펄스 부호 변조

3. 종류

• 리니어 PCM (선형 PCM): 선형 양자화를 사용한 방식이다. CD-DA, DVD-Audio, 일부 DVD-Video, BD-Video, PlayStation 3용 게임 소프트웨어 등에서 채용되고 있다.^[5]
• ADPCM(적응 차분 PCM): 차분 부호화와 양자화 폭의 적응적 제어를 통해 품질을 크게 떨어뜨리지 않고 데이터량을 압축하는 PCM이다. 1990년대의 아케이드 게임 등에서 채용되었다.
• DPCM(차분 PCM): 차분 부호화만을 사용하여 데이터량을 압축하는 PCM이다. 패밀리 컴퓨터의 음원 칩의 한 기능으로 채용되었다.
• 절선 양자화를 사용한 PCM: 초기 PCM 프로세서(1977년 출시된 소니 PCM-1 등)나 NT에서 채용된 다이내믹 레인지 압축을 위한 양자화 방식이다. 3절선, 5절선 등 제품마다 고려하는 절선의 수에 차이가 있으며, 다이내믹 레인지 확장 후 상당 비트 수도 다르다(고려하는 절선의 수가 많을수록 다이내믹 레인지는 개선되지만, 절선이 많은 만큼 비용도 많이 든다).
• 대수 양자화를 사용한 PCM: 전화망(μ-law나 A-law)과 DAT의 LP 모드 등에서 채용되고 있다. 디지털 버전의 컴팬딩이다.
• 부동 소수점을 사용한 PCM: 부동 소수점을 사용한 PCM이다. 가청 영역을 -1.0에서 1.0으로 정하고 있지만, 외부 영역인 -∞에서 -1.0과 1.0에서 ∞의 파형도 찌그러뜨리지 않고 유지할 수 있다. 따라서, 적절한 곳에서 사용하면 음 깨짐에 의한 클리핑 노이즈를 방지할 수 있는 경우가 있다. 비정규화수라는 예외를 제외하고 유효 숫자가 항상 일정하므로, 음량의 크기에 따라 양자화 왜곡에 의한 찌그러짐이 변하지 않는 장점도 있다. 미디어 플레이어의 내부 처리나, DAW의 내부 처리와 작업 중인 프로젝트 파일에서 본 형식이 채용되는 경우가 많다.

4. 변환 과정

5. 기술적 특징

PCM 방식은 종래의 아날로그 전송과 달리 디지털 전송이므로, 중계기에서 펄스의 유무를 판별하여 신호를 재생할 수 있어 전송 과정에서 발생하는 왜곡을 최소화하고, 잡음에 강하며 전송 품질이 우수하다.^[19] 주파수 분할 방식에 비해 단국 장치가 간단하여 경제적이며, 시분할 다중화(TDM) 방식을 통해 하나의 전송로를 여러 사용자가 공유할 수 있어 효율적이다.^[19]

PCM은 아날로그 신호를 표본화 및 양자화하여 수열로 출력한다. 표본화 주파수가 높고 양자화 비트 수가 많을수록 원음에 가까운 고품질의 데이터를 얻을 수 있지만, 데이터 용량이 커지는 단점이 있다.

6. 노이즈 및 왜곡

• 표본화 잡음 (접힘 잡음): 표본화 정리에 따르면, 입력 신호의 최고 주파수의 2배 이상으로 표본화해야 한다. 그렇지 않으면 고주파 신호가 나이퀴스트 주파수 아래에서 앨리어싱되어 저주파 신호로 잘못 인식된다.^[40] 오버샘플링은 디지털 필터로 원 신호를 더 높은 표본화 주파수로 변환하여 접힘 잡음을 고주파 대역으로 이동시킨 후, 아날로그 변환과 로패스 필터로 제거하는 방식이다.
• 양자화 왜곡: 아날로그 신호를 디지털 값으로 변환할 때 반올림으로 인해 양자화 오차가 발생하며, 이를 양자화 잡음이라고 한다.^[40] 양자화 비트 수를 늘리면 오차를 줄일 수 있다.
• 클리핑 노이즈: 입력 신호가 가청 영역(최대 음량)을 초과하면 파형이 잘려나가면서 발생하는 노이즈이다. 녹음 시 적절한 음량을 유지해야 한다.

7. 응용 분야

PCM은 다양한 분야에서 활용되고 있다.

• '''오디오:''' 컴팩트 디스크(CD)는 1982년에 출시되면서 PCM을 소비자 오디오 응용 분야에 도입했다.^[21] CD는 44.1kHz의 샘플링 주파수와 16비트 해상도를 사용하며, 디스크당 최대 80분 분량의 스테레오 오디오를 저장한다.
• '''DVD 및 블루레이:''' 1995년 이후 DVD, 2006년 이후 블루레이 표준의 일부로 LPCM이 정의되었다.^[29][30][31]

• '''게임:''' 게임 콘솔(플레이스테이션, 엑스박스 등) 및 PC 게임에서는 효과음, 배경 음악 등에 PCM 또는 압축된 PCM을 사용한다.

