PCM 변조 방식

PCM(Pulse Code Modulation) 펄스 부호 변조 방식은 아날로그 신호를 0과 1의 디지털 신호로 변환하는 방법, Bernard M. Oliver, Claude Shannon, John R. Pierce에 의해 고안되고 발명 되었다.

 

소리 등의 연속되는 값을 기록하기 위해 쓰이며, 전자악기의 음원을 표현하기 위해 사용되기도 한다.

롬팩을 사용해 미리 음원을 저장하는 방식과, 음파를 삼각함수로 분석한 데이터를 담아놓고 필요할 때마다 랜더링 해 소리를 내는 방식이 있다.

 

이름이 원리를 그대로 설명하고 있다.

 

PCM 단계

1. 샘플링 : 신호를 일정한 간격으로 샘플링, 정해진 시간단위로 잘개 쪼갠다고 보면 된다. 흔히 사용하는 44,100hz라 하면 1초당 44,100개로 쪼갠다고 보면 된다.

2. 양자화 : PAM 펄스 진폭의 크기를 디지털화 하여 양으로 변화 시키는것.

3. 부호화(인코딩) : 양자화된 PCM 신호(2진 비트열)을 실제 전송을 위한 디지털 신호로 변화. Bit 심도에 따라서 조금더 원본에 가까운 신호로 변화 된다.

4비트 LPCM

현재 대부분의 음악 작업환경은 이 PCM방식으로 진행된다고 보면 된다.

 

왜곡 문제

1. 양자화 : 양자화 시에 정해진 양자화 수치 사이에 존재하는 신호의 값들을 담아낼 수 없다. 무조건 오차가 생길 수 밖에 없다. 위의 4비트 LPCM 에서 보다시피 파란 점이 정확히 빨간 선 위에 찍혀 있지 않은것을 볼 수 있다..

2. 시간 보간 방법 : 어찌어찌 하여 최대한 원본에 근사한 양자화를 진행을 하였어도 샘플링 레이트에 따라 시간과 시간 사이에 빈 공간의 값들은 예측하여 채워 나가거나 무시할 수 밖에 없다. 다이나믹한 신호일 경우 더욱더 유실되는 신호는 더 많을 수 밖에 없다.

3. 헤드룸(고조파 왜곡) : 장비의 헤드룸을 넘어가면 신호가 클리핑 된다. 흔히 장비에서 Clip, Peak 라고 표시되고 빨간 불이 뜬다. 아날로그에서는 헤드룸을 넘어가도 장비가 견딜만큼의 한도안에서 왜곡이 생겨 그래도(?!) 들어 줄 수 있지만, 디지털에서는 정보가 사라진다. 상당히 귀에 거슬리는 소리가 되어 버린다. 위의 4비트 LPCM 을 볼경우 15를 넘는 값들이 들어올 경우 디지털로 값을 표현할 수 없는 것이다.

WAV가 만능인줄 알지만 디지털이 아날로그의 정보를 담기에는 너무 한계가 명확하다.

이 한계를 극복하기 위한 다양한 도전이 있지만 결국 정보양이 많아지기 때문에 용량과의 싸움이다. 이 문제를 해결하기 위해 또 많은 압축기술들도 연구 중이다.

 

신호를 공부할때 PCM은 기본이다. FM, AM 등의 M 도 변조(Modulation)의 M 이다.

 

음악 공부 안하고 또 전공때 내용들 찾아보고 있다.