Modulația de impulsuri și codificare sau PCM (în limba engleză : puls-cod de modulare ), prescurtată în mod uzual în PCM este o reprezentare digitală un semnal electric care rezultă dintr - un proces de scanare . Semnalul este mai întâi eșantionat , apoi fiecare eșantion este cuantificat independent de celelalte eșantioane și fiecare dintre valorile cuantificate este convertită într-un cod digital. Prelucrarea independentă a fiecărui eșantion implică faptul că nu există nici criptare, nici compresie de date .
Fișierele de date Raw MIC (PCM) se găsesc în special în aplicațiile audio . În telecomunicații ( PSTN sau VoIP ), acestea sunt fluxuri: blocurile de eșantioane sunt transmise într-o coadă, fără a specifica începutul sau sfârșitul. În sistemele stereofonice sau multicanal, blocurile de probe corespunzătoare fiecărui canal sunt multiplexate . Fișierele WAV , AIFF și BWF indică în antetul său tipul de codificare a datelor . Cel mai adesea, codul impulsului de modulare a datelor audio este fragmentele ( bucăți ) multiplexate eșantion cu eșantion.
Reprezentarea în modularea impulsului și codarea unui semnal poate fi împărțită în trei operații: eșantionare, cuantificare, codare.
Prelevarea de probe implică prelevarea de probe dintr-un semnal, de obicei la intervale regulate de timp.
Frecvența de eșantionare este definit ca reciproca intervalul de timp dintre două eșantioane succesive, astfel, corespunde frecvența de eșantionare la numărul de probe prelevate în fiecare secundă.
Nyquist-Shannon teorema de eșantionare arată că frecvențele semnalului mai mare decât jumătate din frecvența de eșantionare nu poate fi reconstruit.
Cuantificarea convertește o valoare luată dintr-un set continuu în alta, corespunzătoare unui număr finit de intervale de valori posibile.
În aplicațiile muzicale și atunci când semnalul digital trebuie procesat , cuantificarea este liniară . Indiferent cât de fine sunt intervalele, există întotdeauna o diferență între valoarea analogică și valoarea cuantificată. Când această diferență este mai mare decât zgomotul de fond , este corelat cu semnalul și este perceput ca o formă de distorsiune . Pentru a evita acest lucru, zgomotul este adăugat artificial semnalului, într-un proces cunoscut mai presus de toate sub numele său englezesc de dither .
În telefonie, scale logaritmice sunt utilizate în general pentru a reduce cantitatea de date care trebuie transmise. Codificarea implicită pe un DS0 este logaritmică pe 8 biți la 8 kHz , fie μ-law PCM (America de Nord, Japonia), fie a-law PCM (Europa și majoritatea restului lumii). Aceste sisteme cuantifică semnalul în conformitate cu o curbă logaritmică , fiecare eșantion liniar de 13 sau 14 biți fiind cerut la o valoare de 8 biți. Acest sistem este descris de standardul internațional G.711 , care este și astăzi cel mai utilizat standard în telefonia fixă .
Codificarea corespunde fiecărui interval de pe scara de cuantificare cu un cod unic conform unui set determinat de reguli.
Cel mai adesea, acest cod este un număr binar; mai multe tipuri de cod binar sunt utilizate în mod obișnuit, în funcție de semnalul în care este luat în considerare în raport cu valoarea extremă, fără semn, sau cu valoarea sa mediană, în pozitiv sau negativ, și în acest caz, fie cu un pic de semn , sau în completare la 2 n .
Atât pentru transmiterea codurilor, cât și pentru înregistrarea lor magnetică sau optică, este de preferat să nu existe secvențe lungi de 1s sau 0s.
Modulația impulsului poate fi transmisă cu codificarea Manchester , care evită perioade de nivel constant, cu prețul dublării frecvenței. Cu puțin mai multă economie, modulația de 8 biți până la 14 biți utilizată în discul compact asigură că există două, patru, șase, opt sau zece zerouri pe bloc de paisprezece biți reprezentând fiecare octet . Aceste codificări adecvate pentru înregistrarea sau transmiterea datelor pot fi ușor reduse la un tabel de valori binare.