7. 1. 통신

7. 2. 오디오

7. 3. 게임

• 플레이스테이션 3용 게임 소프트웨어: 최대 7.1채널(48kHz/16bit)까지 지원한다. 최근의 PS3용 소프트웨어는 리니어 PCM 5.1채널과 돌비 디지털 5.1채널 사운드를 수록한 경우가 많으며, 규격상 멀티 채널 서라운드는 돌비 디지털 5.1채널만 지원하는 Xbox 360용 소프트웨어에 대한 장점이 되고 있다. 7.1채널을 수록한 것은 특히 사운드에 신경 쓴 소프트웨어인 경우가 많으며, 그 대부분은 SCE 제품인 경우가 많다.
• Xbox 360용 게임 소프트웨어: 최대 2채널 스테레오까지 지원한다. 돌비 디지털 5.1채널로 게임 사운드를 수록하지 않은 Xbox 360용 소프트웨어는 모두 리니어 PCM 2채널로 사운드를 수록한 것으로 추정된다. 돌비 디지털 2채널일 가능성은 낮다.

8. 소프트웨어 기술

소프트웨어 믹서는 여러 개의 가상 PCM 음원을 소프트웨어적으로 작동시켜 믹싱하여 출력하는 기술이다. 최근 반도체 소자의 처리 속도 향상으로 더욱 풍부한 표현이 가능해졌다. DirectX에서 음성 데이터에 음계를 부여하는 기능, 소프트웨어 MIDI 음원 등이 이 기술을 기반으로 한다.^[45] 가정용 게임기 중에서는 게임보이 어드밴스가 이 기술을 사용하며, 플레이스테이션 2 등은 거의 사용하지 않는다.

PCM 음원이 없는 하드웨어에서는 CPU 제어를 통해 PCM 데이터를 재생하기도 한다. 네오지오 포켓, 광속선 등은 단독 DAC를 탑재했고, 메가 드라이브와 PC 엔진은 음원 일부를 DAC로 사용했다.

하드웨어를 정밀 제어하여 발성이 가능한 하드웨어를 DAC로 간주하고 음성을 재생하는 기법도 있다. 삐 소리용 하드웨어로 펄스 폭 변조를 하거나, 구형파 출력을 DAC로 간주하여 PSG에 의한 PCM 재생을 시도하기도 한다.^[46] X68000에서는 OPM에 구형파를 정의하고, 8채널 출력 포트를 이용하여 최대 모노럴 50kHz, 스테레오 25kHz 전후의 샘플링 주파수 재생을 가능하게 한 소프트웨어도 존재한다.^[47] DAC로서는 비선형 지수적 특징을 가지는 등, 원래 상정하지 않은 하드웨어이므로 재생 음질은 낮아지기 쉽다.

파형 메모리 음원에서 1주기마다 파형을 갱신하여 PCM을 재생하는 소프트웨어도 존재한다.

