Darbe kodu modülasyonu - Pulse-code modulation

Darbe kodu modülasyonu
Dosya adı uzantısı
.L16, .WAV, .AIFF, .AU, .PCM
İnternet medya türü
ses/L16, ses/L8, ses/L20, ses/L24
Tür kodu L16 için "AIFF", yok
sihirli sayı değişir
Biçim türü sıkıştırılmamış ses
İçeriği: Ses CD'si , AES3 , WAV , AIFF , AU , M2TS , VOB ve diğerleri

Darbe kodu modülasyonu ( PCM ), örneklenmiş analog sinyalleri dijital olarak temsil etmek için kullanılan bir yöntemdir . Bu standart şeklidir dijital ses bilgisayarlar, kompakt diskler , dijital telefon ve diğer dijital ses uygulamaları. Bir PCM akışında , analog sinyalin genliği düzgün aralıklarla düzenli olarak örneklenir ve her örnek bir dizi dijital adım içinde en yakın değere nicelenir .

Doğrusal darbe kodu modülasyonu ( LPCM ), nicemleme seviyelerinin doğrusal olarak tekdüze olduğu belirli bir PCM türüdür. Bu, nicemleme seviyelerinin genliğin bir fonksiyonu olarak değiştiği PCM kodlamalarının aksine ( A-yasa algoritması veya μ-yasa algoritmasında olduğu gibi ). PCM daha genel bir terim olmasına rağmen , genellikle LPCM olarak kodlanmış verileri tanımlamak için kullanılır.

Bir PCM akışının, akışın orijinal analog sinyale uygunluğunu belirleyen iki temel özelliği vardır: örneklerin saniyede kaç kez alındığı örnekleme hızı ; ve her bir örneği temsil etmek için kullanılabilecek olası dijital değerlerin sayısını belirleyen bit derinliği .

Tarih

Erken elektrik iletişim başlayan örnek amacıyla sinyallerin çoklu sayıda örnekler telgraf kaynakları ve tek bir telgraf kablosu onları taşımak için. Amerikalı mucit Moses G. Farmer, telgraf zaman bölmeli çoğullamayı (TDM) 1853 gibi erken bir tarihte iletti. Elektrik mühendisi WM Miner, 1903'te, çoklu telgraf sinyallerini zaman-bölmeli çoğullamak için bir elektro-mekanik komütatör kullandı ; bu teknolojiyi telefona da uyguladı . 3500–4300 Hz'nin üzerinde bir hızda örneklenen kanallardan anlaşılır konuşma elde etti; daha düşük oranlar tatmin edici değildi.

1920'de, Bartlane kablolu resim iletim sistemi , 5 seviyeye nicelenmiş görüntü örneklerini göndermek için kağıt bantta delinmiş karakterlerin telgraf sinyalini kullandı . 1926'da Western Electric'ten Paul M. Rainey , sinyalini bir opto-mekanik analogdan dijitale dönüştürücü tarafından kodlanmış 5 bitlik PCM kullanarak ileten bir faks makinesinin patentini aldı . Makine üretime girmedi.

İngiliz mühendis Alec Reeves , daha önceki çalışmalarından habersiz, 1937'de Fransa'da Uluslararası Telefon ve Telgraf için çalışırken sesli iletişim için PCM kullanımını tasarladı . Teoriyi ve avantajlarını anlattı, ancak pratik bir uygulama sonuçlanmadı. Reeves, 1938'de bir Fransız patenti için başvurdu ve ABD patenti 1943'te verildi. Bu zamana kadar Reeves, Telekomünikasyon Araştırma Kuruluşunda çalışmaya başlamıştı .

Dijital tekniklerle ilk konuşma iletimi olan SIGSALY şifreleme ekipmanı, II . Dünya Savaşı sırasında üst düzey Müttefik iletişimini iletti . 1943'te SIGSALY sistemini tasarlayan Bell Labs araştırmacıları, Reeves tarafından zaten önerildiği gibi PCM ikili kodlama kullanımının farkına vardılar. 1949'da, Kanada Donanması'nın DATAR sistemi için Ferranti Canada , sayısallaştırılmış radar verilerini uzun mesafelerde iletebilen çalışan bir PCM radyo sistemi kurdu.

