Pulzní modulace a kódování nebo PCM (v angličtině : pulzní kódová modulace ), obyčejně zkrátil v PCM je reprezentace digitálního elektrický signál vyplývající z procesu skenování . Signál je nejprve vzorkován , poté je každý vzorek kvantován nezávisle na ostatních vzorcích a každá z kvantovaných hodnot je převedena do digitálního kódu. Nezávislé zpracování každého vzorku znamená, že neexistuje ani šifrování, ani komprese dat .
Surové datové soubory MIC (PCM) se nacházejí zejména v zvukových aplikacích . V telekomunikacích ( PSTN nebo VoIP ) se jedná o toky: bloky vzorků jsou přenášeny ve frontě, aniž by byl specifikován začátek nebo konec. Ve stereofonních nebo vícekanálových systémech jsou vzorové bloky odpovídající každému kanálu multiplexovány . Soubory WAV , AIFF a BWF v záhlaví uvádějí typ kódování dat . Nejčastěji jsou pulzní kód modulace zvukových dat fragmenty ( bloky ) multiplexovaný vzorek po vzorku.
Reprezentaci v pulzní modulaci a kódování signálu lze rozdělit na tři operace: vzorkování, kvantování, kódování.
Odběr vzorků zahrnuje odběr vzorků ze signálu, obvykle v pravidelných časových intervalech.
Vzorkovací frekvence je definován jako převrácená hodnota času mezi dvěma po sobě následujícími vzorky, tak, že vzorkovací frekvence odpovídá počtu vzorků odebraných každou sekundu.
Nyquist-Shannon vzorkovací teorém říká, že frekvence signálu větší, než polovina vzorkovací frekvence nemůže být rekonstruován.
Kvantování převádí hodnotu získanou ze spojité sady na jinou, což odpovídá konečnému počtu možných intervalů hodnot.
V hudebních aplikacích, a když je třeba zpracovat digitální signál , je kvantizace lineární . Bez ohledu na to, jak jemné jsou intervaly, vždy existuje rozdíl mezi analogovou hodnotou a kvantovanou hodnotou. Když je tento rozdíl větší než šum pozadí , koreluje se se signálem a je vnímán jako forma zkreslení . Aby se tomu zabránilo, je do signálu uměle přidáván šum, což je proces známý především svým anglickým názvem dither .
V telefonii se obvykle používají logaritmické stupnice, aby se snížilo množství přenášených dat. Výchozí kódování na DS0 je 8bitové logaritmické při 8 kHz , buď μ-law PCM (Severní Amerika, Japonsko) nebo a-law PCM (Evropa a většina zbytku světa). Tyto systémy kvantují signál podle logaritmické křivky , přičemž každý lineární 13 nebo 14bitový vzorek je rekantifikován na 8bitovou hodnotu. Tento systém je popsán v mezinárodním standardu G.711 , který je dodnes nejpoužívanějším standardem v pevné telefonii .
Kódování odpovídá každému intervalu na kvantizační škále jedinečnému kódu podle stanovené sady pravidel.
Nejčastěji je tento kód binární číslo; běžně se používá několik typů binárních kódů, podle toho, zda je signál považován za extrémní hodnotu bez znaménka nebo s jeho střední hodnotou kladnou nebo zápornou, a v tomto případě buď s trochou znaménka , nebo jako doplněk k 2 n .
Jak pro přenos kódů, tak pro jejich magnetický nebo optický záznam je výhodné, aby neexistovaly dlouhé sekvence 1 s nebo 0 s.
Pulzní modulace může být přenášena pomocí Manchesterova kódování , které zabrání periodám konstantní úrovně za cenu zdvojnásobení frekvence. S trochou úspornosti zajišťuje 8bitová až 14bitová modulace použitá na kompaktním disku , že na čtrnáctibitový blok představují dva, čtyři, šest, osm nebo deset nul představujících každý bajt . Tato kódování vhodná pro záznam nebo přenos dat lze snadno redukovat na tabulku binárních hodnot.
