펄스 코드 변조

Pulse-code modulation
PCM은 여기서 리다이렉트 됩니다.기타 용도는 PCM(동음이의)을 참조하십시오.
펄스 코드 변조
파일 이름 확장자
.L16,WAV, .AIFF, .AU, .PCM[1]
인터넷 미디어 유형
오디오/L16, 오디오/L8,[2] 오디오/L20, 오디오/L24[3][4]
유형코드L16용 AIFF,[1] 없음[3]
매직 넘버다르다
포맷의 종류비압축 오디오
포함자오디오 CD, AES3, WAV, AIFF, AU, M2TS, VOB 및 기타 다수
오픈 포맷?네.
프리 포맷?네, 그렇습니다[5].
패스밴드 변조
Modulation categorization.svg
아날로그 변조
디지털 변조
계층적 변조
스펙트럼 확산
「 」를 참조해 주세요.

Pulse-Code Modulation(PCM; 펄스 코드 변조)은 샘플링된 아날로그 신호를 디지털로 표현하기 위해 사용되는 방법입니다.컴퓨터, 콤팩트 디스크, 디지털 텔레포니 및 기타 디지털 오디오 애플리케이션의 표준 디지털 오디오 형식입니다.PCM 스트림에서 아날로그 신호의 진폭은 일정한 간격으로 정기적으로 샘플링되며 각 샘플은 디지털 스텝 범위 내에서 가장 가까운 값으로 양자화된다.

Linear Pulse-Code Modulation(LPCM; 선형 펄스 코드 변조)은 양자화 레벨이 선형으로 [6]균일한 특정 유형의 PCM입니다.이는 양자화 레벨이 진폭의 함수로 변화하는 PCM 인코딩과 대조됩니다(A-law 알고리즘 또는 μ-law 알고리즘과 동일).PCM은 일반적인 용어이지만 LPCM으로 인코딩된 데이터를 나타낼 때 자주 사용됩니다.

PCM 스트림에는 원본 아날로그 신호에 대한 스트림의 충실도를 결정하는 두 가지 기본 속성이 있습니다. 샘플링 속도는 샘플이 수집되는 초당 횟수이고 비트 깊이는 각 샘플을 나타내기 위해 사용할 수 있는 가능한 디지털 값의 수를 결정합니다.

역사

초기 전기 통신은 여러 전신 소스의 샘플을 다중화하고 단일 전신 케이블을 통해 전달하기 위해 신호를 샘플링하기 시작했습니다.미국의 발명가 Moses G. Farmer는 1853년에 TDM(telegraph time-division multiplexing)을 고안했습니다.1903년 전기 엔지니어 W. M. Miner는 여러 전신 신호를 시분할 다중화하기 위해 전기 기계 정류자를 사용했습니다. 또한 그는 이 기술을 전화에도 적용했습니다.그는 3500–4300Hz 이상의 속도로 샘플링된 채널에서 이해할 수 있는 음성을 얻었다. 낮은 속도는 만족스럽지 못했다.

1920년, 바틀레인 케이블 사진 전송 시스템은 종이 테이프에 박힌 글자의 전신 신호를 사용하여 5단계로 [7]정량화된 이미지 샘플을 전송했다.1926년 Western Electric의 Paul M. Rainey는 5비트 PCM을 사용하여 신호를 전송하는 팩시밀리 기계에 대한 특허를 취득했으며, 이 팩시밀리 기계는 광기계 아날로그-디지털 [8]변환기로 인코딩되었습니다.그 기계는 [9]생산에 들어가지 않았다.

영국의 엔지니어 Alex Reeves는 이전 작업을 알지 못한 채 1937년 프랑스의 International Telephone and Telegraph에서 일하는 동안 음성 통신에 PCM을 사용하는 것을 구상했습니다.그는 그 이론과 그 장점을 설명했지만 실제 적용되지는 않았다.리브스는 1938년에 프랑스 특허를 출원했고,[10] 1943년에 그의 미국 특허가 승인되었다.이 무렵 리브스는 전기통신연구소에서 [9]일하기 시작했다.