Când costul circuitelor este important și este de așteptat o scădere a calității sunetului, se poate dovedi util să comprimăm semnalul de vorbire. Sunt apoi utilizate metode bazate pe detectarea corelațiilor dintre probe. Cele mai vechi metode, utilizate în telefonie, examinează doar nivelul semnalului.
Dacă codarea ia în considerare mai multe eșantioane, nu mai este modulare de cod de impuls (PCM).
Modulația DeltaModulația diferențială (sau delta) a impulsului (DPCM), spre deosebire de modulația LPCM liniară , codifică valorile PCM ca diferențe între valoarea curentă și valoarea anterioară. Pentru audio, acest tip de codificare reduce numărul de biți necesari cu aproximativ 25% comparativ cu PCM .
Modularea codului diferențial de impulsuri adaptivePentru o reducere mai mare, cu prețul unei prelucrări mai mari, se utilizează un algoritm ADPCM pentru a plasa o serie de 14 biți PCM liniari (sau 8 biți în legea µ sau A) în 4 biți ADPCM. Fiecare secțiune de semnal PCM este transmisă cu un antet care indică tabelul de corespondență care trebuie utilizat. În acest fel, capacitatea liniei este aproape dublată. Standardul G.726 descrie detaliile procesului. Mai târziu, când s-a constatat că rapoartele de compresie pot fi crescute în continuare, au fost publicate standarde suplimentare.
Unele dintre tehnicile ADPCM sunt utilizate în comunicațiile Voice over Internet Protocol (VoIP) .
Adaptive Multi RateÎn telefonia mobilă , sunt utilizate codecuri cu compresie ( AMR sau AMR-WB ). Nu există flux PCM / PCM între dispozitive.
Modulația impulsului poate utiliza codificarea RZ (revenire la zero) sau codificarea NRZ (nereturnare la zero). Pentru ca un sistem NRZ să fie sincronizat, folosind doar informațiile transmise, nu trebuie să existe secvențe lungi de simboluri identice, cum ar fi secvențe lungi de 1s sau 0. Pentru sistemele binare PCM, densitatea de 1s este un criteriu important ( densitatea de unii) in engleza).
Această densitate este adesea controlată folosind tehnici de precodificare, cum ar fi codificarea RLL ( Run Length Limited ). Codul PCM este extins la un cod puțin mai lung, asigurând o limitare a numărului de 1 înainte ca semnalul să fie modulat și trimis către canalul de transmisie. În alte cazuri, biții suplimentari (de sincronizare) sunt adăugați la flux, ceea ce garantează că există cel puțin unele tranziții între simboluri.
O altă tehnică utilizată pentru a controla densitatea de 1 este utilizarea unui polinom de amestecare. Aceasta tinde să transforme datele brute într-un flux pseudo-aleatoriu. Cu toate acestea, fluxul inițial poate fi recuperat complet prin inversarea efectului polinomului. Atunci când se utilizează această tehnică, pot exista în continuare curse lungi de 1s sau 0s, dar sunt considerate suficient de puțin probabil pentru a fi trecute cu vederea sau cel puțin tolerate.
Se poate întâmpla ca componenta continuă a semnalului modulat (curent continuu sau curent mediu) să nu fie zero. Deoarece această componentă DC riscă să polarizeze circuitele unui detector în afara domeniului său de funcționare, se iau măsuri speciale de compensare în timp real și codurile emise sunt modificate dacă este necesar pentru a face ca tensiunea medie să tindă spre zero, dacă este necesar.
Multe dintre aceste coduri sunt coduri bipolare, unde impulsurile pot fi pozitive, negative sau zero. De obicei, impulsurile diferite de zero alternează între tensiunile pozitive și negative. Cu toate acestea, aceste reguli pot fi încălcate pentru a produce simboluri speciale utilizate pentru sincronizare sau alte scopuri speciale.
Alec Harley Reeves a depus primul brevet pentru această tehnologie la Paris în 1937. A prelevat semnalul telefonic la 6 kHz pe 5 biți. Prima transmisie a vorbirii de către MIC a fost efectuată cu echipamentul de codare vocală SIGSALY utilizat pentru comunicațiile aliate la nivel înalt în timpul celui de-al doilea război mondial.
Prima desfășurare a modulației codului impulsului pentru telefon datează din 1962 în Statele Unite, după trecerea de la tubul de electroni la tranzistor.