1940'ların sonlarında ve 1950'lerin başlarında PCM, kodlama deliklerine sahip bir plaka elektrotlu bir katot ışını kodlama tüpü kullandı . Bir osiloskopta olduğu gibi , dikey sapma giriş analog sinyali tarafından kontrol edilirken, ışının delikli plakanın daha yüksek veya daha düşük bölümlerinden geçmesine neden olurken, ışın örnekleme hızında yatay olarak süpürüldü. Plaka, her seferinde bir bit olmak üzere ikili kodda akım varyasyonları üreterek ışını topladı veya geçti. Doğal ikiliden ziyade, Goodall'ın sonraki tüpünün ızgarası, hatasız bir Gray kodu üretmek için delindi ve tarama ışını yerine bir yelpaze ışını kullanılarak tüm bitleri aynı anda üretti.

Amerika Birleşik Devletleri'nde, Ulusal Mucitler Onur Listesi , 1946 ve 1952'de dosyalanan ve 1956'da verilen "Darbeli Kod Modülasyonu Kullanan İletişim Sistemi", ABD Patenti 2,801,281'de açıklandığı gibi, Bernard M. Oliver ve Claude Shannon'ı PCM'nin mucitleri olarak onurlandırdı. Aynı başlığa sahip başka bir patent , 1945'te John R. Pierce tarafından dosyalandı ve 1948'de yayınlandı: ABD Patenti 2,437,707 . Üçü 1948'de "PCM Felsefesi"ni yayınladı.

T Taşıyıcı 1961 yılında sistem, 24 PCM taşımak için iki çift bükümlü iletim hatlarını kullanan bir telefon 8 kHz ve 8 bit çözünürlükte örneklenmiş çağrı. Bu gelişme, önceki frekans bölmeli çoğullama şemalarına kıyasla kapasiteyi ve çağrı kalitesini iyileştirdi .

1973 yılında, uyarlanabilir diferansiyel darbe kodu modülasyonu (ADPCM), P. Cummiskey, Nikil Jayant ve James L. Flanagan tarafından geliştirildi .

Dijital ses kayıtları

1967'de ilk PCM kaydedici, NHK'nin Japonya'daki araştırma tesisleri tarafından geliştirildi . 30 kHz 12 bit cihaz , dinamik aralığı genişletmek için bir sıkıştırıcı ( DBX Noise Reduction'a benzer ) kullandı ve sinyalleri bir video kayıt cihazında depoladı . 1969'da NHK, sistemin yeteneklerini 2 kanallı stereo ve 32 kHz 13 bit çözünürlüğe genişletti . Ocak 1971'de, Denon'daki mühendisler, NHK'nin PCM kayıt sistemini kullanarak ilk ticari dijital kayıtları kaydettiler.

1972'de Denon, 47.25 kHz, 13 bit PCM seste kayıt yapmak için 4 kafalı açık makaralı yayın video teyp kaydedici kullanan ilk 8 kanallı dijital kaydedici DN-023R'yi piyasaya sürdü. 1977'de Denon, taşınabilir PCM kayıt sistemi olan DN-034R'yi geliştirdi. DN-023R gibi, 47.25 kHz'de 8 kanal kaydetti, ancak " vurgu ile 14 bit kullandı , bu da onu 15.5 bite eşdeğer hale getirdi."

1979'da ilk dijital pop albümü Bop till You Drop kaydedildi. Bir 3M dijital teyp kaydedici kullanılarak 50 kHz, 16-bit doğrusal PCM'de kaydedildi.

Kompakt disk 1982 CD'de tanıtımından tüketici ses uygulamaları için PCM getirdi (CD) bir kullanan 44,100 Hz disk başına stereo ses 80 dakika numune alma sıklığı ve 16 bit çözünürlükte ve saklar.

dijital telefon

PCM dijital telefonun hızlı gelişimi ve geniş çapta benimsenmesi, 1970'lerin başında geliştirilen metal-oksit-yarı iletken (MOS) anahtarlamalı kapasitör (SC) devre teknolojisi ile sağlandı . Bu, 1970'lerin sonlarında PCM kodek filtre yongalarının geliştirilmesine yol açtı. Silikon geçit CMOS tarafından geliştirilen (tamamlayıcı MOS) PCM codec'i filtre çip, David A. Hodges 1980 yılında ve Tuvalet Siyah, çünkü dijital telefon için endüstri standardı olmuştur. 1990'lara gelindiğinde, telekomünikasyon ağları gibi kamu anahtarlı telefon şebekesine (PSTN) büyük ölçüde olmuştu dijital hale ile çok-büyük ölçekli entegrasyon (VLSI) CMOS PCM yaygın olarak kullanılan codec filtreler, elektronik anahtarlama sistemleri için telefon santralları , kullanıcı tarafında bir modemler ve entegre hizmetler dijital ağı (ISDN), kablosuz telefonlar ve cep telefonları gibi çok çeşitli dijital iletim uygulamaları .