디지털 기술에 의한 최초의 음성 전송인 SIGSALY 암호화 장비는 제2차 세계대전 중 연합군의 고도의 통신을 전달하였다.1943년 SIGSALY 시스템을 설계한 Bell Labs 연구원들은 이미 리브스가 제안한 PCM 바이너리 코딩의 사용을 알게 되었습니다.1949년 캐나다 해군의 DATAR 시스템을 위해 Feranti Canada는 디지털 레이더 데이터를 장거리까지 [11]전송할 수 있는 작동하는 PCM 무선 시스템을 구축했습니다.

1940년대 후반과 1950년대 초반 PCM은 코드 [12]천공을 가진 플레이트 전극이 있는 음극선 코딩 튜브를 사용했습니다.오실로스코프와 마찬가지로 빔은 샘플링 속도로 수평으로 스위프되고 수직 편향은 입력 아날로그 신호에 의해 제어되어 빔이 다공판의 위쪽 또는 아래쪽을 통과하게 됩니다.플레이트가 빔을 수집하거나 통과하여 바이너리 코드에서 한 번에 1비트씩 전류 변화를 생성합니다.자연 바이너리가 아닌, 구달의 후기 튜브의 그리드를 천공하여 글리치가 없는 그레이 코드를 생성하고 스캔 [13]빔 대신 팬 빔을 사용하여 모든 비트를 동시에 생성했습니다.

미국에서는 국립 발명가 명예의 전당이 버나드 M을 기렸다. Oliver와[14] Claude[15] Shannon은 [16]"펄스 코드 변조를 사용하는 통신 시스템"에 기술된 바와 같이 PCM의 발명가로서 1956년에 부여된 미국 특허 2,801,281.같은 제목의 또 다른 특허는 John R에 의해 출원되었다. 1945년 피어스, 1948년 미국 특허 2,437,707.이들 세 사람은 1948년 [17]PCM의 철학(The Philosophy of PCM)을 출간했다.

1961년에 도입된 T-carrier 시스템은 2개의 트위스트 페어 전송선을 사용하여 8kHz 및 8비트 해상도로 샘플링된 24개의 PCM 전화 통화를 전송합니다.이 개발은 이전의 주파수 분할 다중 방식보다 용량과 콜 품질을 향상시켰습니다.

1973년에 P에 의해 적응 차분 펄스 코드 변조(ADPCM)가 개발되었습니다.Cummiskey, Nikil Jayant, 그리고 James L. 플래너건.[18]

디지털 오디오 녹음

주요 기사:디지털 오디오 및 디지털 녹음

1967년,[19] 최초의 PCM 레코더가 일본 NHK의 연구 시설에서 개발되었습니다.30kHz 12비트 장치에서는 동적 범위를 확장하기 위해 컴팬더(DBX 노이즈 감소와 유사)를 사용하여 신호를 비디오 테이프 레코더에 저장했습니다.1969년 NHK는 이 시스템의 기능을 2채널 스테레오와 32kHz 13비트 해상도로 확장했다.1971년 1월 NHK의 PCM 녹화 시스템을 사용하여 데논의 엔지니어는 최초의 상업용 디지털 [note 1][19]녹음을 녹음했다.

1972년 Denon은 4헤드 오픈 릴 방송 비디오 테이프 레코더를 사용하여 47.25kHz, 13비트 PCM [note 2]오디오로 녹화하는 최초의 8채널 디지털 레코더인 DN-023R을 발표했습니다.1977년 Denon은 휴대용 PCM 기록 시스템인 DN-034R을 개발했습니다.DN-023R과 마찬가지로 47.25kHz에서 8채널을 기록했지만 14비트를 사용해 15.5비트에 [19]해당합니다.

1979년, 최초의 디지털 팝 앨범인 Bop to You Drop이 녹음되었다.3M 디지털 테이프 [20]레코더를 사용하여 50kHz, 16비트 리니어 PCM으로 기록되었습니다.

콤팩트 디스크(CD)는 1982년 출시된 PCM을 소비자용 오디오 애플리케이션에 도입했습니다.CD는 44,100Hz 샘플링 주파수와 16비트 해상도를 사용하며 디스크당 최대 80분의 스테레오 오디오를 저장합니다.

