표본화 양자화 복호화 변조 복조

디지털 변조방식의 대표적인 PCM은 pulse code modulation의 약어로 펄스 부호 변조의 의미를 가지고 있습니다. 어떤 과정을 거쳐 아날로그 신호가 디지털 신호로 변조가 되고 디지털 신호가 어떻게 아날로그 신호로 복조가 되는지 알아보도록 하겠습니다. 

 

펄스 코드 변조란?

화상, 음성, 동영상 비디오, 가상 현실등과 같이 연속적인 시간과 진폭을 가진 아날로그 데이터를 디지털 신호로 변환하는 것을 의미합니다. 펄스 코드 변조 시 사용되는 장비는 코덱(Codec)입니다. 

 

펄스 코드 변조과정 - 송신 측

주파수를 일정 간격으로 샘플링해서 채집을 합니다. 표본화 단계에서는 세로로 값을 세로로 채집하는 것이고, 양자화 단계에서는 가로로 나눠서 수치 값을 추출합니다. 부호화 단계에서는 양자화된 값을 2진수로 변환해서 디지털 값으로 변환합니다. 

 

펄스 코드 변조 과정 - 수신 측

수신된 디지털 신호를 2진수로 변환 켜줍니다. 변환된 2진수를 양자화 값으로 바꿔 가로로 나오는 값을 샘플링해서 여파 화과 정을 거쳐 아날로그 신호를 산출해냅니다. 그래서 본래의 신호 값을 나타낼 수 있지만 너무 많이 양자화를 하게 될 경우 용량이 많아지게 됩니다.

 

펄스 코드 변조 -표본화

연속적인 신호의 파형을 일정 시간 간격으로 검출하는 단계입니다. 표본화에 의해 검출된 신호를 PAM신호라 합니다. 

샤논의 표본화 이론 : 어떤 신호의 최고 주파수보다 2배 이상의 속도로 균일한 시간 간격 동안 채집이 된다면, 이 채집된 데이터는 원래의 신호가 가진 모든 정보를 포함합니다. 

 

표본화 간격

• 표본화 횟수 : 2배 X  최고 주파수
• 표본화 간격 : 1/ 표본화 횟수

주파수 대역폭이 300~3,400Hz인 음성 데이터는 보호 대역을 포함해서 최고 4,000Hz의 주파수 대역폭을 갖는다면 이때의 표본화 횟수는 2x4,000=8,000회가 되고, 표본화 간격은 1/8,000=0.000125초 가 됩니다. 

 

 

펄스 코드 변조 - 양자화

표본화한 PAM신호를 유한개의 부호에 대한 대푯값으로 조정하는 것입니다. 양자화 레벨은 PAM신호를 부호화할 때 2진수로 표현할 수 있는 레벨입니다. 즉 양자화 레벨은 2(표본당 전송 비트수)가 됩니다. 

 

양자화 잡음

실수 형태의 PAM신호를 반올림해서 정수형으로 만드는 과정에서 표본 측정값과 양자화 파형 간의 오차가 발생하게 되는데 이를 양자화 잡음이라고 합니다. 양자화 레벨을 세밀하게 함으로써 줄일 수 있으나 이 경우 데이터의 양이 많아져서 전송 효율이 낮아지게 됩니다.

 

 

펄스 코드 변조 - 부호화

양자화된 PCM펄스의 진폭의 크기를 0과 1인 2진수로 표시를 하는 것을 의미합니다. 양자화 변형 값을 디지털 신호로 변환을 합니다. 

 

펄스 코드 변조 - 복호화

수신된 디지털 신호인 PCM 신호를 PAM신호로 되돌리는 단계입니다. 디지털 신호를 2진수로 변환하고 2진수로 변환한 값을 해당 비트로 변환해서 값을 줍니다. 

 

펄스 코드 변조 - 여파화

PAM신호를 원래의 입력 신호인 아날로그 신호로 복원하는 과정을 의미합니다. 표본화 횟수와 양자화 레벨이 적절한 경우에 원래의 입력 신호와 동일하게 복원이 되며, 적절하지 않은 경우에는 일부 정보가 손실된 형태로 복원이 될 수 있습니다.