기출 PCM(Pulse Code Modulation, 펄스 부호 변조)

agnusdei·2025년 3월 17일

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1. 문제

PCM(Pulse Code Modulation, 펄스 부호 변조)에 대해 설명하시오.

2. 답안

① PCM 개요

PCM(Pulse Code Modulation, 펄스 부호 변조)은 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 대표적인 변조 방식이다. 아날로그 신호를 일정한 간격으로 샘플링(sampling)한 후, 이를 양자화(quantization)하고 부호화(coding)하여 디지털 데이터(2진수)로 변환한다. PCM은 주로 음성과 같은 아날로그 신호를 디지털로 변환할 때 사용되며, 시분할 다중화(TDM: Time Division Multiplexing) 방식에서 널리 활용된다.

② PCM 신호 변환 과정

PCM은 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 과정에서 다음과 같은 단계를 거친다.

저역통과필터(LPF: Low Pass Filter) 적용
- 아날로그 신호의 대역폭을 제한하여 에일리어싱(aliasing) 현상을 방지한다.
- 일반적으로 샘플링 이론에 따라, 원 신호의 최대 주파수보다 두 배 이상 높은 주파수에서 샘플링해야 한다(샘플링 정리: Nyquist Theorem).
표본화(Sampling, 샘플링)
- 일정한 시간 간격(샘플링 주기)마다 아날로그 신호의 값을 측정한다.
- 샘플링 주파수(fs)는 신호의 최대 주파수(fm)의 두 배 이상이어야 한다(Nyquist 정리: fs ≥ 2fm).
- 샘플링된 신호는 PAM(Pulse Amplitude Modulation, 펄스 진폭 변조) 형태가 된다.
양자화(Quantization, 양자화)
- 샘플링된 아날로그 값을 일정한 비트 수의 디지털 값으로 변환하는 과정이다.
- 연속적인 아날로그 신호를 이산적인 단계(discrete level)로 변환하므로 양자화 잡음(Quantization Noise)이 발생할 수 있다.
- 양자화 레벨 수가 많을수록 원래 신호를 더 정밀하게 표현할 수 있다.
부호화(Coding, 코딩)
- 양자화된 값을 2진수(Binary) 형태로 변환한다.
- 일반적으로 8비트(256 레벨) 또는 16비트(65536 레벨)로 표현된다.
다중화 및 전송
- 변환된 디지털 신호는 시분할 다중화(TDM) 방식으로 여러 채널을 합쳐 전송할 수 있다.
복호화 및 재생
- 수신 측에서는 디지털 신호를 다시 아날로그 신호로 변환(디지털-아날로그 변환, DAC: Digital to Analog Conversion)하여 원래의 신호를 재현한다.

③ PCM의 장점과 단점

구분	설명
장점	- 잡음(Noise)과 혼선(Crosstalk)에 강하다. - 아날로그 신호 대비 신호 열화가 적다. - 고가의 아날로그 필터가 불필요하다. - 디지털 신호로 변환되므로 데이터 압축, 암호화, 오류 검출 등이 가능하다.
단점	- 양자화 잡음(Quantization Noise)이 발생할 수 있다. - 원본 신호를 복원할 때, 필터링 및 보간(interpolation)이 필요하다. - 점유 주파수 대역폭이 넓어져 전송 효율이 낮아질 수 있다.

3. 현재 상황 및 향후 전망

현재 PCM은 통신 시스템(유선 및 무선), 오디오 및 비디오 신호 처리, VoIP(Voice over IP), 디지털 방송, 위성 통신 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다. 특히, 인터넷 기반 통신에서 음성과 데이터를 디지털 신호로 변환하여 전송하는 필수 기술이다.

최근에는 고음질 오디오 및 압축 기술의 발전으로 인해 PCM 기반의 고해상도 오디오(Hi-Res Audio)와 같은 응용 기술이 발전하고 있으며, AI 기반의 신호 처리 기술과 결합하여 더욱 정교한 디지털 음성 및 영상 처리 기술이 등장하고 있다. 향후에는 5G 및 6G 환경에서도 PCM을 활용한 효율적인 신호 변환 및 전송 기술이 더욱 발전할 것으로 예상된다.