PCM (Pulse Code Modulation)

펄스 코드 변조(PCM)는 아날로그 신호를 디지털로 표시하는 데 사용되는 방법이다. PCM 스트림에서 아날로그 신호의 진폭은 균일한 간격으로 정기적으로 샘플링되며, 각 샘플은 디지털 스텝 범위 내에서 가장 가까운 값으로 정량화된다. 컴퓨터, 디스크, 디지털 전화 및 기타 디지털 애플리케이션의 표준 형식이다. PCM 스트림에는 원래 아날로그 신호에 대한 스트림의 충실도를 결정하는 두 가지 기본 속성이 있다. 즉, 샘플이 수집되는 초당 횟수인 샘플링 속도 및 비트 깊이는 각 샘플을 나타내는 데 사용할 수 있는 디지털 값의 수를 결정하는 것이다. 초기의 전기 통신은 여러 전파의 샘플을 멀티플렉싱하고 하나의 전신 케이블을 통해 전달하기 위해 신호를 샘플링하기 시작했다. 1853년 초에 전보 시간 분할 멀티플렉싱(TDM)을 전달했다. 1903년 전기 기술자 Miner는 여러 개의 전신을 멀티플렉싱하는 시간분할을 위해 전기 기계식 정류기를 사용했으며, 이 기술을 전화에 적용하기도 했다. 그는 4300Hz 이상의 속도로 샘플링된 채널에서 이해할 수 있는 음성을 얻었으며, 낮은 속도는 불만족스러운 것으로 판명되었다. 1920년에 바트레인 케이블 사진 전송 시스템은 5단계로 정량화된 이미지의 샘플을 보내기 위해 종이 테이프에 펀치된 글자의 전신신호를 사용했다. 1926년 광기계식 아날로그-디지털 변환기로 인코딩된 5비트 PCM을 사용하여 신호를 전송하는 팩시밀리 기계를 특허를 얻었다. 그 기계는 생산에 들어가지 않았다.
영국의 엔지니어 알렉 리브스는 이전 작업을 알지 못한 채 1937년 프랑스의 국제전화와 텔레그래프에서 일하면서 음성통신을 위한 PCM의 사용을 구상했다. 그는 이론과 장점을 설명했지만 실제 적용은 이루어지지 않았다. 리브스는 1938년에 프랑스 특허를 신청했고 그의 미국 특허는 1943년에 승인되었다. 

변조 (Modulation)
도표에서 사인파는 PCM에 대해 샘플링 및 정량화된다. 사인파는 수직선으로 표시된 것과 같이 일정한 간격으로 샘플링된다. 각 샘플에 대해 사용 가능한 값(Y축) 중 하나를 선택한다. PCM 프로세스는 일반적으로 아날로그-디지털 변환기(analog-to-digital converter, ADC)라고 하는 단일 통합 회로에서 구현된다. 이것은 저장이나 조작을 위한 디지털 데이터로 쉽게 인코딩될 수 있는 입력 신호를 완전히 구분하여 표현한다. 일반적으로 단일 물리적 링크를 통해 여러 스트림을 전송하기 위해 여러 PCM 스트림을 더 큰 집계 데이터 스트림으로 멀티플렉싱할 수도 있다. 한 가지 기술은 시분할 다중화라고 불리며, 특히 현대 공중전화 시스템에서 널리 사용된다.


복조 (Demodulation)
샘플링된 데이터에서 원래 신호를 복구하기 위해, 데오데오레이터는 역방향 변조의 절차를 적용할 수 있다. 각 샘플링 기간이 끝난 후, 데오데오레이터는 다음 값을 읽고 출력 신호를 새 값으로 전환한다. 이러한 전환의 결과로 신호는 앨리어싱 효과로 인해 상당한 양의 고주파 에너지를 얻는다. 이러한 바람직하지 않은 주파수를 제거하기 위해 데오데이터는 예상 주파수 범위를 벗어난 에너지를 억제하는 재구성 필터를 통해 신호를 전달한다. 이산 데이터에서 정확한 아날로그 신호를 생성하는 것과 관련된 전자제품은 디지털 신호 생성에 사용되는 것과 유사하다. 이 장치들은 DAC이다. 디지털 입력에 표시된 값을 나타내는 전압 또는 전류를 생성한다. 그런 다음 일반적으로 이 출력을 필터링하고 증폭하여 사용할 수 있다.

명명법 
펄스 코드 변조라는 용어의 단어 펄스는 전송선에서 발견되는 펄스를 가리킨다. 이것은 아마도 이 기법이 두 가지 아날로그 방법인 펄스 폭 변조 및 펄스 위치 변조를 따라 진화하여 인코딩될 정보가 각각 다른 폭 또는 위치의 이산 신호 펄스로 표시되는 자연스러운 결과일 것이다. 이 점에서 PCM은 시간분할 다중화에서 모든 것을 사용할 수 있고 PCM 코드의 숫자는 전기 펄스로 표현된다는 점을 제외하고는 이러한 다른 형태의 신호 인코딩과 거의 유사하지 않다. 

제한
정리는 PCM 장치가 입력 신호에 포함된 최고 주파수의 최소 두 배 이상의 샘플링 주파수를 제공할 경우 설계 주파수 대역 내에서 왜곡 없이 작동할 수 있음을 보여준다. 예를 들어, 전화에서 사용 가능한 음성 주파수 대역은 대략 300Hz ~ 3400Hz이다. 따라서 음성 신호의 효과적인 재구성을 위해 전화 애플리케이션은 일반적으로 가장 높은 사용 가능한 음성 주파수의 두 배 이상인 8000Hz 샘플링 주파수를 사용한다. 그럼에도 불구하고 모든 PCM 시스템에는 잠재적 손상 원인이 내포되어 있다. 각 샘플에 대해 아날로그 신호 레벨에 가깝지만 정확히 일치하지 않는 이산 값을 선택하면 정량화 오류가 발생한다. 샘플 간에 신호의 측정은 이루어지지 않는다. 샘플링 정리는 주파수 fs/2 이상에서 에너지가 없는 경우에만, 더 높은 주파수가 올바르게 표시되거나 복구되지 않고 앨리어싱 증류기를 추가한다. 나이키스트 주파수 아래의 신호로 이동한다. 샘플은 시간에 따라 달라지기 때문에 정확한 재현을 위해서는 정확한 시계가 필요하다. 인코딩 또는 디코딩 클럭이 안정적이지 않으면 이러한 결함은 장치의 출력 품질에 직접 영향을 미친다.