Pulssi modulaatiota ja koodausta tai PCM (in Englanti : pulssikoodimodulaatio ), yleisesti lyhennetty PCM on esitys digitaalinen sähköisen signaalin johtuvat prosessin skannauksen . Signaalista otetaan ensin näyte , sitten kukin näyte kvantisoidaan muista näytteistä riippumatta ja kukin kvantisoiduista arvoista muunnetaan digitaaliseksi koodiksi. Kunkin näytteen riippumaton käsittely merkitsee sitä, että salausta tai tietojen pakkaamista ei ole .
Raakamikrofonitiedostot (PCM) löytyvät erityisesti äänisovelluksista . In tietoliikenne ( PSTN tai VoIP ), nämä ovat virrat: lohkot näytteiden lähetetään jonossa, määrittämättä alkuun tai loppuun. Stereofonisissa tai monikanavaisissa järjestelmissä kutakin kanavaa vastaavat näytelohkot multipleksoidaan . Tiedostot WAV , AIFF ja BWF ilmoittavat otsikossa datakoodauksen tyypin . Useimmiten audiodatamodulaation pulssikoodi on fragmentteja ( paloina ) multipleksoituna näytekohtaisesti.
Signaalin esitys pulssimodulaatiossa ja koodauksessa voidaan jakaa kolmeen operaatioon: näytteenotto, kvantisointi, koodaus.
Näytteenotto käsittää näytteiden ottamisen signaalista, yleensä säännöllisin väliajoin.
Näytteenotto taajuus määritellään käänteisarvona ajan kahden peräkkäisen näytteen välillä, siten, näytteistystaajuus vastaa otettujen näytteiden määrä kunkin toisen.
Nyquistin teoreema todetaan, että signaali taajuutta yli puoli näytteenottotiheys ei voida rekonstruoida.
Kvantisointi muuntaa jatkuvasta joukosta otetun arvon toiseen, mikä vastaa rajallista määrää mahdollisten arvojen välejä.
Musiikkisovelluksissa ja kun digitaalinen signaali on käsiteltävä , kvantisointi on lineaarista . Riippumatta siitä kuinka hienot intervallit ovat, analogisen arvon ja kvantisoidun arvon välillä on aina ero. Kun tämä ero on suurempi kuin taustakohina , se korreloi signaalin kanssa ja koetaan eräänlaisena vääristymänä . Tämän välttämiseksi kohinaa lisätään keinotekoisesti signaaliin prosessissa, joka tunnetaan ennen kaikkea sen englanninkielisellä nimellä dither .
Puhelintoiminnassa käytetään yleensä logaritmisia asteikkoja lähetettävän datan määrän vähentämiseksi. DS0: n oletuskoodaus on 8-bittinen logaritminen taajuudella 8 kHz , joko μ-lain PCM (Pohjois-Amerikka, Japani) tai laki PCM (Eurooppa ja suurin osa muusta maailmasta). Nämä järjestelmät kvantisoivat signaalin logaritmisen käyrän mukaisesti , jolloin kukin lineaarinen 13- tai 14-bittinen näyte rekvantoidaan 8-bittiseksi arvoksi. Tätä järjestelmää kuvaa kansainvälinen standardi G.711 , joka on edelleen yleisimmin käytetty kiinteän puhelinliikenteen standardi .
Koodaus sovittaa kvantisointiasteikon jokaisen välin yksilölliseen koodiin määritetyn sääntöjoukon mukaisesti.
Useimmiten tämä koodi on binääriluku; useita binaarikoodityyppejä on yleisesti käytössä riippuen siitä, otetaanko signaali huomioon ääriarvo, ilman merkkiä vai sen mediaaniarvo, positiivinen vai negatiivinen, ja tässä tapauksessa joko vähän merkkiä, tai on täydennyksenä 2 n .
Sekä koodien lähettämistä että niiden magneettista tai optista tallentamista varten on edullista, että ei ole pitkiä 1: n tai 0: n sekvenssejä.
Pulssimodulaatio voidaan lähettää Manchester-koodauksella , mikä välttää tasaiset jaksot taajuuden kaksinkertaistamisen kustannuksella. Hieman taloudellisemmalla tavalla CD-levyllä käytetty 8-bittinen - 14-bittinen modulaatio varmistaa, että kutakin tavua edustavia neljäntoista bitin lohkoja on kaksi, neljä, kuusi, kahdeksan tai kymmenen nollaa . Nämä koodaukset sopivat tallennus- tai lähettävän tietoja voidaan helposti pelkistää taulukko binaariarvoja.
Kun piirien hinta on tärkeä ja äänen laadun on odotettavissa heikentyvän, voi olla hyödyllistä pakata puhesignaali. Sitten käytetään näytteiden välisten korrelaatioiden havaitsemiseen perustuvia menetelmiä. Vanhimmat puhelintekniikassa käytetyt menetelmät tutkivat vain signaalitasoa.
