Pulzný kód modulácia je metóda ktorý sa používa na prevod súboru analógový signál na digitálny takže modifikovaný analógový signál môže byť prenášaný cez digitálnu komunikačnú sieť. PCM je v binárnej forme, takže budú existovať iba dva možné stavy vysoký a nízky (0 a 1). Náš analógový signál môžeme získať aj demoduláciou. Proces modulácie pulzného kódu sa vykonáva v troch krokoch vzorkovanie, kvantizácia a kódovanie. Existujú dva špecifické typy modulácie pulzného kódu, ako napríklad diferenciálna pulzná kódová modulácia (DPCM) a adaptívna diferenciálna pulzná kódová modulácia (ADPCM).
Bloková schéma PCM
Tu je bloková schéma krokov, ktoré sú obsiahnuté v PCM.
Pri vzorkovaní používame PAM vzorkovač, ktorým je Pulse Amplitude Modulation Sampler, ktorý prevádza signál spojitej amplitúdy na signál diskrétneho času spojitý (PAM impulzy). Ďalej je uvedený základný blokový diagram PCM pre lepšie pochopenie.
Čo je to pulzná kódová modulácia?
Ak chcete získať impulzný kód modulovaný priebeh z analógového priebehu v vysielač koniec (zdroj) komunikačného obvodu, amplitúda vzoriek analógového signálu v pravidelných časových intervaloch. Vzorkovacia frekvencia alebo počet vzoriek za sekundu predstavuje niekoľkonásobok maximálnej frekvencie. Signál správy prevedený do binárnej formy bude zvyčajne v počte úrovní, ktorý je vždy na hodnote 2. Tento proces sa nazýva kvantizácia.
Základné prvky systému PCM
Na konci prijímača demodulátor s impulzným kódom dekóduje binárny signál späť na impulzy s rovnakými kvantovými úrovňami ako v modulátore. Ďalšími procesmi môžeme obnoviť pôvodný analógový priebeh.
Teória modulácie pulzného kódu
Táto bloková schéma vyššie popisuje celý proces PCM. Zdroj nepretržitého času signál správy prechádza cez dolnopriepustný filter a potom sa vykoná odber vzoriek, kvantizácia, kódovanie. Uvidíme podrobne krok za krokom.
Vzorkovanie
Vzorkovanie je proces merania amplitúdy signálu spojitého času v diskrétnych okamihoch, prevádza spojitý signál na diskrétny signál. Napríklad prevod zvukovej vlny na postupnosť vzoriek. Vzorka je hodnota alebo množina hodnôt v určitom časovom okamihu alebo môže byť umiestnená v určitom odstupe. Vzorkovač extrahuje vzorky spojitého signálu, ide o subsystém ideálneho vzorkovača, ktorý produkuje vzorky, ktoré sú ekvivalentné okamžitej hodnote spojitého signálu v určených rôznych bodoch. Proces vzorkovania generuje plochý impulzný amplitúdovo modulovaný signál (PAM).
Analógový a vzorkovaný signál
Vzorkovacia frekvencia, Fs je počet priemerných vzoriek za sekundu, známy tiež ako vzorkovacia rýchlosť. Podľa Nyquistovej vety by vzorkovacia frekvencia mala byť najmenej 2-násobkom hornej medznej frekvencie. Vzorkovacia frekvencia, Fs> = 2 * fmax, aby sa zabránilo efektu aliasingu. Ak je vzorkovacia frekvencia veľmi vyššia ako Nyquistova rýchlosť, stane sa prevzorkovaním, teoreticky je možné rekonštruovať signál obmedzený na šírku pásma, ak sa vzorkuje nad Nyquistovou rýchlosťou. Ak je vzorkovacia frekvencia menšia ako Nyquistova frekvencia, stane sa z nej podvzorkovanie.
Pre proces vzorkovania sa používajú v zásade dva typy techník. Jedná sa o 1. Prirodzené vzorkovanie a 2. Ploché vzorkovanie.
Kvantovanie
Pri kvantovaní analógová vzorka s amplitúdou, ktorá sa prevádza na digitálnu vzorku s amplitúdou, ktorá preberá jednu zo špecificky definovanej sady kvantizačných hodnôt. Kvantovanie sa vykonáva rozdelením rozsahu možných hodnôt analógových vzoriek na niekoľko rôznych úrovní a priradením stredovej hodnoty každej úrovne ktorejkoľvek vzorke v kvantizačnom intervale. Kvantovanie aproximuje hodnoty analógových vzoriek s najbližšími kvantizačnými hodnotami. Takže takmer všetky kvantované vzorky sa budú od pôvodných líšiť v malom množstve. Táto suma sa nazýva chyba kvantovania. Výsledkom tejto chyby kvantovania je, že pri prehrávaní náhodného signálu budeme počuť syčivý zvuk. Prevod analógových vzoriek na binárne čísla, ktoré sú 0 a 1.
Vo väčšine prípadov použijeme jednotné kvantizátory. Jednotná kvantizácia je použiteľná, ak sú hodnoty vzorky v konečnom rozmedzí (Fmin, Fmax). Celkový rozsah dát je rozdelený na 2n úrovne, nech sú to L intervaly. Budú mať rovnakú dĺžku Q. Q sa nazýva kvantizačný interval alebo veľkosť kvantizačného kroku. Pri rovnomernom kvantovaní nebude chýbať chyba kvantovania.
