{1/2} = 1.0595$$

 

이 비율과 하나의 기준음만 잘 고른다면 모든 키의 주파수를 계산할 수 있다. 관례상 중간 C 위에 위치한 A 키인 A-440이 주파수 440 Hz를 갖는다. 중간 C는 키 번호 40이고 A-440은 키 번호 49이므로 중간 C의 주파수는 

 

$$ f_{middleC} = 440 \times 2^{(40-49)/12} \approx261.6Hz$$

 

이다.

 

Stepped Frequency

여기서 Stepped Frequency  시간에 따라 주파수가 변하는 상태를 의미한다.

시간에 따라 주파수 내용이 변하는 가장 간단한 예는 주파수가 짧은 기간 동안 일정하게 유지되고  후에  높은 (또는 낮은) 주파수로 변경되는 신호를 만드는 것이다. 이와 같은 단계별 주파수 파형은 레이더 송신기에서도 사용된다. 여기서는 간단한 송신 하드웨어로 주파수 커버리지와 고출력이 필요한 경우에 사용된다.

 

음악의 경우,  음씩 올려 건반을 두드리는것으로 예를   있다. 예를 들어, C 장조 음계는 C4부터 시작하여 {C4, D4, E4, F4, G4, A4, B4, C5} 등의 음표를 차례로 연주하는 것이다.  음계는 모두  건반으로 연주된다. 이러한 음표의 주파수는 아래 표와 같다.

 

그림 (2)

 

 

 그림은 C 장조 음계의 주파수 성분을 그래픽으로 표기한 것이다. 다음과 같이 해석해야 한다.

262 Hz 주파수를 200 ms 동안 cos(2π(262)t) 연주한 , 다음 200 ms 동안 294 Hz 주파수를 cos(2π(294)t) 연주 하고 이어서  진행한다. 전체 파형 지속 시간은 1.6초이다. 악보로 표기한 경우  음표는 오른쪽의 그림과 같다. 여기서  음표는 4분음표이다.

 

스펙트럼 분석

신호의 주파수 차원에서의 내용은 분석(analysis) 또는 합성(synthesis)  가지 관점에서 고려될  있다. 예를 들어,  그림 (2) 에서의 이상적인 시간-주파수 다이어그램은 C 장조 음계를 합성하는 규칙을 보여준다. 분석은  어려운 문제이다. 우리가 배운 Fourier 시리즈 분석 적분법이  예이다. 시간에 따라 변화하는 주파수의 분석은 대부분의 신호 처리 과목에서 연구  응용의 중요한 주제이다. 이것은 고급 대학원 과정에 이르기까지 해당된다. 이유는 Fourier 시리즈 적분과 같은 수학적 공식을 작성하는 여러 가지 방법이 있기 때문이다. 반면에, 시간-주파수 스펙트럼 분석을 위한 우수한 수치 루틴은 이미  구현되어 있다. 스펙트로그램을 계산하는 것은 쉽다. 스펙트로그램은 신호의 스펙트럼 내용의 시간 변화를 측정한 것으로, 시간과 주파수의  가지 차원 함수이다.

이것에 관한 내용은 추후에 더 자세히 배울 것이다.

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