Jos koodaus ottaa huomioon useamman kuin yhden näytteen, se ei ole enää pulssikoodimodulaatio (PCM).
Delta-modulointiPulssikoodiero (tai delta) modulaatio (DPCM), toisin kuin lineaarinen LPCM- modulaatio , koodaa PCM-arvot nykyisen arvon ja edellisen arvon erona. Äänen osalta tämän tyyppinen koodaus vähentää tarvittavien bittien määrää noin 25% PCM: ään verrattuna .
Adaptiivinen differentiaalipulssikoodimodulaatioSuurempaa vähentämistä varten, enemmän prosessoinnin kustannuksella, ADPCM- algoritmia käytetään asettamaan 14 lineaarisen PCM-bitin (tai 8 bittiä u- tai A-laissa) sarja 4 ADPCM-bittiin. Jokainen PCM-signaaliosa lähetetään otsakkeella, joka osoittaa käytettävän vastaavuustaulukon . Näin linjan kapasiteetti kaksinkertaistuu. G.726- standardi kuvaa prosessin yksityiskohdat. Myöhemmin, kun havaittiin, että puristussuhteita voitaisiin edelleen lisätä, julkaistiin muita standardeja.
Joitakin ADPCM- tekniikoita käytetään VoIP ( Voice over Internet Protocol) -viestinnässä .
Mukautuva moninopeusVuonna matkapuhelinpalvelut , koodekit puristus ( AMR tai AMR-WB ) käytetään. Laitteiden välillä ei ole PCM / PCM-virtaa.
Pulssimodulaatio voi käyttää RZ (paluu nollaan) -koodausta tai NRZ (paluu nollaan) -koodausta . Jotta NRZ-järjestelmä voidaan synkronoida vain lähetettyä tietoa käyttäen, ei saa olla pitkiä identtisten symbolien sekvenssejä, kuten pitkiä 1: n tai 0: n sekvenssejä. PCM-binaarijärjestelmissä 1: n tiheys on tärkeä kriteeri ( one-density englanniksi).
Tätä tiheyttä hallitaan usein esikoodaustekniikoilla, kuten RLL ( Run Length Limited ) -koodauksella . PCM-koodi laajennetaan hieman pidempään koodiin, mikä varmistaa 1 sekunnin määrän rajoituksen ennen kuin signaali moduloidaan ja lähetetään lähetyskanavalle. Muissa tapauksissa virtaan lisätään lisää (synkronointi) bittejä, mikä takaa ainakin joidenkin siirtymien symbolien välillä.
Toinen tekniikka, jota käytetään yhden tiheyden säätämiseen, on sekoittavan polynomin käyttö. Tällä on taipumus muuttaa raakatiedot näennäissatunnaisvirraksi. Alkuperäinen virtaus voidaan kuitenkin palauttaa kokonaan kääntämällä polynomin vaikutus. Tätä tekniikkaa käytettäessä voi olla vielä olemassa pitkiä 1- tai 0-juoksuja, mutta niiden katsotaan olevan riittävän epätodennäköisiä, jotta niitä ei huomioida tai ainakin siedetään.
Voi tapahtua, että moduloidun signaalin DC-komponentti (tasavirta tai keskivirta) ei ole nolla. Koska tämä DC-komponentti saattaa polarisoida ilmaisimen piirejä toiminta-alueensa ulkopuolella, toteutetaan erityiset reaaliaikaiset kompensointitoimenpiteet ja lähetettyjä koodeja muokataan tarvittaessa keskimääräisen jännitteen suuntaamiseksi nollaksi tarvittaessa.
Monet näistä koodeista ovat bipolaarisia koodeja, joissa pulssit voivat olla positiivisia, negatiivisia tai nollia. Tyypillisesti nollasta poikkeavat pulssit vaihtelevat positiivisen ja negatiivisen jännitteen välillä. Nämä säännöt voidaan kuitenkin rikkoa synkronointiin tai muihin erikoistarkoituksiin käytettävien erikoismerkkien tuottamiseksi.
Alec Harley Reeves jätti ensimmäisen patentin tälle tekniikalle Pariisiin vuonna 1937. Hän näytti puhelinsignaalin taajuudella 6 kHz yli 5 bittiä. Ensimmäinen puheen välitys MIC: n toimesta käytettiin SIGSALY- äänikoodauslaitteistoa, jota käytettiin liittoutuneiden korkean tason viestintään toisen maailmansodan aikana.
Ensimmäinen pulssikoodimodulaation käyttöönotto puhelimelle on peräisin vuodelta 1962 Yhdysvalloissa, sen jälkeen kun elektroniputki on vaihdettu transistoriin.