디지털 텔레포니

주요 기사:디지털 텔레포니

PCM 디지털 텔레포니의 급속한 발전과 광범위한 채택은 1970년대 [21]초에 개발된 금속 산화물 반도체(MOS) 스위치 콘덴서(SC) 회로 기술에 의해 가능해졌다.이것은 1970년대 [21][22]후반에 PCM 코덱 필터 칩의 개발로 이어졌다.David A가 개발한 실리콘 게이트 CMOS(보완 MOS) PCM 코덱필터 칩. 하지스와 W.C.1980년의 [21]블랙은, 그 [21][22]후 디지털 텔레포니의 업계 표준이 되고 있습니다.1990년대까지 공중전화교환망(PSTN)과 같은 통신 네트워크는 전화교환, 사용자 엔드 모뎀 및 통합형 모뎀과 같은 광범위한 디지털 전송 애플리케이션을 위한 전자교환 시스템에 널리 사용되는 초대형 통합(VLSI) CMOS PCM 코덱 필터로 대부분 디지털화되었습니다.서비스 디지털 네트워크(ISDN), 무선 전화기 및 [22]휴대 전화.

실장

PCM(추진 제어 모듈)은 일반적으로 압축되지 않은 디지털 [note 3]오디오에 사용되는 인코딩 방식입니다.

  • 4ESS 스위치는 중규모 [23]집적회로 기술을 기반으로 1976년 미국 전화 시스템에 시분할 전환을 도입했습니다.
  • LPCM은 1982년에 도입된 콤팩트디스크 Red Book 표준(비공식적으로는 Audio CD라고도 함)의 오디오 데이터의 무손실 부호화에 사용됩니다.
  • AES3(1985년에 지정, S/PDIF의 기반이 되고 있다)는 LPCM을 사용하는 특정 형식입니다.
  • 디지털 사운드가 포함된 레이저 디스크는 디지털 채널에 LPCM 트랙이 있습니다.
  • PC에서 PCM 및 LPCM은 종종 WAV(1991년에 정의) 및 AIFF 오디오컨테이너 형식(1988년에 정의)에서 사용되는 형식을 나타냅니다.LPCM 데이터는 AU, 원시 오디오 형식(헤더리스 파일), 다양한 멀티미디어 컨테이너 형식 등 다른 형식으로 저장할 수도 있습니다.
  • LPCM은 DVD(1995년 이후) 및 Blu-ray(2006년 이후) [24][25][26]규격의 일부로 정의되어 있습니다.또한 다양한 디지털 비디오 및 오디오 스토리지 포맷의 일부로 정의됩니다(예:[27] 1995년부터 DV, 2006년부터[28] AVCHD).
  • LPCM은 비압축 디지털 데이터를 전송하기 위한 싱글 케이블 디지털 오디오/비디오 커넥터 인터페이스인 HDMI(2002년에 정의)에 의해 사용됩니다.
  • RF64 컨테이너 포맷(2007년에 정의)은 LPCM을 사용하여 비 PCM 비트스트림 스토리지를 지원합니다.RF64 파일에 데이터 버스트로서 포함되는 다양한 압축 포맷(Dolby E, Dolby AC3, DTS, MPEG-1/MPEG-2 Audio)은 PCM [29]리니어로서 「표시」할 수 있습니다.

변조

4비트 LPCM용 신호(빨간색) 샘플링 및 양자화

그림에서는 PCM에 대해 사인파(빨간색 곡선)가 샘플링되어 양자화됩니다.사인파는 수직 라인으로 표시되는 일정한 간격으로 샘플링됩니다.각 표본에 대해 사용 가능한 값 중 하나(y 축에서)가 선택됩니다.PCM 프로세스는 일반적으로 Analog-to-Digital Converter(ADC; 아날로그-디지털 변환기)라고 불리는 단일 집적회로 상에 구현됩니다.이를 통해 입력 신호(파란색 점)를 완전히 이산적으로 표현하여 저장 또는 조작을 위한 디지털 데이터로 쉽게 인코딩할 수 있습니다.여러 PCM 스트림을 더 큰 집약 데이터 스트림으로 다중화할 수도 있습니다.일반적으로 단일 물리 링크를 통해 여러 스트림을 전송할 수 있습니다.하나의 기술은 시분할다중화(TDM)라고 불리며, 특히 현대의 공중전화 시스템에서 널리 사용되고 있습니다.

