펄스 부호 변조
1. 개요
'''P'''ulse '''C'''ode '''M'''odulation
'''펄스 부호 변조'''는 아날로그 신호를 0과 1의 디지털 신호로 변환하는 방법이다.
2. 상세
소리 등의 연속되는 값을 기록하기 위해 쓰이며, 전자악기 중 일부의 음원을 표현하는 방식이기도 하다. 롬팩을 사용하여 미리 음원을 PCM 형식으로 저장하는 것, 음파를 삼각함수로 분석한 데이터를 담아놓고 필요할 때마다 렌더링해서 소리를 내는 것의 두가지로 크게 나뉜다.
이름이 그 원리를 잘 표현해주고 있다. 이름만 갖고 간단히 설명하자면 파형을 미세한 시간 단위로 쪼개 펄스열로 바꾼 후 그것을 '부호(code)화'하여 디지털 신호로 '변조(modulation)'해 내는 기술이다. 이 PCM으로 컴퓨터는 이론 상 어떤 아날로그 데이터든 1과 0으로 표현이 가능하다. 용량이 충분하다면. 조금 더 자세하게 원리를 설명하면 파형을 미세한 시간 단위로 쪼개는 것을 샘플링이라 부르며 이 과정을 거치면 PAM(Pulse Amplitude Modulation) 펄스로 변환된다. PAM 펄스의 진폭은 연속적인데 이를 이산적인 값으로 변환하는 양자화를 거치면 이산적인 진폭을 갖는 펄스가 나오고 이를 2진 부호로 변환하면 디지털 신호가 된다. 이론적인 설명이라 실제 ADC의 동작과는 살짝 차이가 있긴 하다. 자세한 내용은 디지털 문서 참조.
3. PCM 단계
3.1. 샘플링(표본화)
음성과 같은 아날로그 신호를 디지털화하기 위해 일정한 간격으로 샘플링을 하여야 한다. 이것을 PAM(펄스진폭변조)라고 한다.
3.2. 양자화
PAM 펄스 진폭의 크기를 디지털 양으로 변화하는 것이다.
3.3. 부호화(인코딩)
양자화된 PCM 신호(2진 비트열)를 실제 전송을 위한 디지털 신호로 변화하는 것이다.
4. 사용 용례
디지털 녹음 방식의 대표적인 형태로 지금까지 쓰여왔고 앞으로도 계속 쓰일 듯한 방식. PCM 기기는 음성의 표본화[1]를 통해 이진식 디지털 데이터로 기록하게 된다. 출력할 때는 변환기를 통해 반대의 과정을 거친다. 컴퓨터에서 사용되는 WAV 파일도 기본적으로 PCM 데이터를 저장한다.
이 녹음 방식이 등장함에 따라 아날로그 방식의 녹음 기기들은 방송계 등에서 깔끔히 묻히게 되었다. 디지털 기반 음향기기의 녹음, 전송, 재생 등의 처리 과정에 수반되는 잡음비가 비교할 수 없을 수준으로 낮기 때문. 한편 회로 구조가 복잡한 문제가 있었지만 집적회로 기술의 발달로 해결됐다. 그 외에도 'ADPCM' 등 전송에 더 유리하도록 많은 개량이 이루어졌다. ADPCM은 1980년대 초반부터 서울 본국에서 지방 총국에 전송하는 라디오 방송용 회선망에 활용되는 등 초창기부터 많이 쓰여온 방식이다. 지금은 APT-X나 무손실 포맷을 쓴다고 한다. 컴퓨터 성능이 매우 향상된 21세기에는 노트북 컴퓨터 한대로도 PCM기반의 녹음부터 마스터링까지 음원제작의 전 과정이 무리없이 가능하게 되었다.
센서 신호의 처리에도 사용된다. 아두이노에도 8bit PCM ADC가 들어가 있다.
단, 아날로그와 달리 디지털에선 처리 가능한 범위를 넘어가는 부분은 양자화가 불가능하기 때문에 파형의 피크 부분이 한도를 넘겨버려서 잘려 없어지는 클리핑 현상이 발생하며, 기기의 다이나믹 레인지를 넘어가면 바로 파탄이 나는지라 운용에 각별한 주의가 필요하다. 엄밀히 따지자면 클리핑은 디지털 아날로그 할 것 없이 수량을 다루는 신호의 처리과정에서는 똑같이 발생한다. 그러나 청감상 드러나는 중대한 차이가 존재하는데, 아날로그로만 처리된 신호의 클립된 부분은 그냥 꼭대기가 납작하게 잘린 신호(쉽게 말해 직류)로써 기계에 해로울 수는 있지만 소리(진동)로써는 더도 덜도 아닌 0인데 반해, 디지털 상에 저장된 클립은 푸리에 변환을 거치면서 원래는 존재하지 않았던 고주파음으로 모양을 바꾸어서 음파에 실리게 되어 음색의 왜곡을 초래한다.참조.
5. 관련 문서
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