Uygulamalar

PCM, tipik olarak sıkıştırılmamış dijital ses için kullanılan kodlama yöntemidir.

  • 4ESS anahtarı orta ölçekli tümleşik devre teknolojisi göre 1976 yılında ABD telefon sistemi içine zaman-bölümlü anahtarlama.
  • LPCM, 1982'de tanıtılan Kompakt disk Kırmızı Kitap standardındaki (gayri resmi olarak Ses CD'si olarak da bilinir ) ses verilerinin kayıpsız kodlanması için kullanılır .
  • AES3 ( S/ PDIF'in temel aldığı 1985'te belirtilmiştir ), LPCM kullanan özel bir formattır.
  • Dijital sesli LaserDisc'lerin dijital kanalda bir LPCM izi vardır.
  • PC'lerde, PCM ve LPCM genellikle WAV (1991'de tanımlanmıştır) ve AIFF ses kabı formatlarında (1988'de tanımlanmıştır ) kullanılan formata atıfta bulunur . LPCM verileri ayrıca AU , ham ses formatı (başlıksız dosya) ve çeşitli multimedya kap formatları gibi diğer formatlarda da saklanabilir .
  • LPCM, DVD (1995'ten beri) ve Blu-ray (2006'dan beri) standartlarının bir parçası olarak tanımlanmıştır . Ayrıca çeşitli dijital video ve ses depolama formatlarının bir parçası olarak tanımlanır (örn. 1995'ten beri DV , 2006'dan beri AVCHD ).
  • LPCM, sıkıştırılmamış dijital verileri iletmek için tek kablolu bir dijital ses/video konektörü arabirimi olan HDMI (2002'de tanımlanmıştır) tarafından kullanılır .
  • RF64 kap biçimi (2007'de tanımlanmıştır) LPCM kullanır ve ayrıca PCM olmayan bit akışı depolamasına izin verir: RF64 dosyasında veri patlamaları olarak bulunan çeşitli sıkıştırma biçimleri (Dolby E, Dolby AC3, DTS, MPEG-1/MPEG-2 Ses) olabilir. PCM doğrusal olarak "gizlenmiş".

Modülasyon

4-bit LPCM için bir sinyalin (kırmızı) örneklenmesi ve nicelenmesi

Diyagramda, bir sinüs dalgası (kırmızı eğri) örneklenir ve PCM için nicelenir. Sinüs dalgası, dikey çizgiler olarak gösterilen düzenli aralıklarla örneklenir. Her numune için mevcut değerlerden biri (y ekseninde) seçilir. PCM işlemi genellikle analogdan dijitale dönüştürücü (ADC) adı verilen tek bir entegre devre üzerinde uygulanır . Bu, depolama veya manipülasyon için dijital veriler olarak kolayca kodlanabilen giriş sinyalinin (mavi noktalar) tamamen ayrı bir temsilini üretir. Birkaç PCM akışı , genellikle birden fazla akışın tek bir fiziksel bağlantı üzerinden iletilmesi için daha büyük bir toplu veri akışına çoğullanabilir. Bir tekniğe zaman bölmeli çoğullama (TDM) denir ve özellikle modern kamu telefon sisteminde yaygın olarak kullanılır.

demodülasyon

Ayrık verilerden doğru bir analog sinyal üretmeye dahil olan elektronikler, dijital sinyal üretmek için kullanılanlara benzer. Bu cihazlar dijitalden analoğa dönüştürücülerdir (DAC'ler). Dijital girişlerinde sunulan değeri temsil eden bir voltaj veya akım (tipe bağlı olarak) üretirler . Bu çıktı daha sonra genel olarak filtrelenecek ve kullanım için güçlendirilecektir.

Örneklenen verilerden orijinal sinyali kurtarmak için, bir demodülatör modülasyon prosedürünü tersine uygulayabilir. Her örnekleme periyodundan sonra demodülatör bir sonraki değeri okur ve çıkış sinyalini yeni değere geçirir. Bu geçişlerin bir sonucu olarak, sinyal, görüntüleme etkilerinden dolayı önemli miktarda yüksek frekanslı enerjiyi muhafaza eder. Bu istenmeyen frekansları ortadan kaldırmak için demodülatör, sinyali , beklenen frekans aralığının dışındaki ( Nyquist frekansından daha büyük) enerjiyi bastıran bir yeniden yapılandırma filtresinden geçirir .