복조

이산 데이터로부터 정확한 아날로그 신호를 생성하는 데 관여하는 전자장치는 디지털 신호 생성에 사용되는 전자장비와 유사합니다.이러한 디바이스는 Digital-to-Analog Converter(DAC; 디지털 아날로그 컨버터)입니다.디지털 입력에 표시되는 값을 나타내는 전압 또는 전류(유형에 따라 다름)를 생성합니다.이 출력은 일반적으로 사용을 위해 필터링 및 증폭됩니다.

복조기는 샘플링된 데이터에서 원래 신호를 복구하기 위해 변조 절차를 반대로 적용할 수 있습니다.각 샘플링 주기 후에 복조기는 다음 값을 읽고 출력 신호를 새 값으로 전환합니다.이러한 이행의 결과, 신호는 이미징 효과로 인해 상당한 양의 고주파 에너지를 유지합니다.이러한 바람직하지 않은 주파수를 제거하기 위해 복조기는 예상 주파수 범위(나이키스트 [note 4]보다 큰)를 벗어나는 에너지를 억제하는 재구성 필터를 통해 신호를 전달합니다.

표준채취 정밀도 및 비율

LPCM의 일반적인 샘플 깊이는 [1][2][3][30]샘플당 8, 16, 20 또는 24비트입니다.

LPCM은 단일 사운드채널을 부호화합니다.멀티채널 오디오 지원은 파일 형식에 따라 다르며 여러 LPCM [6][31]스트림의 동기화에 의존합니다.2개의 채널(스테레오)이 가장 일반적인 형식이지만 시스템은 최대 8개의 오디오 채널(7.1 서라운드)[2][3] 이상을 지원할 수 있습니다.

일반적인 샘플링 주파수는 DVD 형식 비디오에서 사용되는 48kHz 또는 CD에서 사용되는 44.1kHz입니다. 96kHz 또는 192kHz의 샘플링 주파수를 일부 장비에서 사용할 수 있지만, 이점에 대해서는 [32]논의되어 왔습니다.

제한 사항

Nyquist-Shannon 샘플링 정리에 따르면 입력 신호에 포함된 최고 주파수의 2배 이상의 샘플링 주파수를 제공할 경우 PCM 장치가 설계된 주파수 대역 내에 왜곡 없이 작동할 수 있습니다.예를 들어 텔레포니에서는 사용 가능한 음성 주파수 대역의 범위는 약 300Hz [33]~3400Hz입니다따라서 음성 신호의 효과적인 재구성을 위해 텔레포니애플리케이션에서는 일반적으로 사용 가능한 음성 주파수의 2배가 넘는 8000Hz 샘플링 주파수를 사용합니다.

어떠한 PCM 시스템에도 잠재적인 장애의 원인이 있습니다.

  • 각 샘플에 대해 아날로그 신호 레벨에 가깝지만 정확히 일치하지 않는 이산 값을 선택하면 양자화 [note 5]오류가 발생합니다.
  • 샘플 사이에 신호의 측정, 샘플링 정리한 명료한 표현 및 신호의 회복할 때만 주파수 또는 더 높은(하나를 샘플링 주파수, 나이퀴스트 주파수로 알려진)fs/2에 기운이 없어.; 높은 주파수 정확하게 회복되고 에일리어싱 disto을 더해 표현되지 않게 된다.r나이키스트 주파수 아래의 신호로 이동합니다.
  • 샘플은 시간에 따라 달라지기 때문에 정확한 재생을 위해서는 정확한 클럭이 필요합니다.부호화 클럭 또는 디코딩 클럭 중 하나가 안정적이지 않은 경우 이러한 결함은 디바이스의 [note 6]출력 품질에 직접 영향을 미칩니다.

