PCM: 아날로그 신호를 디지털 데이터로 바꾸는 방식
PCM의 표본화·양자화·부호화 과정과 DPCM, ADPCM 변형, 음성·오디오 통신 활용을 정리한다.
2026-08-14 · 최초 발행 2025-07-16
음성 신호가 비트열이 되기까지
PCM(Pulse Code Modulation)은 아날로그 신호를 디지털 데이터로 옮기는 기본적인 디지털 변조 방식이다. 신호를 일정 간격으로 읽고, 읽은 값을 제한된 수의 숫자로 근사한 뒤, 이를 이진 코드로 표현한다. 이 과정은 표본화(Sampling), 양자화(Quantizing), 부호화(Coding)로 이어진다.
1937년 알렉 리브스(Alec Reeves)가 최초로 고안한 PCM은 음성의 디지털 부호화와 다중화 전송을 실용화한 방식이다. 표준 전화망(PSTN)에는 ITU-T G.711이 최초의 국제 표준 음성 부호화 방식으로 적용됐다.
송신 쪽에서는 ADC(Analog-to-Digital Converter)가 아날로그 입력을 디지털로 바꾸고, 수신 쪽에서는 DAC(Digital-to-Analog Converter)가 이를 다시 아날로그 신호로 변환한다.
음성 PCM은 일반적으로 64 Kbps를 사용한다. 초당 8,000개 표본을 각각 8비트로 표현하는 방식이다. 여러 PCM 채널은 시분할다중화(TDM)로 하나의 전송 매체에 실을 수 있으며, E1(유럽 표준, 2.048 Mbps)과 T1(북미 표준, 1.544 Mbps) 같은 형식이 이를 지원한다.
연속 신호를 잘라 읽는 표본화
표본화는 시간에 따라 연속적으로 변하는 아날로그 신호에서 일정한 간격으로 값을 추출하는 단계다. 나이퀴스트 샘플링 이론에 따라 원본 신호의 최고 주파수보다 2배 이상 빠르게 표본화한다.
대역폭이 4kHz인 음성 신호는 초당 8,000번, 즉 125μs 간격으로 표본화한다.
진폭을 제한된 값으로 근사하는 양자화
표본화된 신호는 시간축에서는 이산적이지만, 진폭 값은 아직 연속적이다. 양자화는 이 값을 유한한 숫자 가운데 하나로 근사해 이산적인 디지털 값으로 바꾸는 과정이다.
8비트 양자화에서는 2^8=256개 레벨을 사용한다. 양자화 방식은 선형(Linear)과 비선형(Non-linear)으로 나뉜다. 비선형 양자화에는 북미와 일본에서 사용하는 μ-law, 유럽 및 기타 지역에서 사용하는 A-law가 있다.
전송 가능한 코드로 만드는 부호화
부호화는 양자화 결과를 0과 1로 된 이진 코드로 표현하는 마지막 단계다. 각 표본은 n비트로 표현되며, 음성에서는 일반적으로 8비트를 사용한다. 이렇게 만들어진 비트 스트림이 디지털 처리와 전송의 대상이 된다.
전송 효율과 신호 변화에 맞춘 PCM 변형
기본 PCM의 전송 효율과 신호 처리 특성을 보완하기 위해 여러 변형 방식이 쓰인다.
DPCM(Differential PCM)은 연속한 표본 전체 대신 표본 사이의 차이만 부호화한다. 현재 표본 값에서 이전 표본 값을 뺀 차이 값만 전송하므로 중복 정보를 줄여 압축 효과를 얻는다.
DM(Delta Modulation)은 DPCM을 더 단순화한 형태다. 1비트로 신호가 증가하는지 감소하는지만 나타낸다. 구조는 단순하지만 해상도에 제약이 있다.
ADPCM(Adaptive DPCM)은 입력 신호 특성에 맞춰 양자화 스텝 크기를 동적으로 조정한다. ITU-T G.726은 16/24/32/40 Kbps 속도를 지원하며, PCM 대비 대역폭 효율을 2배 이상 높인다.
ADM(Adaptive Delta Modulation)은 DM의 스텝 크기를 신호 변화에 따라 적응적으로 바꾸는 방식이다. 급격한 신호 변화에도 대응할 수 있다.
전화·오디오·패킷 통신에서의 PCM
PSTN의 디지털 전화 시스템은 64 Kbps PCM(G.711)을 기본 음성 코딩 방식으로 사용한다. 디지털 오디오에서도 PCM은 직접적인 기반이 된다. CD 오디오는 44.1 kHz 샘플링과 16비트 양자화를, DAT(Digital Audio Tape)는 48 kHz 샘플링과 16비트 양자화를 사용한다.
무선통신에서는 2G 이동통신(GSM, CDMA)의 음성 부호화 기반 기술로 쓰였고, 현대 디지털 무선통신의 기초를 이룬다. VoIP(Voice over IP) 시스템에서는 G.711 코덱을 사용하며, 화상회의와 스트리밍 서비스의 오디오 처리에도 PCM이 적용된다.
운영 시 함께 고려할 제약
기본 PCM은 압축 없이 전송하므로 대역폭 소비가 크다. 현대 시스템에서는 ADPCM이나 보코더 같은 압축 기술을 병행한다.
아날로그 신호를 디지털 값으로 근사하는 양자화 과정에서는 오차가 발생한다. 비선형 양자화는 이를 개선하기 위한 방법이다.
패킷 네트워크에서는 시간 지연의 변동인 지터도 문제가 된다. 버퍼링과 타이밍 복구 기술로 대응한다.
고해상도 오디오에서는 24비트/96kHz 이상의 형태로 발전된 PCM이 활용된다. 인공지능 음성인식과 음성합성은 고품질 PCM 데이터를 활용하며, 사물인터넷(IoT) 기기의 센서 데이터 처리에도 PCM 원리가 적용된다. 5G 및 미래 통신에서는 초저지연, 고품질 음성 서비스 구현에 연결된다.