Standart örnekleme hassasiyeti ve oranları

LPCM için ortak örnek derinlikleri örnek başına 8, 16, 20 veya 24 bittir .

LPCM, tek bir ses kanalını kodlar. Çok kanallı ses desteği, dosya formatına bağlıdır ve birden çok LPCM akışının senkronizasyonuna dayanır. İki kanal (stereo) en yaygın format olsa da, sistemler 8 adede kadar ses kanalını (7.1 surround) veya daha fazlasını destekleyebilir.

Yaygın örnekleme frekansları, DVD formatındaki videolarda kullanıldığı gibi 48 kHz veya CD'lerde kullanıldığı gibi 44.1 kHz'dir. Bazı ekipmanlarda 96 kHz veya 192 kHz örnekleme frekansları kullanılabilir, ancak faydaları tartışılmıştır.

sınırlamalar

Nyquist-Shannon örnekleme teoremi bir örnekleme en az frekansı giriş sinyalinde bulunan yüksek frekanslı iki katı sağlamak eğer Şekil PCM cihazların dizayn frekans bantları içinde bozulmaları sokulması olmadan çalışabilir. Örneğin, telefonda , kullanılabilir ses frekans bandı yaklaşık 300 Hz ile 3400 Hz arasında değişir  . Ses sinyalinin etkin bir şekilde yeniden yapılandırılması için, telefon uygulamaları bu nedenle tipik olarak, kullanılabilir en yüksek ses frekansının iki katından fazla olan 8000 Hz'lik bir örnekleme frekansı kullanır.

Ne olursa olsun, herhangi bir PCM sisteminde örtük olarak potansiyel bozulma kaynakları vardır:

  • Her numune için analog sinyal seviyesine yakın fakat tam olarak aynı seviyede olmayan ayrı bir değerin seçilmesi niceleme hatasına yol açar .
  • Numuneler arasında sinyal ölçümü yapılmaz; örnekleme teoremi, yalnızca f s /2 veya daha yüksek frekansta enerjisi yoksa ( Nyquist frekansı olarak bilinen örnekleme frekansının yarısı) sinyalin belirsiz olmayan temsilini ve geri kazanımını garanti eder ; daha yüksek frekanslar doğru bir şekilde temsil edilmeyecek veya kurtarılmayacaktır ve Nyquist frekansının altındaki sinyale aliasing distorsiyonu ekleyecektir.
  • Numuneler zamana bağlı olduğundan, doğru çoğaltma için doğru bir saat gerekir. Kodlama veya kod çözme saatinden biri sabit değilse, bu kusurlar cihazın çıktı kalitesini doğrudan etkileyecektir.

İşleme ve kodlama

Bazı PCM biçimleri, sinyal işlemeyi kodlama ile birleştirir. Bu sistemlerin daha eski sürümleri, analogdan dijitale sürecin bir parçası olarak analog alandaki işlemeyi uyguladı; daha yeni uygulamalar bunu dijital alanda yapar. Bu basit teknikler, değiştirilmiş ayrık kosinüs dönüşümü (MDCT) kodlaması gibi modern dönüşüm tabanlı ses sıkıştırma teknikleri tarafından büyük ölçüde geçersiz kılınmıştır .

  • Doğrusal PCM (LPCM), doğrusal nicemlemeli PCM'dir.
  • Diferansiyel PCM (DPCM), PCM değerlerini mevcut ve tahmin edilen değer arasındaki farklar olarak kodlar. Bir algoritma, önceki örneklere dayalı olarak bir sonraki örneği tahmin eder ve kodlayıcı yalnızca bu tahmin ile gerçek değer arasındaki farkı depolar. Tahmin makul ise, aynı bilgiyi temsil etmek için daha az bit kullanılabilir. Ses için bu tür kodlama, örnek başına gereken bit sayısını PCM'ye kıyasla yaklaşık %25 oranında azaltır.
  • Uyarlamalı diferansiyel darbe kodu modülasyonu (ADPCM), belirli bir sinyal-gürültü oranı için gerekli bant genişliğinin daha da azaltılmasına izin vermek için nicemleme adımının boyutunu değiştiren bir DPCM çeşididir .
  • Delta modülasyonu , sinyalin önceki örneğe göre arttığını veya azaldığını belirtmek için örnek başına bir bit kullanan bir DPCM biçimidir.