처리 및 코딩

PCM의 일부 형태는 신호 처리와 부호화를 결합합니다.이러한 시스템의 이전 버전에서는 아날로그-디지털 프로세스의 일부로서 아날로그 도메인에서의 처리가 적용되었으며, 새로운 구현에서는 디지털 도메인에서의 처리가 적용되었습니다.이러한 간단한 기술은 Modified Discrete Cosine Transform(MDCT; 수정 이산 코사인 변환) 코딩과 같은 최신 변환 기반 오디오 압축 기술에 의해 대부분 사용되지 않게 되었습니다.

  • Linear PCM(LPCM; 선형 PCM)은 선형 [34]양자화를 사용하는 PCM입니다.
  • Differential PCM(DPCM; 차분 PCM)은 PCM 값을 현재 값과 예측 값의 차이로 인코딩합니다.알고리즘은 앞의 샘플에 근거해 다음 샘플을 예측하고, 인코더는 이 예측과 실제 값의 차이만을 기억한다.예측이 타당할 경우 동일한 정보를 나타내기 위해 사용할 수 있는 비트는 줄어듭니다.오디오의 경우, 이 타입의 부호화에 의해서, PCM 에 비해 샘플 마다 필요한 비트수가 약 25%감소됩니다.
  • Adaptive Differential Pulse-Code Modulation(ADPCM; 적응형 차분 펄스 코드 변조)은 양자화 스텝의 크기를 변화시키는 DPCM의 변형입니다.이것에 의해, 소정의 신호 대 잡음비에 필요한 대역폭을 한층 더 삭감할 수 있습니다.
  • 델타변조는 DPCM의 한 형태로 샘플당1비트를 사용하여 신호가 이전 샘플과 비교하여 증가 또는 감소하는지 여부를 나타냅니다.

텔레포니에서는, 1 개의 전화 콜의 표준 오디오 신호는, 각각8 비트의 8,000 샘플/초로 부호화되어 DS0이라고 불리는 64 kbit/s 디지털 신호를 제공합니다.DS0의 기본 신호 압축 부호화는 μ-law(mu-law) PCM(북미 및 일본) 또는 A-law PCM(유럽 및 기타 대부분의 세계)입니다.이는 12비트 또는 13비트 선형 PCM 샘플 번호가 8비트 값으로 매핑되는 로그 압축 시스템입니다.이 시스템은 국제표준 G.711에 의해 기술되어 있습니다.

회선 코스트가 높고, 음성 품질의 저하가 허용 가능한 경우는, 음성 신호를 한층 더 압축하는 것이 타당할 수 있습니다.ADPCM 알고리즘은 일련의 8비트 μ-law 또는 A-law PCM 샘플을 일련의 4비트 ADPCM 샘플에 매핑하는 데 사용됩니다.이렇게 하면 회선의 용량이 2배로 증가합니다.이 기술은 G.726 표준에 자세히 설명되어 있습니다.

오디오 코딩 형식과 오디오 코덱은 추가 압축을 실현하기 위해 개발되었습니다.이러한 기술 중 일부는 표준화되어 특허를 취득했습니다.MDCT나 Linear Predictive Coding(LPC; 선형 예측 부호화) 등의 고도의 압축 기술은 현재 휴대전화, Voice over IP(VoIP) 및 스트리밍 미디어에서 널리 사용되고 있습니다.

시리얼 전송 부호화

주요 기사: 라인 코드
다음 항목도 참조하십시오.T-캐리어 및 E-캐리어

PCM은 Return-to-Zero(RZ) 또는 Non-Return-To-Zero(NRZ) 중 하나입니다.인밴드 정보를 사용하여 NRZ 시스템을 동기화하려면 1이나 0과 같이 동일한 기호의 긴 시퀀스가 없어야 합니다.바이너리 PCM 시스템의 경우 1-심볼의 밀도를 [35]1-밀도라고 합니다.

