펄스 부호 변조

Pulse-Code Modulation (PCM). 아날로그 신호, 특히 소리를 디지털 형식으로 표현하는 변조 방법으로, (어떤 의미에서) "압축이 되지 않은" 디지털 오디오 신호로 간주할 수 있기 때문에 디지털오디오포맷의 근간이 된다. 덕택에 종종 PCM이라고 할 때는 PCM을 사용한 WAV 파일을 가리키는 경우도 흔한데, WAV 파일은 단순한 컨테이너 포맷이기 때문에 정확히는 같지 않다.

앞에서 "압축이 되지 않는"다는 얘기를 하긴 했지만, 엄밀하게 말하면 펄스 부호 변조 또한 본래의 아날로그 신호를 디지털로 표현할 수 있도록 잘라 내는 손실압축으로 간주할 수 있다. 이 손실 압축의 정밀도는 양자화에 관련된 두 가지 요소에 따라 결정된다:

  • 샘플링레이트(sampling rate)는 신호의 진폭을 얼마나 자주 측정할 것인지를 나타내며, 시간축에서의 양자화라 부를 수 있다. 이 양자화는 샘플링정리와 매우 밀접하게 연관되어 있으며, 구체적으로는 표현하고자 하는 가장 높은 주파수의 두 배만큼 자주 측정해야 한다. 흔히 쓰이는 값 44.1 kHz는 1초에 4만 4100번, 즉 대략 0.000023초마다 한 번 측정하는 것에 해당한다.
  • 샘플 크기(bit depth)는 측정된 진폭, 즉 "샘플"을 얼마나 정확하게 나타낼 것인지를 나타내며, 진폭에서의 양자화라 할 수 있다. 샘플 크기가 클수록 더 넓은 범위의 음압을 나타낼 수 있으며(즉 다이나믹레인지[dynamic range]가 높아진다), 그만큼 실제 아날로그 신호와도 유사해진다. 샘플 크기의 실제 의미는 양자화 방법에 따라 달라지는데, 흔히 쓰는 16비트 LPCM은 진폭의 최대값과 영점 사이에 거의 216개의 단계가 존재하도록 되어 있어 대략 96 dB의 다이나믹 레인지를 갖게 된다.1)

보통 대부분의 사람들은 오디오컴팩트디스크가 사용하는 44.1 kHz 샘플링 레이트와 16비트 LPCM 양자화 이상의 신호를 뚜렷하게 구분할 수 없다. (물론 민감한 사람은 구분한다는 얘기도 있으며, 이 때문에 하이엔드에서는 192 kHz 샘플링 레이트와 24비트 LPCM까지 사용되고 있다.) 물론 이것이 황금귀를 입증해 주는 것은 아닌게, 황금귀는 이미 디지털 신호로 표현된 사운드와 그걸 정확하게 복사한 사운드 사이의 차이가 있다고 주장하는 것이기 때문이다. 필연적으로 존재하는 아날로그 신호와 디지털 신호 사이의 차이와는 완전히 다른 주장이다.

선형 펄스 부호 변조

Linear PCM (LPCM). 샘플을 양자화할 때 그 간격을 균일하게 나누는 방법으로, 예를 들어 8비트 LPCM이라면 최대 진폭 크기의 2/2552) 단위로 양자화하는 것이 된다. 아무래도 가장 간단한 방법이니만큼 개나 소나 사용하며, 그냥 아무 말 없이 "PCM"이라고 쓰면 대부분 LPCM인 경우가 많다.

LPCM의 가장 큰 단점은 저음의 처리로, 음압이 지수적으로 증가하면 인간의 귀가 느끼는 소리의 세기는 선형적으로 증가하기 때문에 상대적으로 낮은 소리는 지수적으로 낮은 진폭을 가지게 된다.3) 따라서 저음으로 갈 수록 양자화되는 단위가 커져서 정밀도가 떨어지게 된다. (앞에서 16비트에 대응하는 다이나믹 레인지가 96 dB라고 했으나 실제로는 아무 처리도 없으면 90 dB 정도 밖에 표현할 수 없게 된다.) 이런 문제를 해결하려면 디더링과 같은 방법을 사용해서 저음부에서의 정밀도를 높여 줘야 한다.

1) 표현 가능한 가장 낮은 신호가 1이고, 가장 높은 신호가 216이면, 둘 사이의 음압 차이는 20 \log_{10} \frac{2^{16}}{1} \approx 96.3~\mathrm{dB(SPL)}이 된다. 실제로는 저음부를 디더링을 통해 더 정확하게 표현할 수 있기 때문에 이보다 조금 더 높은 다이나믹 레인지가 나오긴 한다.
2) 가장 큰 양의 진폭(+1)과 가장 작은 음의 진폭(-1) 사이에 255개의 레벨이 있다는 얘기다.
3) 실제로 느끼는 소리의 세기는 주파수에도 영향을 크게 받는다. 등청감곡선(equal-loudness curve) 참고.

도쿠위키DokuWiki-custom(rev 9085d92e02)을 씁니다.
마지막 수정 2012-08-12 03:22 | 작성자 lifthrasiir