La modulazione e codifica a impulsi o PCM (in inglese : modulazione del codice a impulsi ), comunemente abbreviata in PCM, è una rappresentazione digitale di un segnale elettrico risultante da un processo di scansione . Il segnale viene prima campionato , quindi ogni campione viene quantizzato indipendentemente dagli altri campioni e ciascuno dei valori quantizzati viene convertito in un codice digitale. L'elaborazione indipendente di ogni campione implica che non c'è né crittografia né compressione dei dati .
I file di dati Raw MIC (PCM) si trovano soprattutto nelle applicazioni audio . Nelle telecomunicazioni ( PSTN o VoIP ) si tratta di flussi: i blocchi di campioni vengono trasmessi in coda, senza specificare né l'inizio né la fine. Nei sistemi stereofonici o multicanale, i blocchi campione corrispondenti a ciascun canale sono multiplexati . I file WAV , AIFF e BWF indicano nella propria intestazione il tipo di codifica dei dati . Molto spesso, il codice dell'impulso di modulazione dei dati audio sono frammenti ( blocchi ) multiplexati campione per campione.
La rappresentazione in modulazione di impulsi e la codifica di un segnale può essere scomposta in tre operazioni: campionamento, quantizzazione, codifica.
Il campionamento implica il prelievo di campioni da un segnale, di solito a intervalli di tempo regolari.
La frequenza di campionamento è definita come il reciproco del tempo tra due campioni successivi, quindi, la frequenza di campionamento corrisponde al numero di campioni prelevati ogni secondo.
Il teorema di campionamento di Nyquist-Shannon afferma che le frequenze di segnale maggiori della metà della frequenza di campionamento non possono essere ricostruite.
La quantizzazione converte un valore preso da un insieme continuo in un altro, corrispondente a un numero finito di intervalli di valori possibili.
Nelle applicazioni musicali e quando il segnale digitale deve essere elaborato , la quantizzazione è lineare . Non importa quanto siano fini gli intervalli, c'è sempre una differenza tra il valore analogico e il valore quantizzato. Quando questa differenza è maggiore del rumore di fondo , è correlata al segnale ed è percepita come una forma di distorsione . Per evitare ciò, il rumore viene aggiunto artificialmente al segnale, in un processo noto soprattutto con il suo nome inglese di dither .
Nella telefonia vengono generalmente utilizzate scale logaritmiche per ridurre la quantità di dati da trasmettere. La codifica predefinita su un DS0 è logaritmica a 8 bit a 8 kHz , PCM μ-law (Nord America, Giappone) o PCM a-law (Europa e gran parte del resto del mondo). Questi sistemi quantizzano il segnale secondo una curva logaritmica , ogni campione lineare di 13 o 14 bit essendo riquantizzato ad un valore di 8 bit. Questo sistema è descritto dallo standard internazionale G.711 , che è ancora oggi lo standard più utilizzato nella telefonia fissa .
La codifica abbina ogni intervallo sulla scala di quantizzazione a un codice univoco secondo un determinato insieme di regole.
Molto spesso, questo codice è un numero binario; sono di uso comune diversi tipi di codice binario, a seconda che il segnale sia considerato in relazione al valore estremo, senza segno, o al suo valore mediano, in positivo o in negativo, e in questo caso, o con un bit di segno , o in complemento a 2 n .
Sia per la trasmissione dei codici che per la loro registrazione magnetica o ottica è preferibile che non vi siano lunghe sequenze di 1 o 0.
La modulazione degli impulsi può essere trasmessa con la codifica Manchester , che evita periodi di livello costanti al costo di raddoppiare la frequenza. Con un po 'più di economia, la modulazione da 8 bit a 14 bit utilizzata nel compact disc garantisce che ci siano due, quattro, sei, otto o dieci zeri per blocco di quattordici bit che rappresenta ogni byte . Queste codifiche adatte per la registrazione o la trasmissione di dati possono essere facilmente ridotte a una tabella di valori binari.
Quando il costo dei circuiti è importante ed è prevedibile una diminuzione della qualità del suono, può risultare utile comprimere il segnale vocale. Vengono quindi utilizzati metodi basati sulla rilevazione delle correlazioni tra i campioni. I metodi più antichi, utilizzati nella telefonia, esaminano solo il livello del segnale.
