PCM - 표본화(Sampling)

PCM 방식은 표본화, 양자화, 부호화 과정에 의해 아날로그 신호를 디지털 신호로 치환하는 과정을 거칩니다.

표본화(Sampling) 과정은 아날로그 정보신호를 일정한 주기의 펄스 진폭 PAM신호로 대표시키는 과정을 말합니다.

최적의 표본화를 위해 Nyquist 표본화 이론을 적용합니다.

1. 표본화 이론(Sampling Theory) 

가. Nyquist 표본화 주파수

fs = 2 × fm

Ts = 1 / 2 × fm

• 아날로그 신호를 디지털 신호로 치환 및 재생 시 원음에 적합한 최소한의 조건
• 신호파의 상한 주파수를 fm 이라고 할 때, 2fm의 이산적인 간격으로 진폭값을 추출하여 전송하면, 수신측에서 원신호를 복원할 수 있다는 것임

나. Shannon의 표본화 정리

fs ≥ 2 × fm

Ts ≤ 1 / 2 × fm

• 신호파의 주파수 대역이 제한되어 있다면, 2fm에 상당하는 주기보다 짧은 주기로 표본화해야 한다는 것임
• 음성과 같이 신호파 주파수가 변동하여 fs < 2fm이 되어 Nyquist의 표본화 주파수를 만족하지 못할 경우, 표본화 과정의 왜곡현상인 Aliasing을 방지하기 위함

3. 표본화 과정

4. Aliasing

가. 개념

표본화율이 Nyquist 표본화율보다 낮으면(fs < 2fm), 주파수 영역에서 스펙트럼이 겹쳐 나타나는 현상이 발생합니다. 이를 Spectrum Folding, Spectrum Overlap 이라고 합니다.

나. Aliasing 억제 방안

Nyquist 표본화 주기를 만족하게 표본화하고, 신호를 표본화하기 전에 fm보다 높은 주파수 성분이 들어오지 못하도록 LPF(Low Pass Filter)에서 차단해야 합니다.