1)PCM 이란?
아날로그 신호를 디지털 신호로 변조하여 전송하는 방식이다. 지금까지 레이더와 함께 가장 발전된 형태의 다중 통신수단의 하나이며 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.
2)PCM 방식
펄스코드변조방식은 먼저 음성정보를 일정간격의 시간으로 샘플링하여 펄스진폭변조 신호를 얻은 다음, 이를 다시 양자화기를 거쳐 각 진폭값을 평준화하고, 이 양자화된 값에 2진 부호값을 할당함으로써 수행된다.
샘플링이란 음성정보를 일정시간 간격, 즉 샘플로 나누어 각 샘플마다 진폭값을 부여하는 것으로, 이를 펼스진폭변조(Pulse Amplitude Modulation)방식이라고도 한다. 또 양자화란 샘플링에 의해 얻어진 진폭값을 평준화하는 것으로 예를 들면 1.08의 값을 1.1로서 표현하는 것을 말한다. 이 과정에서 생기는 오차를 양자화 에러라 한다. 양자화에 의해 얻어진 모든 진폭값을 등간격으로 구분한 다음, 이들 각 값에 2진값을 할당하게 된다. 사람의 음성을 PCM 전송하는 경우 전송 속도는 64Kbps가 된다.
PCM 계통도
3) PCM 전송 과정
(1) 표본화 (sampling)
음성, 화상 등과 같이 연속적으로 변하는 아날로그신호를 불연속적인 디지털 신호로 바꾸어 전송함에 있어 그 파형을 모두 전송할 필요는없으며 아날로그 신호의 본래의 특성을 잃어 버리지 않는 범위에서 필요한 정보만을 효율적으로추출하여 전송해야 한다.
표본화란 필요한 정보를 취하기 위해 음성 또는 영상과 같은 연속적인 아날로그 신호를불연속적인 디지털 신호로 바꾸는 과정이며, 원 신호를 시긴 축 상에서 일정한 주기로 추출하는 것을 말한다. 추출된 신호의 진폭을 표본값이라 하며, 이 표본값은 일정한 간격으로추출되는데 이 간격을 프레임 (frame) 또는 표본 간격 (sampling interval)이라 한다 이렇게 표본값으로 이루어진 펄스 열(列)을 펄스 진폭 변조 (PAM : Pulse Amplitude Modulation)라 한다.
그런데 연속적인 아날로그 신호를 불연속적인 디지털 신호로 바꾸면서 그 특성을 잃어버리지 않으려면 얼마나 자주 신호를 추출하여야 할까? 이에 대한 해답은 Nyquist라는분이 표본추출 이론 (Sampling Theorem)이라는 것에서 밝혔다. 예를 들어, 음성 신호인경우 유효 음성 주파수 대역인 300-3.400Hz의 2배인 6,800Hz (1초당 6,800번추출)로 표본화 하면 원 신호를 문제없이 재생할 수 있다는 것이다. 그러나 실제의 경우 많은채널을 구성할 경우 여파기의 특성이 이상적이지 못하므로 실제로는 다소 여유를 두어 2배가 넘는 8,000Hz (1초당 8,000번 추출)로 표본화하고 있다.
(2) 양자화 (quantization)
표본화에 의해 얻은 PAM신호를 디지털화하기 위해 진폭축으로 이산값(서로 떨어져 있는값)을 갖도록 처리하는 것을 양자화(quantization)라 한다. PAM신호를 양자화하기 위한 출력 레벨의 간격을 양자화 폭(quantization step size)이라 하며 양자화 폭의 수는 이진 부호의 비트 수에 의해 결정된다. 비트 수를 많게 하면 원 신호를 충실히 부호화할 수 있는 대신에 동일한 시간에 많은 비트를 보내야 하므로 고속의 데이터 전송이 필요하게된다.
따라서 품질과 경제성을 고려해서 비트 수를 결정해야 하는데 현재 우리가 많이 사용하는 일반 전화음성의 경우 표본당 8비트(최대 피크값과 최소 피크값 사이에 256(=28)개의간격)로 부호화하고 있다. 양자화시 연속되는 양을 이산값으로 근사화 시킬 때 발생하는 오차를 양자화 잡음(quantization noise)이라 하는데 디지털화에 따르는 품질저하의 요인이 되므로 이를 최대로 작게 할 필요가 있다. 따라서 이러한 양자화 잡음을 줄이기 위해 양자화 폭을 일정하게 고정하는 선형 양자화(linear quantization) 대신에 신호의 진폭이 작은 영역에 대해서는 양자화 폭을 넓게 하는 방법으로 전체에 대한 신호 대 잡음비(SNR : Signal-to-Noise Ratio)를 개선하는 양자화 방법을 사용하는데 이러한 방법을 비선형 양자화(non-linear quantization)라 한다.
(3) 부호화 (encoding)
양자화된 신호들은 전송 시에 잡음에 매우 민감하므로 전송 및 처리에 적합하도록 부호화하여야 한다. 부호화에 있어서 대부분 2진 펄스의 형태가 전송 및 재생이 용이하므로 대부분의 경우 이진법에 의해 행해진다. 한 개의 비트로는 ‘0’과 ‘1’의 두 개의 상태를 표현할 수 있으며 , 두 개의 2진수로는 00, 01, 10, 11의 4가지 상태를 표현할 수 있다.
