PCM(pulse code modulation) 신호변환 전송방식에 대해서 알아보자

[김인선]

PCM(pulse code modulation)

(01) 아날로그 신호를 디지털 신호로 변조하여 전송하는 방식. 지금까지 레이더와 함께 가장 발전된 형태의 다중 통신수단의 하나이다. 이것을 방송이나 녹음에 응용하면 잡음에 강한 고품질의 정보전송이 가능하다. 음성신호나 영상신호 등 전기 신호로서의 정보는 일반적으로 시간에 대해서 전압이나 전류가 변화하는 아날로그 신호로서 전송이나 처리를 하고 있다.

그러나 아날로그 신호를 그대로 둔다면 잡음의 영향을 받기 때문에 일단 디지털 신호로 변환시키는 방식이 보급되고 있다. 디지털 신호는 순간적인 전기신호인 펄스(pulse)의 유무를 구성한 것이기 때문에 전송이나 처리를 한 다음에 그 펄스의 유무가 판정되면 재생에 지장이 없다. 따라서 잡음에 대해서 극히 강한 방식이라고 할 수 있다. PCM방식은 1960년대에 일본 電電공사의 전화중계선으로 실용화되어 그후 테이프레코더나 FM스테레오 방송의 중계회선, 위성방송의 음성 등 널리 응용되게끔 되었다.

(02) PCM은 펄스부호 변조의 뜻으로, 디지털 변조방식의 대표적인 것이다. 1937년에 이태리의 리브가 고안한 것인데 그 후에 전화 및 텔레비전 전송을 위해 이론과 실험의 양면에서 연구가 진행되었는데 장치가 복잡하고 가격이 비싸기 때문에 일시 중단했었다. 그러나 트랜지스터의 발명과 펄스 기술의 발달로 PCM 전송기술은 장치의 경제성, 신뢰성의 면에서 급속히 발전을 거듭하여 1962년에는 벨(Bell) 연구소에서 시내전화 중계용의 24통화로방식(T1방식)이 실용화되었다. 최근에는 각종 서비스 통신에의 적합성 및 회선의 분기(分岐), 삽입 등의 처리가 용이하게 된 점에서 PCM 전송방식이 FDM 전송방식으로 변화하고 있다.

PCM에서는 음성 및 텔레비전 영상 등의 신호에 대하여 각각 신호 주파수 성분에 따라 결정되는 일정한 주기의 시점에 있어서 신호진폭으로 이산적(離散的)인 값을 할당하고[표준화(標準化) · 양자화(量子化)] 다시 펄스 부호의 계열(系列)로 변환[부호화(符號化)]하여 송신한다. 수신측에서 그 부호를 읽어 내어 원래의 신호(音聲 등)로 복원(복호화(復號化))하는 과정을 거친다.

정보는 전송로에서는 펄스로써 전송되기 때문에 도중에 재생 중계기를 설치하여 신호와 잡음의 비가 어느 한계 이상으로 악화되는 것을 방지하고 잡음 및 일그러짐의 증대를 피할 수 있다. 따라서, PCM 전송방식에서는 잡음이 많은 회선 및 장거리 중계회선에서 신호를 크게 하고 저하되지 않게 전송할 수 있다. 이것은 보통 어느 사람의 말이 여러 사람에게 전달되는 중에 상당히 왜곡되는데 Yes냐 No냐로 전달될 때에는 최초의 사람의 의사가 확실히 전달되는 것과 비슷하다.

시분할 다중 PCM에서는 1전송로를 사용한 복수 통화로의 신호를 전송하기 위하여 각각의 통화로의 펄스 부호를 순차적으로, 시간적으로 변경하여 배열한다. 전통화로의 부호를 일렬로 늘어놓고 종료하여 1프레임을 구성하고 다시 반복한다. 여기에서 프레임(frame)의 동기(同期)와 각 펄스가 정확한 위치가 되도록 배열하는 것이 중요하다.

