Modulație cu impulsuri

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare

Modulația impulsului codificat [1] (abreviat PCM , acronim al modulației echivalente în limba engleză a codului impulsului ), în electronică și telecomunicații , este o metodă de reprezentare digitală a unui semnal analogic .

Istorie

PCM, ca multe alte mari invenții, pare a fi simplu și evident. Principalul motiv care a condus la eșantionarea semnalelor a fost necesitatea de a trece mai multe probe provenind din diferite surse telegrafice pe un singur cablu. Multiplexarea prin diviziune în timp (TDM) a fost inventată în 1853 de către fermierul american MB.

Inginerul electric WM Miner, în 1903 , a folosit un comutator electromecanic pentru multiplexarea prin diviziune în timp a diferitelor semnale telegrafice, ulterior a aplicat această tehnologie la telefonie . A obținut fluxuri audio inteligibile pentru 3 500–4 300 Hz eșantionate de canale: comunicarea de mai jos a fost nesatisfăcătoare. Acest TDM a folosit canale PAM (modulare amplitudine impuls) și canale non-PCM.

Paul M. Rainey de la Western Electric în 1926 a brevetat un convertor analog-digital, dar nu a intrat niciodată în producție. Inginerul britanic Alec Reeves, necunoscând lucrările anterioare, s-a gândit la PCM pentru comunicații vocale în 1937 în timp ce lucra pentru International Telephone and Telegraph din Franța . El a descris teoria și avantajele, dar nu utilizări practice derivate din ea. Reeves a brevetat aceste studii în Franța în 1938 și în 1943 în Statele Unite.

Prima transmisie a unui discurs folosind tehnici digitale a fost utilizată pentru comunicațiile aliate la nivel înalt în timpul celui de-al doilea război mondial din 1943 .

Până la mijlocul anului 1943, tehnicienii Bell Labs , care au inventat sistemul SIGSALY (utilizat pentru comunicațiile Allied), au aflat că codificarea binară PCM a fost deja propusă de Alec Reeves. PCM în anii 1950 folosea un tub de raze catodice cu o grilă perforată pentru codificare. La fel ca într-un osciloscop , fasciculul sa deplasat orizontal la rata de eșantionare și deplasarea verticală a fost controlată de semnalul de intrare analogic. Grila a fost concepută nu pentru a produce cod binar simplu, ci cod gri .

Descriere

Metoda utilizează un eșantionare a absciselor semnalului la intervale regulate; valorile citite sunt apoi cuantificate în ordonate și în cele din urmă digitalizate (în general codificate în formă binară ). PCM este utilizat pe scară largă în sistemele telefonice , dar multe standarde video , cum ar fi ITU-R BT.601 , se bazează, de asemenea, pe acest principiu. Deoarece PCM pur necesită un bitrate foarte ridicat, standardele video pentru consumatori precum DVD sau DVR se bazează pe variante ale acestuia care utilizează tehnici de compresie . Cel mai frecvent, codificarea PCM este utilizată pentru a facilita transmisiile digitale în formă serială .

Modulare

Eșantionarea și cuantificarea unui semnal (roșu) prin intermediul celor 16 combinații diferite posibile cu un cod binar pe 4 biți (0 - 15)

În diagramă este prelevată și cuantificată o undă sinusoidală (roșie). Unda sinusoidală este eșantionată la intervale regulate reprezentate de liniuțe pe axa X. Pentru fiecare eșantion, una dintre valorile disponibile pe axa Y este aleasă de algoritmi adecvați, în general este aproximată la cea mai apropiată. Aceasta produce o reprezentare discretă a semnalului de intrare care poate fi ușor codificat digital pentru stocare și manipulare. Aceste operațiuni sunt efectuate de un singur circuit integrat numit ADC ( convertor analog-digital) la care trebuie furnizate doar ceasul și sursa de alimentare, producând direct codificarea digitală a semnalului de intrare analogic. Pentru unda sinusoidală reprezentată în dreapta putem verifica dacă valorile eșantionate sunt cuantificate cu valorile 8, 9, 11, 13, 14, 15, 15, 15, 14, 13 etc. Codificând aceste valori în binar vom avea următoarele cuvinte pe 4 biți: 1000, 1001, 1011, 1101, 1110, 1111, 1111, 1111, 1110, 1101 etc. Aceste valori digitale pot fi procesate sau analizate de un analizor digital de semnal sau de un procesor simplu. Mai multe canale PCM pot fi, de asemenea, multiplexate , de obicei pentru a transmite mai multe date pe un singur mediu de transmisie. Această tehnică se numește Time Division Multiplexing (TDM, sau multiplexarea prin diviziune de timp) și este utilizată pe scară largă în sistemele de telefonie publică moderne.

Demodularea

Pentru a obține semnalul de intrare eșantionat la recepție, se folosește demodularea, adică opusul modulației. După fiecare perioadă de eșantionare, se citește următoarea valoare, iar ieșirea merge aproape instantaneu la noua valoare. Ca urmare a acestor variații instantanee, va exista un număr mare de armonici nedorite (mai mare decât ) care pot fi eliminate printr-un filtru analogic. Teoretic este imposibil să se reprezinte discret un semnal cu o bandă infinită, dar conform teoremei de eșantionare dacă se utilizează o frecvență de eșantionare mult mai mare decât cea a semnalului (egală cu dublul benzii sale de frecvență), semnalul reconstituit în recepție nu va abate prea mult de la cel original. Electronica utilizată pentru a reproduce un semnal analog precis din date discrete este similară cu cea utilizată pentru a genera semnalul digital. Aceste dispozitive sunt numite convertoare digitale-analogice ( DAC ) și funcționează în mod similar cu ADC-urile. Acestea emit o tensiune sau un curent (în funcție de tip) în funcție de valoarea prezentă la intrare. Acest semnal de ieșire este de obicei filtrat și amplificat înainte de a fi utilizat.