같은 방법으로 3비트가 차례로 전송된다면 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110,111의 형태로 8가지의 정보를 전송하거나 표현할 수 있다 즉, N개의 비트를 사용하면 2N개의 독립적인 상태를 표시할 수 있다는 것을 의미한다. 이 때 사용되는 N개의 비트 한조를 PCM 워드(Pulse Code Modulation word)라 하며 일반적으로 음성신호는 256개의 단계(레벨)로 양자화 되기 때문에 각 표본은 8비트(28=256)로 부호화가 가능하므로 통상 8비트가 한 개의 PCM워드가 된다. 따라서 아날로그 음성신호를 디지털 PCM 신호로 바꾸는 작업은 초당 8,000개의 표본을 8비트로 부호화하므로 초당 64,000개의 비트(8,000×8 = 64,000)를 필요로 한다. 이는 64Kbps(kilo bits per second)의 디지털 신호에 해당된다.
4)PCM의 장단점
(1)장점
-잡음에 강하다.
디지털 신호는 신호의 유무를 가지고 정보를 전달하기 때문에 외부잡음이 섞이더라도 신호의 유무를 판정함에 영향을 주지 않는 범위 내에서는 신호를 다시 재생하는 것이 가능하고 유무신호가 약해지면 재생중계기에서 유무신호를 보상하기 때문에 각종 잡음 및 누화에 강하다.
-LSI화에 적합하다.
시분할 디지털 신호를 사용하는 다중화 장치(multiplexer)나 스위치 소자는 디지털 컴퓨터의 논리회로와 메모리에 사용된 기본회로와 같이 구현될 수 있다. 예를 들면 디지털 스위치의 교차점(srosspoint)은 논리회로의 AND 게이트에 지나지 않는다. 따라서 디지털 신호를 취급하는 회로는 게이트와 메모리 등을 중심으로 하는 논리회로의 구성이 가능하며, 아날로그 회로와 같은 고도의 정밀을 필요로 하지 않는다.
-분기와 삽입이 쉽다.
신호를 다중화시키거나 다중화된 신호를 분리하는 경우 디지털 신호에서는 시분할 다중화방식을 적용하므로 간단한 게이트회로를 사용해서 신호의 다중화와 분리를 쉽게 행할 수 있다.그러나 아날로그 신호인 경우에는 주파수분할 다중화를 적용하기 때문에 고정밀의 필터가 다수 필요하다. 또한 디지털 신호의 다중화시 제어신호 정보도 간단히 삽입할 수 있으나 아날로그 신호를 전송하는 시스템에서는 제어신호에 대한 특별한 주의가 요구된다.
-가공처리가 쉽다.
수치계산등의 연산과 부호변환등에 디지털 신호를 일반적으로 적용하고 있는데 원래 아날로그 신호인 음성과 화상등의 정보를 디지털화해서 처리하는 경우, 연산시 신호의 분별, 대역의 압축 등을 쉽게 할 수 있다. 그리고 음성신호의 디지털화를 통해 사용되는 PCM다중화장치나 스위치 메트릭스 또는 디지털 신호처리(DSP)로 설계된 LSI의 회로를 사용함으로써 가격이 경제적이 최신기술에 이용될 수 있다.
-정비주기가 길다.
PCM장치는 크기,무게,견고성면에서 FDM장치보다 우수하므로 정비주기가 길다.
-보안성을 확보할 수 있다.
디지털 스크램블링(scrambling)기술을 이용하여 쉽게 보안성을 확보할 수 있다.
(2)단점
-채널당 소요되는 대역폭이 증가된다.
음성신호 전송시 체널당 64Kb/s의 대역폭이 소요된다. 이점에서 PCM은 장거리 전송구 간에서는 비효율적이나 잡음이나 기타 전송상의 장애를 극복할 수 있는 장점들이 이러한 단점을 보상하여 준다.
-PCM고유의 잡음인 양자화 잡음(quantizing noise)이 발생한다.
양자화 단계를 세분하면 양자화 잡음은 감소되나 bit rate이 높아지고 시스템의 복잡도 가 증가되므로 양자화 단계의 세분화를 일정단계에서 제한한다. 그러나 압신 (companding)방식을 사용하면 양자화 단계를 세분하지 않고도 양자화 잡음을 감소시킬 수 있다.
-동기(synchronization)가 유지되어야 한다.
디지털 전송 시스템이나 디지털 교환기가 상호 연결되면 각 시스템은 내부 동기가 유지되어야 하며 망동기 절차가 수립되어야 한다.
-지리적으로 분산된 신호의 다중화에 어려움이 있다.
분산된 신호를 시분할 다중화하는 PCM방식에서는 각 체널(time slot)사이에 보호시간(guard time)이 할당된다. 이 보호시간은 송수신기 사이의 거리에 비례해서 증가되어야 한다. 예를 들어 TDMA모드로 운영되는 통신위성 시스템은 각 지구국에 할당된 타임슬 롯사이에 보호시간을 두어 상호 영향을 방지한다. 그리고 필퐁(PING-PONG)모드로 운 용되는 디지털 가입자가 루프(LOOP)에서도 양방향 전송시간 사이에 보호시간이 할당되 어 있다.
-A/D,D/A 변환과정이 증가된다.
아직까지는 PSTN에서 아날로그 방식이 많으므로 디지털 시스템을 설치하면 A/D,D/A 변환비용이 추가된다. 이문제는 디지털화 비율의 증가로 점차 감소되고 있다.
-기존 아날로그 네트워크와의 정합에 소요되는 비용부담이 크다.
디지털 교환기에 아날로그 전화기와 LOOP망을 정합 시킬려면 SLIC(Subscriber Line Interface Circuit)를 갖추어야 하는데 실제로 디지털 교환기에서 하드웨어 비중 및 교환기 가격에 상당량을 차지하는 부분이 아날로그와의 정합부분이다.
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출처 : http://blog.naver.com/chosun3?Redirect=Log&logNo=120035727600
