Импульсно-кодовая модуляция

ИКМ или PCM – Pulse Code Modulation используется для оцифровки аналоговых сигналов. Практически все виды аналоговых данных (видео, голос, музыка, данные телеметрии, виртуальные миры) допускают применение ИКМ-модуляции.

Этот вид модуляции сводится к измерению амплитуды аналогового сигнала в моменты времени, отстоящие друг от друга на dt, и к кодированию этих амплитуд цифровым кодом. Величина dt определяется по теореме Котельникова: для неискаженной передачи нужно иметь не менее двух отсчетов на период колебаний, соответствующий высшей составляющей в частотном спектре сигнала, т.е. количество оцифрованных значений в секунду (или скорость оцифровки, частота дискретизации) должно быть не ниже 2-кратной максимальной частоте в спектре аналогового сигнала.

Мгновенное измеренное значение аналогового сигнала округляется до ближайшего уровня из нескольких заранее определенных значений. Этот процесс называется квантованием, а количество уровней всегда берется кратным степени двойки, например, 8, 16, 32 или 64. Номер уровня может быть соответственно представлен 3, 4, 5 или 6 битами. Таким образом, на выходе модулятора получается набор битов (0 или 1).

На приёмном конце канала связи демодулятор преобразует последовательность битов в импульсы собственным генератором с тем же уровнем квантования, который использовал модулятор. Далее эти импульсы используются для восстановления аналогового сигнала в ЦАП.

В цифровых каналах ISDN (Integrated Services Digital Network) за основу принята передача голоса с частотным диапазоном до 4 кГц, а кодирование производится восемью (или семью) битами. Отсюда получаем, что частота отсчетов (передачи байтов) равна 8 кГц, т.е. биты передаются с частотой 64 кГц (или 56 кГц при семибитовой кодировке).

Разновидностями ИКМ являются:

- дифференциальная (или дельта) импульсно-кодовая модуляция. ДИКМ кодирует сигнал в виде разности между текущим и предыдущим значением. Для звуковых данных такой тип модуляции уменьшает требуемое количество бит на отсчет примерно на 25%;

- адаптивная ДИКМ (АДИКМ) является разновидностью ДИКМ, которая изменяет уровень шага квантования, что позволяет еще больше уменьшить требования к полосе пропускания при заданном соотношении сигнала и шума.

В них передаются разности амплитуд А1 и А2 соседних отсчетов. При этом в ДИКМ А1 – амплитуда на входе модулятора, а А2 – амплитуда отсчета, которая соответствует переданному сигналу в предыдущем временном такте. Для представления разности используется всего 1 бит (т.е. передается знак разности), поэтому нужна достаточно высокая частота отсчетов, чтобы не было «запаздывания» изменений передаваемого сигнала по сравнению с реальными изменениями.

В АДИКМ шаги отсчетов адаптируются к динамике изменения величины сигнала.

Вывод: существует большое разнообразие видов модуляции.

I. Аналоговая модуляция:

1) Амплитудная модуляция:

- амплитудная модуляция с одной боковой полосой (однополосная АМ);

- балансная амплитудная модуляция - АМ с подавлением несущей.

2) Частотная модуляция.

3) Фазовая модуляция.

4) Квадратурная модуляция.

5) Сигнально-кодовая модуляция.

6) Сигма-дельта модуляция (∑Δ).

II. Цифровая модуляция (манипуляция):

1) Амплитудная манипуляция.

2) Фазовая манипуляция.

3) Частотная манипуляция.

4) Квадратурная амплитудная манипуляция.

5) Модуляция с расширением спектра.

III. Импульснаяй модуляция:

1) Амплитудно-импульсная модуляция.

2) Широтно-импульсная модуляция.

3) Частотно-импульсная модуляция.

4) Фазово-импульсная модуляция.

5) Импульсно-кодовая модуляция.