1 밀도는 보통 런렝스 제한 부호화 등의 프리코딩 기술을 사용하여 제어됩니다.이 기술에서는 채널로 변조하기 전에 PCM 코드가 1 밀도에 대한 보증이 있는 약간 긴 코드로 확장됩니다.다른 경우 스트림에 여분의 프레이밍 비트가 추가되어 적어도 가끔 심볼 천이를 보증합니다.

1 밀도를 제어하기 위해 사용되는 또 다른 기술은 데이터에 스크램블러를 사용하는 것으로, 데이터 스트림을 의사 랜덤으로 보이는 스트림으로 바꾸는 경향이 있지만 보완적인 기술램블러를 통해 데이터를 정확하게 복구할 수 있습니다.이 경우 출력에서 0 또는 1의 롱런이 여전히 가능하지만 신뢰할 수 있는 동기화를 허용할 수 있을 것 같지 않습니다.

다른 경우에는 DC 바이어스를 구축하면 통신회로가 동작범위 밖으로 이동하기 쉽기 때문에 변조 신호의 장기 DC 값이 중요합니다.이 경우 누적 DC 바이어스의 카운트를 유지하고 필요에 따라 코드를 수정하여 DC 바이어스가 항상 0으로 되돌아가는 경향이 있도록 하기 위해 특별한 조치가 취해진다.

이러한 코드 중 대부분은 양극 코드이며 펄스는 양, 음 또는 존재하지 않을 수 있습니다.일반적인 대체 마크 반전 코드에서는 0이 아닌 펄스가 양의 펄스와 음의 펄스를 번갈아 사용합니다.프레임 또는 기타 특수 목적에 사용되는 특수 기호를 생성하기 위해 이러한 규칙을 위반할 수 있습니다.

명명법

펄스 코드 변조라는 용어의 단어 펄스는 전송 라인에서 발견되는 펄스를 가리킵니다.이는 아마도 이 기법이 두 가지 아날로그 방법, 즉 펄스 폭 변조와 펄스 위치 변조와 함께 진화한 자연스러운 결과일 것이다.이 방법에서는 부호화할 정보가 각각 [citation needed]다양한 폭 또는 위치의 이산 신호 펄스로 표현된다.이 점에서 PCM은 시분할 다중화에 모두 사용할 수 있고 PCM 코드의 수가 전기 펄스로 표현된다는 점을 제외하면 이러한 다른 형태의 신호 부호화와는 거의 유사하지 않습니다.

「 」를 참조해 주세요.

메모들

  1. ^ 첫 번째 녹음은 Stomu Yamashta의 Uzu: The World Of Stomu Yamash'ta 2였다.
  2. ^ 이 새로운 시스템에 의한 최초의 녹음은 1972년 4월 24일부터 26일까지 도쿄에서 녹음되었다.
  3. ^ Super Audio CD에서도 사용되는 펄스 밀도 변조 등 다른 방법이 있습니다.
  4. ^ 일부 시스템에서는 디지털 필터링을 사용하여 앨리어싱을 일부 제거하고 신호를 디지털에서 아날로그로 더 높은 샘플링 속도로 변환하여 아날로그 안티 앨리어싱 필터가 훨씬 단순해집니다.시스템에 따라서는 명시적인 필터링이 전혀 이루어지지 않습니다.무한 대역폭으로 신호를 재생하는 것은 어떤 시스템에서도 불가능하기 때문에 시스템에 내재된 손실이 아티팩트를 보상하거나 시스템에 그다지 정밀도가 필요하지 않습니다.
  5. ^ 양자화 오류가 -q/2와 q/2 사이에서 변동합니다.이상적인 경우(완전 선형 ADC 및 신호 레벨 >> q)에서는 평균이 0이고 분산이2 q/12인 상태에서 이 간격에 걸쳐 균일하게 분포됩니다.
  6. ^ 부호화 클럭 주파수와 디코딩 클럭 주파수의 약간의 차이는 일반적으로 큰 문제가 아닙니다.작은 일정한 에러는 눈에 띄지 않습니다.단, 클럭에 중대한 지터가 포함되어 있는 경우에는 클럭에러가 큰 문제가 됩니다.

레퍼런스

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추가 정보

외부 링크

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