В чем заключается импульсно кодовая модуляция
Импульсно-кодовая модуляция.
В этом способе модуляции аналоговый сигнал кодируется сериями импульсов в дискретном потоке. Эта модуляция является основным видом преобразования аналогового сигнала в цифровой и обратно (при модуляции), осуществляемого устройствами АЦП и ЦАП.
При импульсно-кодовой модуляции (ИКМ) осуществляется дискретизация передаваемого сигнала во времени. Сформированные при дискретизации отсчеты преобразуются в группы кодовых сигналов. В каждой группе содержится одинаковое число символов, каждый символ – разряд в группе. Если каждый символ группы может принимать любое из r значений <1, 2, 3, … r-1,0>, а кодовая группа содержит n символов (разрядов), то можно сформировать r n различных кодовых групп, где r – основание кода, n – число разрядов. На практике r = 2, а разрядность определяется диапазоном двоичных чисел.
Аналоговые сигналы на входе цифровой системы передачи непрерывно принимают произвольные значения в пределах заданного (известного) амплитудного диапазона. Используя n-разрядные кодовые группы, можно зафиксировать и передать информацию не более, чем о r n различных значениях сигнала. Поэтому дискретный сигнал должен быть квантован по уровню для передачи, а затем только значение этого уровня может быть передано в виде кода. Таким образом, при ИКМ осуществляются три вида преобразований: дискретизация во времени исходного сигнала, квантование амплитуд дискретных отсчетов и кодирование, т.е. собственно формирование кодовых групп. Структура ИКМ представляется так (рис. 4.5):
Рис.4.5. Технологические операции в ИКМ
Временная диаграмма первого этапа очень походит на прямоугольную аппроксимацию площади под кривой при определении интеграла. Интервал дискретизации устанавливается по критерию Найквиста. При полосе пропускания канала w частота дискретизации υ ≥ 2w гарантирует сохранение всей информации, содержащейся в аналоговом сигнале. Диаграмма всех этапов кодирования – на рис. 4.6.
Закон, устанавливающий соответствие между величиной уровня квантования (или, что то же, его номером) и структурой кодовой группы, называется кодом. Код может быть задан как аналитически, так и в виде кодовой таблицы. Наибольшее распространение получили равномерные двоичные коды. В них каждая кодовая группа состоит из постоянного числа кодовых символов, каждый из которых может принимать значение “0” (пробел) или “1” (импульс).
В натуральном двоичном коде группы соответствуют двоичной записи номера уровня квантования. Кодовая таблица имеет вид а.
В натуральном двоичном коде кодовые группы, соответствующие соседним уровням квантования, могут различаться в большом числе разрядов. Особенно велико это различие в центре амплитудного диапазона. Например, при переходе от 7-го к 8-му уровню квантования изменяются все символы кодовой группы. Колебания величины отсчета (дискретизации) во время кодирования могут вызывать переход от одного уровня квантования к другому. При этом могут возникать ошибки кодирования.
При передаче двуполярных аналоговых сигналов типа речевых преобразование в центре амплитудного диапазона должно выполняться с наибольшей точностью. Поэтому при кодировании таких сигналов используются симметричные двоичные коды, в которых символ старшего разряда кодовой группы определяется полярностью передаваемого отсчета, а символы остальных разрядов определяют величину отсчета как показано на кодовой таблице б. Здесь при кодировании малых значений сигнала используются лишь младшие разряды кода, что снижает ошибки преобразования в центральной зоне размаха амплитуды, так как соотношение между “весами” младших разрядов кода могут поддерживаться с большей точностью, нежели соотношения между “весами” всех разрядов кодовой группы. При использовании кода, соответствующего табл. б, входные сигналы или шумы, величина которых меньше половины шага квантования, не передаются на выход кодера – мертвая зона.
В цифровых системах передачи широкополосных сигналов используется рефлексный двоичный код – код Грея, представленный таблицей в. В этом коде группы, соответствующие соседним уровням, во всем диапазоне изменения отличаются лишь одним разрядом. Использование кода Грея позволяет значительно снизить искажения из-за ошибок кодирования, которые моментально выявляются. Достаточно, чтобы соседние уровни отличались более, чем в одном разряде.
Дата добавления: 2016-03-22 ; просмотров: 6121 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Импульсно-кодовая модуляция, использующая закон мю и А
1 Общие сведения
Импульсно-кодовая модуляция (ИКМ) позволяет представить непрерывный аналоговый сигнал в форме последовательности равноотстоящих друг от друга импульсов (дискретизация по времени), амплитуда которых представлена двоичным кодом (квантование по уровню). Подобное преобразование позволяет существенно повысить надежность передачи и хранения сигнала.
