1. 펄스 폭 변조
Pulse Width Modulation펄스 변조의 일종으로 신호의 크기에 따라 펄스의 폭을 변조하는 방식이다.
펄스 파형의 High 상태와 Low 상태 파형의 비율을 듀티 사이클이라고 부르는데, PWM은 이 듀티 사이클을 조정해서 변조하는 방식이다.
원래는 통신용으로 개발된 기술이었으나 전류, 전압 제어용으로 탁월한 방식이었기 때문에[1] 현재는 통신보다는 DC쪽 전력 제어나 모터 제어 쪽에 쓰이는 기술이다. 가장 유명한 예시라고 하면 초퍼제어, 스위칭 파워, 인버터가 있다. 요즘은 LED에서 PWM을 매우 자주 볼 수 있다. RGB로 색이 변화하는 LED 키보드나 마우스를 카메라로 찍으면 PWM에 의한 플리커링으로 세로줄이 생긴다. 중국산 손전등도 밝기 조절을 PWM으로 한다. LED 조명의 조광기에도 사용된다. 카메라에 플리커링 현상 (세로줄 현상)을 유발하는 범인이기도 하다. 이 플리커링 현상은 안구에 피로를 주기 때문에 모니터나 TV같은 제품을 살 경우에는 플리커 프리나 PWM 주사율이 최소 3000Hz 이상이 되는 제품을 사는게 좋다.
모터의 경우, 기본적으로 코일성분이기 때문에 PWM 제어를 적용시, 스피커와 동일한 원리로 변조 주파수에 맞춰서 소음이 발생된다. 이러한 이유로, 소형 모터 제어는 PWM 제어시 기본적으로 초음파 대역 주파수를 사용하도록 설계한다.[2] 다만 대전력 스위칭 소자를 초음파 영역으로 구동하는 건 매우 어려우므로 일반적으로 10kHz 내외의 PWM을 이용하며, 대형 전동기는 kHz 대역 미만의 주파수를 이용하기도 한다. 또한 고주파 소음을 억제하기 위해 주파수를 무작위로 빠르게 변조하는 기법를 이용하기도 한다.
AMOLED의 밝기 조절도 이 방법을 통해 이루어진다. PWM 주사율이 240Hz이고 디스플레이의 동작 주사율은 60Hz인 패널이 있다고 가정하자. 이때 PWM 주사율과 동작 주사율의 비율은 4:1인데, 말인즉슨 사용자가 보는 동작 한 번을 표현할 때 디스플레이가 총 4번 깜빡인다는 뜻이다. 이것을 4번 깜빡이는 것은 유지하면서 점등하는 시간을 조정하여 밝기를 조절한다고 생각하면 된다.
오히려 원래 PWM의 개발 목적이었던 통신으로써는 고주파에서 응용이 어렵다는 점에서 잘 사용되지 않는다. 또한 PWM은 해상도에 따라 클럭이 기하급수적으로 증가하는 문제 때문에 고해상도 응용에서 사용하기 어렵다. PCM의 경우는 N비트 해상도를 사용하려고 하면 초당 (샘플링주파수) * N개 비트를 전송하면 되기 때문에 비교적 저속의 클럭만 있어도 신호발생이 가능하다. 반면 PWM은 아날로그 값을 전압값이 아니라 신호의 길이로 표현하기 때문에 각각의 아날로그값(N비트 해상도라면 2^N 가지의 값들)에 대응하는 모든 시간간격을 회로상으로 구현할 수 있어야 한다. 즉 PWM 발생기의 동작클럭이 최소한 (샘플링주파수) * 2^(N+1)[3] 이상의 해상도를 가지고 있어야 N비트 해상도의 PCM 신호와 동일한 품질의 PWM 신호를 발생하는 회로를 만들 수 있다. 만약 오디오용 16-bit 44.1kHz 신호를 PWM으로 변환하려면 5.78GHz의 클럭속도가 요구된다. PC용 CPU도[4] 터보부스트을 사용해서 5GHz를 겨우 돌파하는데 일반 저가형 칩셋으로는 이러한 빠른 클럭을 구현하기는 힘들다. 그래서 신호 입력부부터 증폭부까지의 모든 경로가 디지털로 구현된 Full D Class 앰프의 경우 각종 신호처리 기술을 사용하여 샘플링 주파수는 높이고 해상도는 줄이는 방식으로 PWM 발생기를 구현한다.
또 PCM과는 달리 컴퓨터에서 바로 값을 읽고 처리하기가 어렵다는 점 등 각종 단점 때문에 현재는 빠른 반응성이 필요한 로봇공학쪽에서 서보등의 부품에 신호를 전달하는데 쓰는 것 말고는 사용처를 찾기 힘들다. 사실 이미 PWM과 비슷한 방식을 썼다가 공학적으로는 사실상 완전히 망한 음악 파일 포맷이 있다.[5] 그나마 신호를 다루는 분야에서는 대전력을 다루기 좋다는 특성과 접목되어 Class D 앰프 시장을 열었다는 점에서는 크게 성공적이었다.[6]
전자음으로서 PWM도 사용된다. 특히 코모도어 64 사운드 칩의 펄스 파형은 총 2048개의 펄스 폭이 있어 자연스러운 PWM을 들을 수 있다.
1.1. 파생 기술
2. PUBG 워페어 마스터즈
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