Modulation du code d'impulsion

La modulation par impulsions codées , en bref PCM, est une méthode de modulation d'impulsions utilisant un signal analogique continu de temps et de valeur en un signal numérique discret en temps et en valeur .

Applications

• Dans le cas des codecs vocaux dans les technologies de la communication , par ex. B. avec la norme G.711 .
• En technologie vidéo pour les signaux vidéo numériques selon la norme ITU-R BT 601 .
• Dans la technologie audio , le PCM constitue la base des applications audio numériques , dont la plus connue est le disque compact .

Fonctionnalité

Figure 1: Échantillonnage, quantification et codage de la courbe de signal d'origine représentée en rouge pour un PCM 4 bits.

La mise en œuvre se déroule selon les étapes suivantes:

1. Échantillonnage du signal analogique au moyen de la modulation d'amplitude d'impulsion (PAM) avec une fréquence d'échantillonnage constante dans le temps . Une séquence de signaux discrets dans le temps est formée à partir de la séquence de signaux continue dans le temps . Le théorème d'échantillonnage de Nyquist-Shannon doit être satisfait pour maintenir l'information dans la séquence en temps discret . Cela signifie que la fréquence d'échantillonnage doit être plus de deux fois plus élevée que la composante de fréquence la plus élevée se produisant dans la courbe de signal.
2. Ceci est suivi d'une quantification en valeurs discrètes avec un nombre fini de chiffres. La quantification attribue un certain symbole à une certaine plage de valeurs.
3. Génération du signal numérique en attribuant les symboles individuels au moyen du codage . Dans de nombreuses applications pratiques, le code binaire est choisi pour le PCM .

Dans les circuits électriques , la première étape est mise en œuvre sous la forme d'un circuit d'échantillonnage et de maintien (SH) et les étapes deux et trois sous la forme de convertisseurs analogique-numérique (ADC). Dans certains convertisseurs analogique-numérique, le SH est déjà intégré en tant qu'unité fonctionnelle.

Le nombre de niveaux de quantification possibles obtenu lorsque le code binaire à partir du nombre de bits ayant un mot de code: . Le nombre de niveaux de quantification détermine essentiellement le bruit de quantification . Plus les niveaux de quantification deviennent grands, i. H. plus n est petit, plus l'erreur qui se produit est grande. La figure 1 montre un PCM avec une plage dynamique de seulement 4 bits, l'erreur étant clairement visible. Dans de nombreuses applications, une plage dynamique de 8 à 24 bits est sélectionnée pour la quantification. ${\ displaystyle n}$${\ displaystyle z}$${\ displaystyle n = 2 ^ {z}}$

Types de quantification

La quantification peut être linéaire ou non linéaire.

Quantification linéaire

Avec la quantification linéaire, les plages de valeurs sont également larges. Ce type de PCM est appelé modulation par impulsions linéaires (LPCM).

Quantification non linéaire

Avec la quantification non linéaire, des déflexions de signal plus importantes sont combinées dans une plage de valeurs plus grande et donc résolues plus grossièrement. Les petites déviations de signal, par contre, sont quantifiées avec une résolution plus élevée. L'avantage est qu'avec moins de bits par échantillon, moins de bruit de quantification peut être obtenu qu'avec une quantification linéaire. Les méthodes appelées loi A et loi μ utilisent toutes deux la quantification non linéaire. Ils sont utilisés dans l'ingénierie des communications pour la numérisation des signaux de communication analogiques (voix).

Avantage désavantage

avantage

L'avantage du codage de signal numérique, tel qu'utilisé par PCM, par rapport à un signal continu dans le temps réside dans la tolérance aux interférences plus élevée. Le codage binaire au niveau du récepteur doit seulement pouvoir faire la distinction entre un signal haut et un signal bas (0 et 1). Les différents types de modulation (à l'exception du PCM sont la modulation d'amplitude d'impulsion , la modulation de largeur d'impulsion , la modulation de phase d'impulsion , la modulation numérique de modulation de fréquence d'impulsion) ont également une «résistance» différente aux erreurs systématiques ou aléatoires. Avec les signaux modulés PCM, contrairement aux autres types de modulation, les interférences sinusoïdales ( par exemple le ronflement du secteur ) peuvent être éliminées par des amplificateurs de régénération. C'est pourquoi ce processus s'est non seulement imposé dans la technologie des communications, mais aussi dans la technologie analogique classique ( haute fidélité ).

désavantage

L'inconvénient du codage PCM est le taux de transfert de données élevé requis ( environ 1,4 Mbit / s pour les CD audio ), c'est pourquoi des méthodes PCM adaptées et étendues sont utilisées dans diverses applications et les informations numériques sont réduites au moyen du codage de source .

Extensions

Avec la modulation de code d'impulsion différentielle ( DPCM ), la valeur codée binaire entière n'est pas enregistrée, mais dans le cas le plus simple, seule la différence par rapport à la valeur précédente. Cette procédure permet des largeurs de mot plus petites et donc une compression plus élevée. La soi-disant modulation delta est un cas particulier de DPCM, où la fréquence d'échantillonnage est augmentée jusqu'à ce que la quantification soit réduite à seulement 1 bit et la différence d'un échantillon est seulement de 1 bit. La modulation delta représente l'étape préliminaire de la modulation delta-sigma , qui est utilisée, par exemple, dans les convertisseurs AD de meilleure qualité pour la mise en forme du bruit et pour minimiser le bruit de quantification.