Зачем же необходимо сжимать аудиоданные? Существует две причины, обуславливающие необходимость компрессии/декомпрессии аудиоданных: экономия памяти при хранении аудиоинформации (для высококачественного воспроизведения необходимо выполнять дискретизацию сигнала на большой частоте и с большой разрядной сеткой (32 бит), что приводит к большим размерам аудиофайлов), низкая пропускная способность каналов передачи цифровой информации на расстояние. Применение компрессии/декомпрессии эффективно решает обе вышеуказанные проблемы.
Амплитудно-импульсная модуляция, при которой аналоговый сигнал дискретизируется по времени, но его амплитуда передается в аналоговой форме, уже давно и успешно используется в телефонии в тех случаях, когда ширина полосы пропускания канала намного превосходит полосу частот сигнала. Поскольку эти импульсы имеют малую длительность, в промежутках между соседними импульсами одного сигнала можно передавать импульсы другого сигнала, что приводит к существенному увеличению пропускной способности канала. Число одновременно передаваемых сигналов ограничивается требованием исключения взаимного влияния сигналов и частотным диапазоном входного сигнала, поскольку, согласно теореме Котельникова, для точного восстановления входного сигнала необходимо, чтобы частота дискретизации как минимум в два раза превышала его частотный диапазон.
Квантование амплитуды по уровням и последующая передача цифрового кода, соответствующего данному уровню, повышает надёжность передачи информации, исключается возможность искажения сигнала при передачи. В случае аналоговой передачи этого добиться невозможно, поскольку в канале всегда присутствует аддитивный шум, а спектр передаваемого сигнала искажается передаточной функцией канала.
В процессе преобразования аналоговой величины в цифровую и обратно возникают специфические шумы квантования, связанные с ограниченностью разрядной сетки. Это связано с тем, что аналоговый сигнал принципиально имеет бесконечную точность представления, а цифровой сигнал ограниченную точность, поэтому при преобразовании неизбежно возникает ошибка. Если сигнал имеет большую амплитуду, и можно исключить влияние его значений на величину ошибки квантования, то ошибку можно рассматривать как случайную величину с нулевым математическим ожиданием, имеющей равномерное распределение в интервале, ширина которого равна шагу квантования (величине, соответствующей младшему разряду кода).
2 Сжатие отдельных отсчетов
Любое сжатие информации приводит к ухудшению ее качества. Однако в процессе эволюции человеческий слух научился адаптироваться к некоторым видам помех, не замечая их присутствия в принимаемой аудиоинформации. Прежде всего, следует заметить, что слух имеет логарифмическую чувствительность, то есть воспринимаемый уровень шума зависит от общего уровня сигнала.
Применение логарифмического преобразования сигнала приводит к необходимости создания достаточно сложных и медленных вычислительных устройств. Поэтому в МККТТ при разработке рекомендации G.711 был использован подход, во многом напоминающий преобразование чисел в формате с плавающей запятой. В этом случае для представления числа отводится 3 поля: поле знака, поле мантиссы и поле порядка. В поле порядка содержится степень, в которую следует возвести число 2, чтобы при умножении результата этой операции на мантиссу получить истинное значение данного числа в формате с фиксированной запятой.
В рекомендации МККТТ законы мю и А заданы в виде таблицы, однако во многих случаях к оперативной памяти предъявляется больше требований, чем к быстродействию, кроме того алгоритм, всегда позволит построить первоначальную таблицу, согласно рекомендации G.711.
2.1 Импульсно-кодовая модуляция, использующая закон мю
Алгоритм рекомендован для преобразования 14 разрядных отсчетов со знаком в байт, имеющий 3 поля: знак, порядок и мантисса.
Так как согласно стандартам IBM PC работает с 16 битным способом дискретизации звука, а не с 14 битным, то алгоритм закона мю немножко изменится. Алгоритм сжатия предназначен для выделения из 16 битного отсчета всех трех полей байта (см. рисунок 1).
2.2 Импульсно-кодовая модуляция, использующая закон А
Кодирование по закону А во многом аналогично кодированию по закону мю, однако в данном случае исходная информация представляется в формате 13 битного числа со знаком (в нашем случае используется 16 битовое число со знаком, что несколько изменяет алгоритм рекомендации G.711). При кодировании не используется смещение и при передаче инвертируются только четные биты кода.