Telefonda, tek bir telefon görüşmesi için standart bir ses sinyali , her biri 8 bitlik saniyede 8.000 örnek olarak kodlanır ve DS0 olarak bilinen 64 kbit/s'lik bir dijital sinyal verir . Bir DS0'da varsayılan sinyal sıkıştırma kodlaması ya μ-law (mu-law) PCM (Kuzey Amerika ve Japonya) ya da A-law PCM'dir (Avrupa ve dünyanın geri kalanının çoğu). Bunlar, 12 veya 13 bitlik doğrusal bir PCM örnek numarasının 8 bitlik bir değere eşlendiği logaritmik sıkıştırma sistemleridir. Bu sistem uluslararası standart G.711 tarafından tanımlanmıştır .

Devre maliyetlerinin yüksek olduğu ve ses kalitesi kaybının kabul edilebilir olduğu durumlarda, bazen ses sinyalini daha da sıkıştırmak mantıklıdır. Bir ADPCM algoritması, bir dizi 8-bit μ-law veya A-law PCM örneğini bir dizi 4-bit ADPCM örneğine eşlemek için kullanılır. Bu sayede hattın kapasitesi iki katına çıkar. Teknik G.726 standardında detaylandırılmıştır .

Daha fazla sıkıştırma elde etmek için ses kodlama biçimleri ve ses kodekleri geliştirilmiştir. Bu tekniklerin bazıları standartlaştırılmış ve patentlenmiştir. MDCT ve doğrusal tahmine dayalı kodlama (LPC) gibi gelişmiş sıkıştırma teknikleri artık cep telefonlarında , IP üzerinden ses (VoIP) ve akış ortamında yaygın olarak kullanılmaktadır .

Seri iletim için kodlama

PCM, sıfıra dönüş (RZ) veya sıfıra dönüşsüz (NRZ) olabilir. Bir NRZ sisteminin bant içi bilgi kullanılarak senkronize edilmesi için, birler veya sıfırlar gibi uzun özdeş sembol dizileri olmamalıdır. İkili PCM sistemleri için 1 sembolün yoğunluğuna bir-yoğunluk denir .

Ones-yoğunluğu genellikle , PCM kodunun kanala modülasyondan önce bir-yoğunlukta garantili bir sınır ile biraz daha uzun bir koda genişletildiği, çalışma uzunluğu sınırlı kodlama gibi ön kodlama teknikleri kullanılarak kontrol edilir . Diğer durumlarda, akışa, en azından ara sıra sembol geçişlerini garanti eden ekstra çerçeveleme bitleri eklenir.

Kontrol olanlar yoğunluk için kullanılan bir başka teknik, bir kullanımıdır karıştırıcıya bakır bir akış halinde veri akışını açmak eğiliminde olacak verilere yalancı rasgele ancak veriler tamamlayıcı çözücü tarafından tam olarak geri kazanılabilir burada. Bu durumda, çıktıda uzun sıfırlar veya birler hala mümkündür, ancak güvenilir senkronizasyona izin vermek için yeterince olası görülmez.

Diğer durumlarda, modüle edilmiş sinyalin uzun vadeli DC değeri önemlidir, çünkü bir DC öngerilimi oluşturmak , iletişim devrelerini çalışma aralıklarının dışına taşıma eğiliminde olacaktır. Bu durumda, kümülatif DC sapmasının bir sayısını tutmak ve gerekirse DC sapmanın her zaman sıfıra geri dönmesini sağlamak için kodları değiştirmek için özel önlemler alınır.

Bu kodların çoğu , darbelerin pozitif, negatif veya yok olabileceği bipolar kodlardır . Tipik alternatif işaret ters çevirme kodunda, sıfır olmayan darbeler, pozitif ve negatif olmak arasında değişir. Çerçeveleme veya diğer özel amaçlar için kullanılan özel semboller oluşturmak için bu kurallar ihlal edilebilir.

isimlendirme

Kelimesinin darbe terimi içinde darbe kod modülasyonu iletim hattı bulunabilir darbeleri temsil ettiğidir. Bu, belki de bu tekniğin iki analog yöntemle, darbe genişliği modülasyonu ve darbe konumu modülasyonu ile birlikte geliştiğinin doğal bir sonucudur; burada kodlanacak bilgiler sırasıyla değişen genişlik veya konumdaki ayrı sinyal darbeleriyle temsil edilir. Bu bakımdan, PCM, zaman bölmeli çoğullamada kullanılabilmeleri ve PCM kodlarının sayılarının elektrik darbeleri olarak temsil edilmesi dışında, bu diğer sinyal kodlama biçimlerine çok az benzerlik gösterir.

Ayrıca bakınız

Notlar

Referanslar

daha fazla okuma

Dış bağlantılar