PCM 이란?
Pulse Code Modulation의 약자 펄스 부호 변조는 음성이나 영상 같은 연속적인 아날로그 신호를 0과 1로 이루어진 디지털 신호로 변환하는 가장 대표적인 기술
배경
통신 잡음
1930년대 아날로그 통신 시대에는 신호를 멀리 보낼수록 신호가 약해졌고, 이를 다시 키우기 위해 증폭기를 사용해야 했다. 하지만 증폭기는 신호뿐만 아니라 함께 섞인 잡음(Noise)까지 그대로 키워버리는 치명적인 단점이 있었다. 거리가 멀어질수록 잡음이 누적되어 통화 품질이 급격히 떨어지는 것이 당시 통신업계의 가장 큰 고민이었다.
알렉 리브스의 아이디어
1937년 영국의 엔지니어인 알렉 리브스(Alec Reeves)는 신호를 아예 '숫자(디지털)'로 바꾸어 전송하면 이 문제를 해결할 수 있다고 생각했다.
소리의 높낮이를 숫자로 바꿔 보내면, 전송 중에 잡음이 섞여 신호가 조금 일그러지더라도 수신측에서는 그것이 '0'인지 '1'인지 명확히 구별할 수 있고 숫자를 원래대로 복원하기만 하면 잡음 없는 깨끗한 원래의 소리를 되찾을 수 있게 된 것이다.
기술적 한계
알렉 리브스는 1937년에 PCM 이론을 정립하고 특허를 냈지만, 당시 진공관 기술로는 복잡한 디지털 변환 회로를 경제적으로 구현하기 어려워 한동안 묻혀 있었다. 그러다 제2차 세계대전 중 보안이 중요한 군사용 암호 통신(예: SIGSALY 시스템)에 먼저 도입되며 그 가치를 인정받기 시작했다.
반도체 시대
1960년대 이후 트랜지스터와 반도체 기술이 발전하면서 복잡한 회로를 작고 저렴하게 만들 수 있게 되자, 1962년 벨 연구소의 T1 캐리어 시스템을 시작으로 일반 전화망에 PCM이 본격적으로 보급되었다.
CD, MP3, 유튜브의 모든 디지털 사운드는 이 탄생 배경을 뿌리에 두고 있다.
과정
변조
표본화
나이퀴스트 이론에 따라 아날로그 파형을 일정한 시간 간격으로 잘라 순간적인 진폭값을 추출한다.
샘플링된 진폭의 집합인 PAM(Pulse Amplitude Modulation) 신호가 생성된다.
나이퀴스트 이론
원래의 소리를 완벽하게 복원하려면, 소리가 가진 최고 주파수의 2배 이상의 속도로 샘플을 채취해야 한다.
인간의 가청 주파수가 약 20kHz이므로, CD 음질은 그 2배인 44.1kHz(1초에 44,100번)로 샘플링
양자화
표본화로 얻은 연속적인 진폭값을 미리 정해진 이산적인(떨어져 있는) 수치로 매칭시키는 과정이다.
세로축(진폭)을 일정한 단계(Level)로 나누고, 측정된 값이 어느 단계에 가장 가까운지 결정한다.
비트 심도 (Bit Depth)
단계를 얼마나 세밀하게 나누느냐를 결정한다.
- 8비트: 2^8 = 256 단계로 소리 크기를 조절
- 16비트: 2^16 = 65,536 단계로 조절 (CD 음질)
이 과정에서 필연적으로 발생하는 오차를 양자화 잡음이라고 한다.
양자화 잡음 (Quantization Noise)
실제 아날로그 값과 디지털로 변환된 근삿값 사이의 미세한 차이를 말한다.
비트 수가 높을수록 이 오차(잡음)가 줄어든다.
부호화
양자화된 수치 데이터를 2진수(0과 1) 형태의 디지털 코드로 최종 변환한다.
양자화 단계에서 할당된 10진수 값을 2진법 코드로 바꾼다.
- 예시: 특정 시점의 소리 크기가 '7'번 단계였다면, 이를 3비트 부호화하여 111로 기록
결과물
우리가 흔히 말하는 순수 디지털 데이터(Binary Stream)가 완성된다.
이 데이터가 PCM이며 파일(WAV 등)로 저장되거나 통신망을 통해 전송된다.
요약
변조(ADC) : 소리(곡선) → 점 찍기(표본) → 반올림(양자) → 숫자(0, 1)
복조
복조(Demodulation) 과정은 한 마디로 '숫자(0, 1)를 다시 소리의 파형으로 되돌리는 역과정', 위 3단계를 정확히 거꾸로 거슬러 올라간다고 생각하면 쉽다.
재생
전송된 0과 1의 디지털 신호를 다시 읽어 들이는 단계, 전송 과정에서 섞인 잡음을 제거하고, 원래의 깨끗한 '0'과 '1'의 전기적 펄스(부호)를 복원한다.
디지털은 신호가 조금 찌그러져도 0인지 1인지 판별만 가능하면 원래 신호로 100% 복구할 수 있다.
복호화
이진수(0, 1) 데이터를 다시 원래의 양자화된 수치(높이 값)로 바꾸는 과정, 예를 들어 111이라는 데이터를 받았다면, 이를 다시 7이라는 진폭 레벨로 해석한다. 일정한 시간 간격마다 서로 다른 높이를 가진 계단 모양의 펄스(PAM 신호)가 만들어진다.
보간 및 필터링
가장 중요한 단계로, 각진 계단 모양의 신호를 부드러운 곡선(아날로그 파형)으로 만드는 과정, 저역 통과 필터(Low Pass Filter)를 통과시킨다. 이 필터는 급격하게 변하는 계단식의 고주파 성분을 깎아내고, 점과 점 사이를 부드럽게 이어주는 역할을 한다.
결과
우리가 스피커나 이어폰을 통해 들을 수 있는 매끄러운 아날로그 전기 신호(소리)가 완성된다.
요약
복조(DAC): 숫자(0, 1) → 숫자 읽기(복호) → 계단 만들기 → 부드럽게 잇기(필터) → 소리(곡선)
특징
잡음에 강함
아날로그와 달리 신호가 감쇄되더라도 재생 중계기를 통해 원래의 디지털 신호(0 또는 1)를 완벽하게 복원할 수 있어 전송 품질이 우수.
범용성
컴퓨터, CD, DVD, 디지털 전화 등 현대 거의 모든 디지털 오디오 기기의 표준 포맷으로 사용됨.
효율적 전송
여러 회선의 신호를 하나의 전송로에 묶어 보내는 시분할 다중화(TDM) 방식이 가능해져 통신 효율이 높음.