Se la codifica considera più di un campione, non è più la modulazione del codice a impulsi (PCM).
Modulazione deltaLa modulazione differenziale (o delta) a codice di impulsi (DPCM), a differenza della modulazione LPCM lineare , codifica i valori PCM come differenze tra il valore corrente e il valore precedente. Per l'audio, questo tipo di codifica riduce il numero di bit richiesti di circa il 25% rispetto al PCM .
Modulazione del codice di impulso differenziale adattivoPer una maggiore riduzione, al costo di una maggiore elaborazione, viene utilizzato un algoritmo ADPCM per inserire una serie di 14 bit PCM lineari (o 8 µ o bit di legge A) in 4 bit ADPCM. Ciascuna sezione di segnale PCM viene trasmessa con un'intestazione che indica la tabella di corrispondenza da utilizzare. In questo modo, la capacità della linea è quasi raddoppiata. Lo standard G.726 descrive i dettagli del processo. Successivamente, quando si è scoperto che i rapporti di compressione potevano essere ulteriormente aumentati, sono stati pubblicati standard aggiuntivi.
Alcune delle tecniche ADPCM vengono utilizzate nelle comunicazioni VoIP ( Voice over Internet Protocol) .
Multi rate adattivoIn telefonia mobile , i codec a compressione ( AMR o AMR-WB vengono utilizzati). Non è presente alcun flusso PCM / PCM tra i dispositivi.
La modulazione a impulsi può utilizzare la codifica RZ (ritorno a zero) o la codifica NRZ (non ritorno a zero). Affinché un sistema NRZ possa essere sincronizzato, utilizzando solo le informazioni trasmesse, non devono esserci lunghe sequenze di simboli identici, come lunghe sequenze di 1 o 0. Per i sistemi binari PCM, la densità di 1 è un criterio importante (unità -densità in inglese).
Questa densità è spesso controllata utilizzando tecniche di pre-codifica come la codifica RLL ( Run Length Limited ). Il codice PCM viene esteso a un codice leggermente più lungo garantendo una limitazione del numero di 1 prima che il segnale venga modulato e inviato al canale di trasmissione. In altri casi, vengono aggiunti bit aggiuntivi (sincronizzazione) al flusso, il che garantisce che vi siano almeno alcune transizioni tra i simboli.
Un'altra tecnica utilizzata per controllare la densità di 1 è l'uso di un polinomio di rimescolamento. Ciò tende a trasformare i dati grezzi in un flusso pseudo-casuale. Tuttavia, il flusso iniziale può essere completamente ripristinato invertendo l'effetto del polinomio. Quando si utilizza questa tecnica, possono ancora esistere lunghe serie di 1 o 0, ma sono considerate abbastanza improbabili da essere trascurate o per lo meno tollerate.
Può accadere che la componente DC del segnale modulato (corrente continua o corrente media) non sia zero. Poiché questa componente in corrente continua rischia di polarizzare i circuiti di un rivelatore al di fuori del suo campo di funzionamento, vengono prese speciali misure di compensazione in tempo reale ed i codici emessi vengono modificati se necessario per far tendere la tensione media allo zero se necessario.
Molti di questi codici sono codici bipolari, in cui gli impulsi possono essere positivi, negativi o zero. Tipicamente, impulsi diversi da zero si alternano tra tensioni positive e negative. Tuttavia, queste regole possono essere violate per produrre simboli speciali usati per la sincronizzazione o altri scopi speciali.
Alec Harley Reeves ha depositato il primo brevetto per questa tecnologia a Parigi nel 1937. Ha campionato il segnale telefonico a 6 kHz su 5 bit. La prima trasmissione del parlato da MIC è stata effettuata con l' apparecchiatura di codifica vocale SIGSALY utilizzata per comunicazioni alleate di alto livello durante la seconda guerra mondiale.
La prima implementazione della modulazione del codice a impulsi per il telefono risale al 1962 negli Stati Uniti, dopo il passaggio dal tubo elettronico al transistor.