Pokud jsou náklady na obvody důležité a lze očekávat snížení kvality zvuku, může se ukázat jako užitečné komprimovat řečový signál. Poté jsou použity metody založené na detekci korelací mezi vzorky. Nejstarší metody používané v telefonování zkoumají pouze úroveň signálu.
Pokud kódování zohledňuje více než jeden vzorek, již to není modulace pulzního kódu (PCM).
Delta modulacePulzní kódová diferenciální (nebo delta) modulace (DPCM), na rozdíl od lineární LPCM modulace , kóduje hodnoty PCM jako rozdíly mezi aktuální hodnotou a předchozí hodnotou. U zvuku tento typ kódování snižuje počet požadovaných bitů přibližně o 25% ve srovnání s PCM .
Adaptivní diferenciální pulzní kódová modulacePro větší redukci, za cenu většího zpracování, se používá algoritmus ADPCM k umístění série 14 lineárních bitů PCM (nebo 8 bitů v zákonech µ nebo A) do 4 bitů ADPCM. Každá část signálu PCM je přenášena s hlavičkou, která označuje použitou tabulku korespondence . Tímto způsobem se kapacita linky téměř zdvojnásobí. Standard G.726 popisuje podrobnosti procesu. Později, když bylo zjištěno, že kompresní poměry lze dále zvýšit, byly zveřejněny další standardy.
Některé techniky ADPCM se používají při komunikaci VoIP ( Voice over Internet Protocol) .
Adaptivní multi rychlostV mobilní telefonii , kodeky s kompresí ( AMR nebo AMR-WB jsou používány). Mezi zařízeními není žádný proud PCM / PCM.
Pulzní modulace může používat kódování RZ (návrat k nule) nebo NRZ (návrat k nule). Aby mohl být systém NRZ synchronizován, pouze s použitím přenášené informace, nesmí existovat dlouhé sekvence identických symbolů, jako jsou dlouhé sekvence 1 s nebo 0. U binárních systémů PCM je hustota 1 s důležitým kritériem ( hustota jedniček) v angličtině).
Tato hustota je často řízena pomocí technik předkódování, jako je kódování RLL ( Run Length Limited ). Kód PCM je rozšířen na mírně delší kód zajišťující omezení počtu 1 s, než je signál modulován a odeslán do přenosového kanálu. V ostatních případech se do proudu přidají další (synchronizační) bity, což zajistí, že mezi symboly budou alespoň některé přechody.
Další technikou používanou k řízení hustoty 1 je použití kódovacího polynomu. To má tendenci přeměnit nezpracovaná data na pseudonáhodný proud. Počáteční tok však lze zcela obnovit obrácením účinku polynomu. Při použití této techniky mohou stále existovat dlouhé běhy 1 s nebo 0 s, ale jsou považovány za dost nepravděpodobné, aby byly přehlédnuty nebo přinejmenším tolerovány.
Může se stát, že stejnosměrná složka modulovaného signálu (stejnosměrný proud nebo průměrný proud) není nula. Protože tato stejnosměrná složka riskuje polarizaci obvodů detektoru mimo jeho provozní rozsah, jsou přijímána speciální kompenzační opatření v reálném čase a vysílané kódy jsou v případě potřeby upravovány tak, aby v případě potřeby mělo průměrné napětí tendenci k nule.
Mnoho z těchto kódů jsou bipolární kódy, kde impulsy mohou být kladné, záporné nebo nulové. Nenulové pulzy se obvykle střídají mezi kladným a záporným napětím. Tato pravidla však mohou být porušena, aby se vytvořily speciální symboly používané pro synchronizaci nebo jiné speciální účely.
Alec Harley Reeves podal první patent na tuto technologii v Paříži v roce 1937. Vzorkoval telefonní signál při 6 kHz přes 5 bitů. První přenos řeči MIC byl proveden pomocí zařízení pro kódování hlasu SIGSALY používaného pro spojeneckou komunikaci na vysoké úrovni během druhé světové války.
První nasazení pulzní kódové modulace pro telefon se datuje do roku 1962 ve Spojených státech, po přechodu z elektronky na tranzistor.