Interested Article - Импульсно-кодовая модуляция

И́мпульсно-ко́довая модуля́ция ( ИКМ , англ. pulse code modulation , PCM ) используется для оцифровки аналоговых сигналов . Практически все виды аналоговых данных ( видео , аудио ( голос , музыка ), телеметрия ) допускают применение ИКМ.

Модуляция

Пример 4-битной (16-уровневой) ИКМ. Показано квантование аналогового сигнала и пачки импульсов, кодирующих отсчёты. Передача в канале производится старшими битами вперёд.

При импульсно-кодовой модуляции аналоговый передаваемый сигнал преобразуется в цифровую форму посредством трёх операций: дискретизации по времени, квантования по амплитуде и кодирования .

Для преобразования аналогового сигнала в цифровой используется аналого-цифровой преобразователь (АЦП). АЦП через равные промежутки времени измеряет амплитуду аналогового сигнала — получает мгновенные значения или отсчёты сигнала, затем преобразует отсчёты в двоичные слова .

Мгновенное измеренное значение (отcчёт) аналогового сигнала квантуется по уровням (округляется от ближайшего целого). Число уровней квантования обычно равно или кратно целой степени числа 2, например, 2 ³ = 8 , 2 ⁴ = 16 , 2 ⁵ = 32 и т. д. Номер уровня кодируется двоичными словами длиной 3, 4, 5 и т. д. бит .

Затем выходные слова АЦП в параллельном коде подвергаются кодированию при помощи передачи на регистр сдвига , тактируемый вспомогательным генератором сдвига . На выходе регистра сдвига формируются пачки кодированных импульсов в последовательном коде. Затем пачки импульсов передаются в канал связи .

( Пачка импульсов - периодически повторяющиеся импульсы в течение фиксированного интервала времени. Источник: ГОСТ 29156-91: Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к наносекундным импульсным помехам. Технические требования и методы испытаний).

Частота отсчётов сигнала (или скорость оцифровки, частота дискретизации ) для исключения потерь информации в соответствии с теоремой Котельникова должна быть не меньше удвоенной максимальной частоты в спектре аналогового сигнала.

Существуют специализированные интегральные микросхемы , предназначенные для ИКМ, совмещающие АЦП, регистр сдвига, тактовые генераторы и другие устройства.

Демодуляция

На приёмном конце канала связи установлен демодулятор . В демодуляторе пачки импульсов подаются на последовательный вход ^{[

прояснить

]} регистра сдвига. После вдвигания всех битов пачки импульсов в регистр сдвига слово из регистра сдвига в параллельном коде записывается во входной регистр цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) . ЦАП преобразует кодированные отсчёты переданного аналогового сигнала снова в аналоговый вид. На выходе ЦАП образуется ступенчатый аналоговый сигнал. Сглаживание ступенек производится фильтром нижних частот (ФНЧ) , на выходе которого образуется переданный аналоговый сигнал. Частота среза ФНЧ выбирается меньшей или равной удвоенной частоте отсчётов.

Цифровые коды в ИКМ

Для кодирования отсчётов в ИКМ применяются самые разнообразные двоичные коды , например:

обычное представление чисел в двоичной системе счисления , причём последовательная передача битов двоичного числа может осуществляться как младшими битами вперёд, так и старшими битами вперёд;
разнообразные коды с обнаружением и устранением ошибок в канале передачи, например, код Хэмминга , код Рида — Соломона и др. Простейший из них — избыточный код с передачей бита чётности ;
коды, устраняющие постоянную составляющую в кодированном импульсном двухуровневом сигнале, например, самосинхронизирующийся манчестерский код .

Разновидности ИКМ

Дифференциальная (или дельта ) импульсно-кодовая модуляция ( ДИКМ , DPCM ) — ИКМ в сочетании с дельта-кодированием , при котором сигнал кодируется в виде разности между текущим и предыдущим измеренными значениями. Для звуковых данных такой метод модуляции уменьшает требуемое количество бит на отсчёт примерно на 25%.
- Адаптивная ДИКМ ( АДИКМ , ADPCM ) — разновидность ДИКМ с переменным шагом квантования. Изменение шага позволяет уменьшить требования к полосе пропускания при заданном соотношении сигнала и шума .
LPCM ( Linear pulse code modulation , линейная импульсно-кодовая модуляция)

Практическое применение

В цифровой и IP-телефонии ИКМ применяется для преобразования голосового аудиосигнала в цифровой поток, передаваемый со скоростью 64 кбит/с ( основной цифровой канал ).
ИКМ применяется для преобразования аналогового аудиосигнала в цифровой с целью сохранения сигнала на цифровых устройствах и носителях ( цифровая звукозапись ). Список некоторых распространённых форматов файлов, используемых для хранения аудио (музыки, голоса и т. п.): WAV , MP3 , WMA , OGG , FLAC , APE .
ИКМ использовалась ранее в протоколах модемной связи ITU V.90 (только входящий к клиенту сигнал) и V.92 (входящий и исходящий сигнал) для обеспечения максимальной скорости соединения в 56 Кбит/с.