(03) 음성, 영상 등 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 송신하고 수신 측에서는 반대로 디지털 신호를 아날로그 신호로 복원하는데 가장 일반적으로 사용되는 방식으로, 연속적으로 변화하는 아날로그 데이터 신호의 진폭을 비트 단위로 샘플링하여 디지털 신호로 변조하는 방식이다. PCM은 1939년 영국에서 발명되었으나 진공관, 트랜지스터 등의 회로소자를 대량으로 사용해야 하는 단점이 있어 집적회로(IC)가 개발되고 나서야 본격적으로 실용화되었다. 이후 전화와 우주통신, 레코드 녹음 등에 실용화하였다.

PCM방식의 기본 구성은 표본화, 양자화, 부호화, 재생중계, 복호화 및 여파기의 각 부분으로 되어 있다. 디지털 신호는 컴퓨터 간 통신인 부호정보의 전송에도 적합하며 본래 아날로그 신호인 음성신호에 대해서도 아날로그 신호로 전송하는 것보다 디지털화해서 전송하는 것이 훨씬 유리하다. 디지털 신호는 외부잡음이 섞이더라도 신호의 유무를 판정함에 영향을 주지 않는 범위 내에서는 신호를 다시 재생하는 것이 가능하고 유ㆍ무신호가 약해지면 재생중계기에서 유ㆍ무신호를 보상하기 때문에 각종 잡음 및 누화에 강하다. 그리고 디지털 신호를 취급하는 회로는 게이트와 메모리 등을 중심으로 하는 논리회로의 구성이 가능하며, 아날로그 회로와 같은 고도의 정밀을 필요로 하지 않는다. 또한 디지털 신호의 다중화시 신호를 분리하거나 제어신호 정보도 간단히 삽입할 수 있다.

(04) 아날로그 신호를 세분하여 "0"과 "1"의 조합에 의한 디지털 신호로 바꾸어 정보를 전송하기 위한 방식이다. 입력측의 아날로그 신호(음성신호 등)를 그 신호가 갖는 최고 주파수의 2배 이상의 속도로 샘플링하여 진폭이 연속적으로 변화하는 PAM(Palse Amplitude Modulation) 펄스열로 변환된다(표본화). 연속적으로 변화하는 PAM펄스의 진폭을 이산적인 수치로 변환하여(양자화) 변환된 수치를 2진 부호로 변환한다(부호화). 이렇게 하여 만들어진 2진 부호는 디지털 신호로서 어떤 전송매체를 이용하여 전달된다.

한편 수신측은 2진 부호(디지털 신호)로부터 양자화, 부호화의 역과정으로 PAM 펄스열을 재생한다(복호화). 재현된 PAM 펄스열을 원래 신호에 포함되는 최고 주파수보다 높은 주파수 성분을 억압하는 저역 여파기를 통하여 본래의 아날로그 신호를 재현한다. 이와 같이 PCM방식으로 디지털 신호를 전송함으로써 잡음을 억제한 음성신호의 송수를 할 수 있다.

현재 음성신호에 비해서 1000배 이상의 대역을 필요로 하는 텔레비젼 신호에도 PCM 전송방식이 개발되고 있다. 이것은 텔레비전 신호의 통계적 성질을 이용한 대역압축(고능률)부호화 방식인데, DPCM방식과 TRIDEC방식 등이 있다. 또 디지털 신호처리 기술의 발전으로 음성 및 비음성 신호의 복합통신 등 다채로운 서비스가 기대된다.

참고로 DPCM방식(프레임내 차분부호화 방식)은 과거의 표본값으로 미루어 보아 사전에 정해둔 방식으로 다음 신호가 취할만한 값을 예측하고, 그 예측값과 실제 표본값의 차분만을 부호화 하는 것을 말한다.

[네이버 지식백과] PCM(Pulse Code Modulation) (정보통신용어사전, 2008.1.15, 일진사) 외 다수 발췌