참조

_[1] 간행물 RFC 2586 – The Audio/L16 MIME content type http://tools.ietf.or[...] The Internet Society 1999-05
_[2] 간행물 RFC 4856 – Media Type Registration of Payload Formats in the RTP Profile for Audio and Video Conferences – Registration of Media Type audio/L8 http://tools.ietf.or[...] The IETF Trust 2007-03
_[3] 간행물 RFC 3190 – RTP Payload Format for 12-bit DAT Audio and 20- and 24-bit Linear Sampled Audio http://tools.ietf.or[...] The Internet Society 2002-01
_[4] 웹사이트 Audio Media Types https://www.iana.org[...] Internet Assigned Numbers Authority 2010-03-16
_[5] 웹사이트 Linear Pulse Code Modulated Audio (LPCM) https://www.loc.gov/[...] Library of Congress 2022-04-19
_[6] 서적 Highway of Dreams: A Critical View Along the Information Superhighway https://books.google[...] Erlbaum 1997
_[7] 웹사이트 A Brief History of the Single-Chip DSP, Part I https://www.eejourna[...] 2021-09-07
_[8] 서적 Experimenting the Human: Art, Music, and the Contemporary Posthuman https://books.google[...] The University of Chicago Press
_[9] 웹사이트 The Bartlane Transmission System http://www.digicamhi[...] DigicamHistory.com
_[10] 문서 U.S. patent number 1,608,527; also see p. 8, Data conversion handbook, Walter Allan Kester, ed., Newnes, 2005, {{ISBN|0-7506-7841-0}}.
_[11] 간행물 Pulse Code Modulation: It all Started 75 Years Ago with Alec Reeves https://insight.ieee[...] IEEE 2013-06
_[12] 특허
_[13] 서적 So Many Hills to Climb Beckham Publications Group 2004
_[14] 서적 Electron Beam Deflection Tube for Pulse Code Modulation https://archive.org/[...] Bell Labs 1948-01
_[15] 서적 Television by Pulse Code Modulation https://archive.org/[...] Bell Labs 1951-01
_[16] 웹사이트 Bernard Oliver http://www.invent.or[...] 2011-02-06
_[17] 웹사이트 Claude Shannon http://www.invent.or[...] 2011-02-06
_[18] 웹사이트 National Inventors Hall of Fame announces 2004 class of inventors http://www.sciencebl[...] 2004-02-11
_[19] 간행물 The Philosophy of PCM 1948-11
_[20] 문서 P. Cummiskey, N. S. Jayant, and J. L. Flanagan, "Adaptive quantization in differential PCM coding of speech," Bell Syst. Tech. J., vol. 52, pp. 1105–1118, Sept. 1973.
_[21] 간행물 The dawn of commercial digital recording http://www.aes.org/a[...]
_[22] 문서 Among the first recordings was Uzu: The World Of Stomu Yamash'ta 2 by [[Stomu Yamashta]].
_[23] 문서 The first recording with this new system was recorded in [[Tokyo]] during April 24–26, 1972.
_[24] 웹사이트 I Can't Keep Up With All The Formats II http://rogernichols.[...]
_[25] 서적 A Short History of Circuits and Systems: From Green, Mobile, Pervasive Networking to Big Data Computing IEEE Circuits and Systems Society 2016
_[26] 서적 The Communications Handbook CRC Press 2018-10-08
_[27] 문서 Other methods exist such as [[pulse-density modulation]] used also on [[Super Audio CD]].
_[28] 서적 Global Networks: Engineering, Operations and Design John Wiley & Sons 2012-10-17
_[29] 간행물 White paper Blu-ray Disc Format – 2.B Audio Visual Application Format Specifications for BD-ROM http://www.blu-raydi[...] 2005-03
_[30] 웹사이트 DVD Technical Notes (DVD Video – "Book B") – Audio data specifications http://www.mpeg.org/[...] 1996-07-21
_[31] 웹사이트 DVD Frequently Asked Questions (and Answers) – Audio details of DVD-Video http://dvddemystifie[...]
_[32] 웹사이트 How DV works http://seaspray.trin[...]
_[33] 웹사이트 AVCHD Information Website – AVCHD format specification overview http://www.avchd-inf[...]
_[34] 간행물 EBU Tech 3306 – MBWF / RF64: An Extended File Format for Audio http://tech.ebu.ch/d[...] 2009-07
_[35] 문서 Some systems use [[digital filter]]ing to remove some of the aliasing, converting the signal from digital to analog at a higher sample rate such that the analog [[anti-aliasing filter]] is much simpler. In some systems, no explicit filtering is done at all; as it is impossible for any system to reproduce a signal with infinite bandwidth, inherent losses in the system compensate for the artifacts — or the system simply does not require much precision.
_[36] 논문 RFC 3108 – Conventions for the use of the Session Description Protocol (SDP) for ATM Bearer Connections http://tools.ietf.or[...] 2010-03-16
_[37] 웹사이트 PCM, Pulse Code Modulated Audio https://www.loc.gov/[...] Library of Congress 2022-09-05
_[38] 웹사이트 24/192 Music Downloads, and why they do not make sense http://people.xiph.o[...] Chris "Monty" Montgomery 2013-03-16
_[39] 웹사이트 https://www.its.bldr[...] 2020-08
_[40] 문서 Quantization error swings between -q/2 and q/2. In the ideal case (with a fully linear ADC and signal level >> q) it is uniformly distributed over this interval, with zero mean and variance of q2/12.
_[41] 문서 A slight difference between the encoding and decoding clock frequencies is not generally a major concern; a small constant error is not noticeable. Clock error does become a major issue if the clock contains significant jitter, however.
_[42] 간행물 Digital Signaling Techniques https://ieeexplore.i[...] IEEE Communications Magazine 1984-12
_[43] 웹사이트 HDサラウンドサウンド向けのロスレスオーディオ、ドルビーTrueHD http://www.dolby.co.[...] ドルビーラボラトリーズ 2021-06-20
_[44] 뉴스 次世代サラウンド規格に完全対応。オンキョーのAVセンターTX-SA805に注目！ http://www.stereosou[...] ステレオサウンド 2021-06-20
_[45] 문서 Oh!FM 1990年4月号「しゃべるんどすえ」 2021-06
_[46] 문서 Oh!X 1995年12月号 BREEZE 2021-06
_[47] 문서 Oh!X 1999年夏号「内蔵音源を駆使した高品位ステレオ PCM 再生」 2021-06
_[48] 웹인용 RFC 2586 – The Audio/L16 MIME content type http://tools.ietf.or[...] The Internet Society 2010-03-16
_[49] 웹인용 RFC 4856 – Media Type Registration of Payload Formats in the RTP Profile for Audio and Video Conferences – Registration of Media Type audio/L8 http://tools.ietf.or[...] The IETF Trust 2010-03-16
_[50] 웹인용 RFC 3190 – RTP Payload Format for 12-bit DAT Audio and 20- and 24-bit Linear Sampled Audio http://tools.ietf.or[...] The Internet Society 2010-03-16
_[51] 웹인용 Audio Media Types http://www.iana.org/[...] Internet Assigned Numbers Authority 2010-03-16