Jednotne kvantovaný signál
Ako vieme,
L = 2n, potom veľkosť kroku Q = (Fmax - Fmin) / L
Interval i je namapovaný na strednú hodnotu. Uložíme alebo pošleme iba hodnotu indexu kvantovanej hodnoty.
Hodnota indexu kvantovanej hodnoty Qi (F) = [F - Fmin / Q]
Kvantovaná hodnota Q (F) = Qi (F) Q + Q / 2 + Fmin
Ale pri jednotnej kvantizácii existujú určité problémy
- Optimálne iba pre rovnomerne rozložený signál.
- Skutočné zvukové signály sú koncentrovanejšie v blízkosti núl.
- Ľudské ucho je citlivejšie na chyby kvantovania pri malých hodnotách.
Riešením tohto problému je použitie nejednotnej kvantizácie. V tomto procese je interval kvantovania menší ako nula.
Kódovanie
Kodér kóduje kvantované vzorky. Každá kvantovaná vzorka je kódovaná do 8-bitové kódové slovo použitím A-zákona v procese kódovania.
- Bit 1 je najvýznamnejší bit (MSB), predstavuje polaritu vzorky. „1“ predstavuje kladnú polaritu a „0“ predstavuje zápornú polaritu.
- Bit 2,3 a 4 definuje umiestnenie vzorovej hodnoty. Tieto tri bity tvoria lineárnu krivku pre negatívne alebo pozitívne vzorky nízkej úrovne.
- Bit 5,6,7 a 8 sú najmenej významné bity (LSB), ktoré predstavujú jeden z kvantovaných hodnôt segmentov. Každý segment je rozdelený do 16 kvantových úrovní.
PCM sú dva typy diferenciálnej pulznej kódovej modulácie (DPCM) a adaptívnej diferenciálnej pulznej kódovej modulácie (ADPCM).
V DPCM je zakódovaný iba rozdiel medzi vzorkou a predchádzajúcou hodnotou. Rozdiel bude oveľa menší ako celková hodnota vzorky, takže potrebujeme nejaké bity na získanie rovnakej presnosti ako v bežnom PCM. Takže sa zníži aj požadovaný bitový tok. Napríklad v 5-bitovom kóde je 1 bit pre polaritu a zvyšné 4 bity pre 16 kvantových úrovní.
ADPCM sa dosahuje prispôsobením úrovní kvantovania charakteristikám analógového signálu. Hodnoty môžeme odhadnúť s predchádzajúcimi hodnotami vzorky. Odhad chýb sa robí rovnako ako v DPCM. Pri rozdiele medzi metódou ADPCM 32 Kbps medzi predikovanou hodnotou a vzorkou je hodnota kódovaná 4 bitmi, takže dostaneme 15 kvantových úrovní. V tejto metóde je dátová rýchlosť polovica oproti konvenčnému PCM.
Demodulácia pulzného kódu
Rovnako bude postupovať aj demodulácia pulzného kódu proces modulácie v opačnom poradí. Demodulácia začína procesom dekódovania, počas prenosu bude signál PCM ovplyvnený interferenciou šumu. Takže predtým, ako signál PCM odošle do demodulátora PCM, musíme signál obnoviť na pôvodnú úroveň, aby sme použili komparátor. Signál PCM je signál sériovej pulznej vlny, ale na demoduláciu potrebujeme, aby bola vlna paralelná.
Použitím sériovo-paralelného prevodníka sa sériový signál pulznej vlny prevedie na paralelný digitálny signál. Potom bude signál prechádzať n-bitovým dekodérom, mal by to byť digitálno-analógový prevodník. Dekodér obnovuje pôvodné kvantizačné hodnoty digitálneho signálu. Táto kvantizačná hodnota obsahuje aj veľa vysokofrekvenčných harmonických s pôvodnými zvukovými signálmi. Aby sme sa vyhli zbytočným signálom, používame v poslednej časti dolnopriepustný filter.
Výhody modulácie pulzného kódu
- Analógové signály je možné prenášať cez vysokorýchlostný digitál komunikačný systém .
- Pravdepodobnosť výskytu chyby sa zníži použitím vhodných metód kódovania.
- PCM sa používa v systéme Telkom, digitálne nahrávanie zvuku, špeciálne efekty digitalizovaného videa, digitálne video, hlasová schránka.
- PCM sa tiež používa v rádiových riadiacich jednotkách ako vysielače a tiež prijímače pre diaľkovo ovládané automobily, člny, lietadlá.
- Signál PCM je odolnejší voči rušeniu ako bežné signály.
Toto je všetko o Pulzná kódová modulácia a demodulácia . Veríme, že informácie uvedené v tomto článku sú užitočné pre lepšie pochopenie tohto konceptu. Ďalej akékoľvek otázky týkajúce sa tohto článku alebo pomoc pri implementácii elektrické a elektronické projekty , môžete nás kontaktovať komentovaním v sekcii komentárov nižšie. Je tu pre vás otázka, aké sú aplikácie pulznej kódovej modulácie?
Fotografické úvery:
- Bloková schéma PCM slideplayer
- Systém modulácie pulzného kódu slidesharecdn