Avec la modulation par impulsions différentielles adaptatives ( ADPCM ), la mise à l'échelle des niveaux de quantification est conçue de manière flexible pour la réduction des données et adaptée (adaptée) en fonction de l'évolution du signal. L'algorithme de codage estime à quoi pourrait ressembler la valeur suivante (ce processus est également appelé prédiction ) et adapte la mise à l'échelle de cette manière. La différence avec la valeur estimée est transmise. Selon la méthode, la prédiction avant ou arrière peut être utilisée, qui est la base du codage prédictif linéaire (LPC).

l'histoire

Les publications de Claude Shannon sur la capacité de canal des canaux de communication perturbés et de Karl Küpfmüller sur la théorie des systèmes de communication électrique ont contribué de manière décisive au développement de la modulation par impulsions codées .

PCM a été développé dans les années 1930 par Bell Labs et par Alec Reeves , qui a reçu un brevet en 1938 pour un système PCM avec un taux d'échantillonnage de 8000 bits par seconde. Il a été utilisé pour la première fois en 1943 dans un système téléphonique crypté appelé SIGSALY . Dans les années 1960, des techniciens de la société de radiodiffusion japonaise NHK ont développé des appareils d'enregistrement basés sur PCM utilisant la bande vidéo comme support. Le label japonais Nippon Columbia était désireux d'améliorer la qualité des enregistrements analogiques sur bande magnétique et a loué un enregistreur à NHK pour faire des enregistrements de test, puis a développé son propre enregistreur. Des appareils PCM ont également été développés à la BBC au début des années 1970.

En 1971, le premier enregistrement est sorti sous le label Denon qui a été enregistré numériquement en utilisant le procédé PCM, suivi d'œuvres de musique classique avec des interprètes européens de 1972 ( quatuors à cordes KV 421 et 458 de Mozart avec le Quatuor Smetana ). En 1974, l' Offrande musicale de Bach ( Orchestre de chambre Paillard ) est la première production PCM en Europe. Lorsque le CD a été lancé en 1982 , Denon avait déjà 400 enregistrements numériques disponibles.

Réseaux téléphoniques

Les réseaux téléphoniques numérisés constituent le plus grand domaine d'application de la technologie PCM. Le signal de parole électrique est limité de manière analogue à la gamme de fréquences entre 300 Hz et 3400 Hz et échantillonné à une fréquence de 8000 Hz. En conséquence, 8 000 valeurs instantanées discrètes sont mesurées par seconde. La plage des valeurs de signal à transmettre est divisée en un certain nombre d'intervalles de quantification. Pour chaque valeur instantanée, il est maintenant déterminé dans quel intervalle il se situe. Le numéro de l'intervalle de quantification est ensuite transmis sous forme de nombre codé binaire de l'émetteur au récepteur. Plus le nombre d'intervalles de quantification est grand, plus le bruit de quantification est faible. Lorsque les réseaux longue distance ont été numérisés dans les années 1960, le nombre d'intervalles de quantification a été choisi de manière à ce que la distorsion de quantification soit pratiquement inaudible si quatre conversions de l'analogique au numérique et inversement se produisent au cours d'une connexion téléphonique. C'était le cas avec 128 intervalles de quantification. Par conséquent, 7 bits suffisent pour indiquer l'intervalle respectif ( ). 7 bits devaient être transmis pour chaque valeur d'échantillonnage, ce qui à la fréquence d'échantillonnage de 8000 Hz correspondait à un débit binaire de 56 kbit / s. Lorsqu'il est devenu clair que 14 à 15 conversions PCM-analogique pouvaient avoir lieu sur une connexion téléphonique mondiale, le CCITT a décidé en 1969 d'augmenter le nombre d'intervalles de quantification. Le MIC 8 bits est maintenant devenu une norme internationale (Recommandation G.711 ). Cela correspondait à un débit binaire de 64 kbit / s. Alors que l'Europe et la plupart des pays non européens ont également introduit le PCM 8 bits sous la forme de la loi A, l'Amérique du Nord et le Japon s'en sont tenus à la loi μ de qualité inférieure, qui ne nécessite que le PCM 7 bits. Les connexions internationales conduisent désormais à des réseaux téléphoniques nationaux qui se numérisent différemment, ce qui nécessite une mise en œuvre. La mise en œuvre est réalisée en ce que chaque mot de code PCM d'une loi est remplacé par le mot de code PCM de l'autre loi qui donne la meilleure correspondance dans la reconstruction du signal analogique. Avec cette mise en œuvre, un problème dans les réseaux téléphoniques internationaux est résolu. ${\ displaystyle 2 ^ {7} = 128}$

La transmission intercontinentale d'appels interurbains utilise des liaisons satellites ou des câbles sous-marins. Afin de l'utiliser le plus économiquement possible, le PCM est converti en ADPCM à 32 kbit / s, par exemple. Dans le cas des communications mobiles , les fréquences pour la téléphonie sont rares et coûteuses. C'est pourquoi le réseau cellulaire utilise des codecs avec un débit binaire encore plus bas.

Littérature

• Karl-Dirk Kammeyer : transmission de messages . 4e édition révisée et complétée. Vieweg + Teubner, Wiesbaden 2008, ISBN 978-3-8351-0179-1 . 

liens web

• www.digitalpreservation.gov
• www.xiph.org/video/vid2.shtml - Vidéo sur les bases de l'échantillonnage numérique (24 min - anglais).

Preuve individuelle

1. ^ Bases de la technologie d'impulsion, par Gerhard-Helge Schildt (* 1942), maison d'édition Teubner, 1987, ISBN 351906412X
2. ↑ BBC Radio 4: Digital Sound , 27 mars 2011, consulté le 10 mars 2013.
3. ↑ ^{a b} Thomas Fine: The Dawn of Commercial Digital Recording , dans ARSC Journal XXXIX, 2008 (PDF, 1,33 Mo)