Limitări

Există două surse de eroare implicite în PCM:

  • alegeți o valoare discretă „apropiată” de cea a semnalului analogic pentru fiecare eșantion (eroare de cuantificare ).
  • nu se face nicio măsurare între două probe; conform teoremei de eșantionare fiecare componentă de frecvență mai mare sau egală cu va fi distorsionat sau complet pierdut (efect de aliasing ).

Deoarece eșantioanele depind de timp, este necesar un ceas foarte precis pentru redarea precisă. Dacă ceasul de codificare sau decodificare nu este corect, calitatea semnalului de ieșire de pe dispozitiv va fi afectată. O mică eroare între cele două ceasuri nu este un motiv de îngrijorare, chiar dacă este constantă, totuși, dacă eroarea nu este constantă, există o distorsiune considerabilă, în special în semnalele audio și video.

Digitalizare

În PCM convențional, semnalul analogic poate fi modificat (de exemplu prin comprimarea nivelului audio ) înainte de a fi digitalizat. Odată ce se face tranziția la forma digitală, semnalul PCM este de obicei supus unei prelucrări ulterioare (de exemplu, comprimarea datelor ).

Unele forme particulare de PCM combină procesarea semnalului și codificarea împreună. Versiunile mai vechi ale acestor sisteme aplicau procesarea în domeniul analog ca parte a conversiei analog-digital , în timp ce implementările mai noi o fac în domeniul digital. Aceste tehnici simple au fost apoi depășite de tehnicile moderne de compresie audio digitală .

Modulație diferențială a impulsului-cod

Modulația diferențială a impulsului-cod (DPCM) codifică valorile PCM prin diferențele dintre valoarea curentă și următoarea (previzionată). Pentru semnalele audio, acest tip de codificare reduce numărul de biți necesari pentru fiecare eșantion cu aproximativ 25%, comparativ cu PCM.

DPCM este o tehnică de predicție a eșantionului utilizată pentru transmiterea semnalelor analogice în format numeric (digital). Tehnica implică cuantificarea și codarea binară a erorii dintre predicția generată și eșantionul de intrare analogică. Valoarea de predicție este obținută prin intermediul unui predictor mai complicat decât cele utilizate în tehnici mai simple, dar mai puțin precise și ia în considerare funcția de autocorelație a unui semnal analogic. În special, valoarea prezisă depinde de N eșantioane anterioare, cărora li se atribuie o „greutate” care corespunde propriului coeficient Ci.

DPCM este calculat folosind expresia:

unde Tc exprimă timpul de eșantionare 1 / fc al semnalului analogic care intră în sistem.

Valoarea coeficienților Ci se obține printr-un calcul matricial care ia în considerare autocorelația Rx (i). Valoarea de predicție va fi mai precisă cu atât este mai bine posibilă estimarea funcției de autocorelație în sine.

Modulație diferențială adaptivă a impulsului-cod

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: ADPCM .

Adaptive DPCM ( ADPCM ) este o variantă a DPCM care face dimensiunea pașilor de eșantionare arbitrari, astfel încât să permită reduceri suplimentare ale lățimii de bandă necesare pentru un raport semnal-zgomot dat .

Modulația Delta

Există, de asemenea, modulație delta, care poate fi văzută ca o variantă a DPCM: cu această metodă de compresie, fiecare valoare eșantionată trebuie să difere de cea anterioară cu +1 sau -1; în aceste condiții, se poate transmite un singur bit care spune dacă noul eșantion este mai mare sau mai mic decât cel anterior. Ocuparea lățimii de bandă este de 1/4 în comparație cu clasicul PCM. Modulația Delta a fost adoptată de sistemele de telecomunicații militare (NATO și altele) încă din anii 1970 .

Codificare pentru transmisie

PCM poate fi fie return-to-zero (RZ), fie non-return-to-zero (NRZ). În sistemele NRZ, sincronizarea este necesară și, prin urmare, nu pot exista secvențe lungi de 1 sau 0. În sistemele PCM binare, densitatea 1 este numită „one-densitate”. Densitatea unică este adesea verificată cu o tehnică de precodificare numită lungime de rulare limitată, prin care codul PCM este ușor întins și o limită de densitate a celor este garantată înainte de modulare. În alte cazuri, se adaugă modificări ocazionale de nivel în flux. O altă tehnică pentru controlul densității unice este utilizarea scramblerului care face ca fluxul de date să pară pseudo-aleator, semnalul original poate fi extras prin intermediul unei operații inverse. Secvențe lungi de 0 și 1 sunt încă posibile, dar foarte puțin probabil.

Notă

  1. ^ Numele italian preluat de la Ian R. Sinclair, Collins Dictionary of Electronics , traducere de Gianfranco Dini, Gremese Editore, 1998, p. 290, ISBN 88-7742-189-4 .

Bibliografie

Elemente conexe

Alte proiecte

linkuri externe

Controlul autorității Tezaur BNCF 29653 · LCCN (EN) sh85109034 · BNF (FR) cb136023289 (data) · NDL (EN, JA) 00.569.065