Кодирование исходного 16 битного отсчета по закону А осуществляется следующим образом. Как и в алгоритме закона мю, первой операцией преобразования является получение абсолютной величины отсчета исходного формата. После этого проверяется, имеет ли полученная величина достаточно большое значение, чтобы обеспечить единичное значение мантиссы при данной разрядности порядка (три разряда). Дело в том, что в алгоритме закона А не гарантировано единичное значение старшего разряда мантиссы, и для мантиссы с нулевым старшим разрядом применяется свой алгоритм кодирования и декодирования: мантисса получается простым сдвигом на 4 разряда (в случае использования исходного формата 16-разрядного числа со знаком) без дальнейшего преобразования, этой мантиссе соответствует нулевое значение порядка. Если при кодировании единичное значение старшего разряда мантиссы не может быть обеспечено, то исходная величина просто сдвигается влево на 4 разряда (для 16 битного исходного формата), что эквивалентно заданию нулевого значения порядка в отведенных ему битах. Если единичное значение мантиссы может быть обеспечено, то старший разряд не передается, а следующие за ним разряды записываются в младшие четыре разряда байта кода (см. рис. 1), а в три младшие разряда старшей тетрады записывается порядок. В старший разряд этой тетрады всегда записывается знак числа. Для повышения помехоустойчивости кода при его передаче значения его четных разрядов инвертируются.
Декодирование полученного по закону А байта осуществляется по следующему алгоритму. Сначала в байте инвертируются четные разряды, Затем из полученного кода выделяется мантисса и порядок, но, если выделение порядка ничем не отличается от подобной операции в алгоритме закона мю, то выделение мантиссы имеет свои особенности, связанные с тем, что старший разряд мантиссы может принимать нулевое значение. Если старший разряд мантиссы имеет единичное значение, то оно, как и в случае закона мю, не передается, а восстанавливается на приемном конце. В данном алгоритме не применяется коррекция округления, поэтому к мантиссе прибавляется смещение 32, а не 33, как в случае закона мю. После восстановления мантиссы она сдвигается в соответствии со значениями порядка. Если старший разряд мантиссы равен 0, то этой мантиссе соответствует нулевое значение порядка, и она получается сдвигом на 4 разряда. Поскольку в алгоритме закона А не используется смещение, то для получение отрицательного числа выполняется простая инверсия его абсолютной величины, знак числа хранится в старшем разряде передаваемого байта.
3 Обзор прочих методов сжатия аудиоданных
При кодировании аудиоинформации по закону мю или закону А все отсчеты входной последовательности кодируются независимо, а компрессия достигается за счет свойств слуха. Это кодирование может быть применено для любых сигналов, в том числе и музыкальных, без заметной потери качества. Однако такое кодирование не может обеспечить значительной компрессии сигнала, поскольку не учитывает его свойства. Известно, например, что речевой сигнал является низкочастотным, и начиная с частоты около 500 Гц, его средний спектр спадает на 6 дБ на октаву. Поэтому существенной компрессии сигнала можно добиться, передавая не сам сигнал, а его приращения от отсчета к отсчету. На этом принципе основана дельта-модуляция.
Для повышения эффективности алгоритма применяют адаптивную дельта-модуляцию, в которой шаг приращения выбирается в зависимости от поведения кодируемого сигнала.
Существуют и более сложные алгоритмы, например, алгоритм адаптивной дифференциальной импульсно-кодовой модуляции (АДИКМ). Этот алгоритм использует адаптивный предсказатель значения входного отсчета и кодирует не сам входной сигнал, а ошибку его предсказания. Это позволило снизить количество бит, отводимых для кодирования одного отсчета до 4, что соответствует скорости передачи 32 кбит/с, без снижения качества передаваемой информации. Этот алгоритм был рекомендован МККТТ в рекомендации G.721[2] и идентичной ей рекомендации ANSI T1.301-1987.
В мобильной связи широко применяется алгоритм GSM, соответствующий рекомендации 06.10 Европейского Института Телекоммуникационных Стандартов. Этот кодек имеет достаточно сложную структуру, и он специально разрабатывался для цифровых процессоров обработки сигналов, выполняющих все операции в формате с фиксированной запятой.
Широкое распространение получил также алгоритм MPEG Layer 3 (MP3), позволяющий выполнить сжатие аудиоданных в формате ИКМ в 11 и более раз без существенного снижения качества.
доклад сделан на дне науки кафедры ПМИ ДонНТУ в апреле 2002 года
Импульсно-кодовая модуляция
| Технологии модуляции п ·Аналоговая модуляция |
|---|
| AM · SSB · ЧМ(FM) · ЛЧМ · ФМ(PM) · СКМ |
| Цифровая модуляция |
| АМн · ФМн · КАМ · ЧМн · GMSK OFDM · COFDM · TCM |
| Импульсная модуляция |
| АИМ · ДМ · ИКМ · ΣΔ · ШИМ · ЧИМ · ФИМ |
| Расширение спектра |
| FHSS · DSSS |
| См. также: Демодуляция |
Импульсно-кодовая модуляция (ИКМ, англ. Pulse Code Modulation, PCM ) используется для оцифровки аналоговых сигналов. Практически все виды аналоговых данных (видео, голос, музыка, данные телеметрии, виртуальные миры) допускают применение ИКМ.
Содержание
Модуляция
Чтобы получить на входе канала связи (передающий конец) ИКМ-сигнал из аналогового, мгновенное значение аналогового сигнала измеряется аналого-цифровым преобразователем (АЦП) через равные промежутки времени. Количество оцифрованных значений в секунду (или скорость оцифровки, частота дискретизации) должно быть не ниже 2-кратной максимальной частоты в спектре аналогового сигнала (по теореме Котельникова). Мгновенное измеренное значение аналогового сигнала округляется до ближайшего уровня из множества заранее определённых значений. Этот процесс называется квантованием. Количество уровней всегда берётся кратным степени двойки, например, 2 3 =8, 2 4 =16, 2 5 =32, 2 6 =64 и т.д. Номер уровня может быть соответственно представлен 3, 4, 5, 6 и т.д. битами. Таким образом, на выходе модулятора получается набор битов (0 и 1).
Демодуляция
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.
Разновидности
Практическое применение
См. также
 Методы сжатия | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Теория |
| ||||||
| Без потерь |
| ||||||
| Аудио |
| ||||||
| Изображения |
| ||||||
| Видео |
| ||||||
| Вещательные видеоформаты | |||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Телевидение | |||||||||||||
| Аналоговое |
| ||||||||||||
| Цифровое |
| ||||||||||||
| Digital cinema | |||||||||||||
| UHDV (2540p · 4320p) · DCI | |||||||||||||
| Технический выпуск | |||||||||||||
| 14:9 compromise · MPEG transport · Reverse Standards Conversion · Standards conversion · Video processing · Video on Demand · HDTV blur | |||||||||||||
Полезное
Смотреть что такое «Импульсно-кодовая модуляция» в других словарях:
Импульсно-кодовая модуляция — модуляция, в которой аналоговый сигнал кодируется сериями импульсов. Импульсно кодовая модуляция используется в устройствах кодирования декодирования, а также в телефонных сетях. По английски: Pulse code modulation Синонимы английские: PCM См.… … Финансовый словарь
импульсно-кодовая модуляция — ИКМ Способ кодирования аналогового сигнала (например речи) для передачи его в форме цифрового потока (в телефонии с полосой 64 Кбит/с). [http://www.lexikon.ru/dict/net/index.html] Тематики сети вычислительные Синонимы ИКМ EN pulse code… … Справочник технического переводчика
импульсно-кодовая модуляция — kodinis impulsinis moduliavimas statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. pulse code modulation vok. Pulskodemodulation, f rus. импульсно кодовая модуляция, f; кодово импульсная модуляция, f pranc. modulation par impulsions codées, f;… … Automatikos terminų žodynas
импульсно-кодовая модуляция с блочным компандированием — — [Л.Г.Суменко. Англо русский словарь по информационным технологиям. М.: ГП ЦНИИС, 2003.] Тематики информационные технологии в целом EN block companded pulse code modulation … Справочник технического переводчика
импульсно-кодовая модуляция с логарифмическим компандированием — — [Л.Г.Суменко. Англо русский словарь по информационным технологиям. М.: ГП ЦНИИС, 2003.] Тематики информационные технологии в целом EN logarithmic companded pulse code modulation … Справочник технического переводчика
импульсно-кодовая модуляция со взвешиванием — — [Л.Г.Суменко. Англо русский словарь по информационным технологиям. М.: ГП ЦНИИС, 2003.] Тематики информационные технологии в целом EN weighted pulse code modulation … Справочник технического переводчика
Импульсно-кодовая модуляция сигнала электросвязи — 22. Импульсно кодовая модуляция сигнала электросвязи Импульсно кодовая модуляция (ИКМ) Ндп. Кодо импульсная модуляция Pulse code modulation (PCM) Источник: ГОСТ 22670 77: Сеть связи цифровая интегральная. Термины и определения … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Импульсно-кодовая модуляция сигнала электросвязи — 1. Преобразование сигнала электросвязи, при котором сигнал электросвязи дискретизацией, квантованием отсчетов этого сигнала и их кодированием преобразуется в цифровой сигнал электросвязи Употребляется в документе: ГОСТ 22670 77 Сеть связи… … Телекоммуникационный словарь
Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция — Технологии модуляции п·Аналоговая модуляция AM · SSB · ЧМ(FM) · ЛЧМ · ФМ(PM) · СКМ Цифровая модуляция АМн … Википедия
дифференциальная импульсно-кодовая модуляция сигнала электросвязи — Импульсно кодовая модуляция сигнала электросвязи, при которой в цифровой сигнал преобразуется разность между текущими и предсказанными значениями сигнала электросвязи. [ГОСТ 22670 77] Тематики сети передачи данных Синонимы ДИКМдифференциальная… … Справочник технического переводчика