Puls-Code-Modulation - Wikipedia

Puls-Code-Modulation

Dateinamenerweiterung	.L16, .WAV, .AIFF, .AU, .PCM [1]
Internet-Medientyp	Audio / L16, Audio / L8, [2] Audio / L20, Audio / L24 [3][4]
Typcode	"AIFF" für L16, [1] keine [3]
Magiezahl	variiert
Art des Formats	unkomprimiertes Audio
Enthalten von [19659008] Audio-CD, AES3, WAV, AIFF, AU, M2TS, VOB und viele andere
die von	PCM

Pulse-Code-Modulation ( PCM ) erweitert wurde Verfahren zur digitalen Darstellung abgetasteter analoger Signale. Es ist die Standardform von digitalem Audio in Computern, Compact Discs, digitaler Telefonie und anderen digitalen Audioanwendungen. In einem PCM-Strom wird die Amplitude des Analogsignals regelmäßig in gleichmäßigen Intervallen abgetastet, und jeder Abtastwert wird innerhalb eines Bereichs digitaler Schritte auf den nächsten Wert quantisiert.

Lineare Impulscodemodulation ( LPCM ) ist eine spezifische Art von PCM, bei der die Quantisierungsniveaus linear einheitlich sind. ^[5] Dies steht im Gegensatz zu PCM-Kodierungen, bei denen die Quantisierungsniveaus a variieren Funktion der Amplitude (wie beim A-Law-Algorithmus oder dem μ-Law-Algorithmus). Obwohl PCM ein allgemeinerer Begriff ist, wird er häufig verwendet, um als LPCM codierte Daten zu beschreiben.

Ein PCM-Stream hat zwei grundlegende Eigenschaften, die die Genauigkeit des Streams zum ursprünglichen analogen Signal bestimmen: Die Abtastrate, dh die Anzahl der Abtastungen pro Sekunde. und die Bittiefe, die die Anzahl möglicher digitaler Werte bestimmt, die zur Darstellung jedes Samples verwendet werden können.

Geschichte [ edit ]

Frühe elektrische Kommunikationen begannen, Signale zu probieren, um Samples aus mehreren Telegrafiequellen zu multiplexen und über ein einziges Telegraphenkabel zu übertragen. Der amerikanische Erfinder Moses G. Farmer beförderte bereits 1853 das Telegraph Time Division Multiplexing (TDM). Der Elektroingenieur W. M. Miner verwendete 1903 einen elektromechanischen Kommutator zum Zeitmultiplexen mehrerer Telegraphensignale; er hat diese technologie auch auf die telefonie angewendet. Er erhielt verständliche Sprache aus Kanälen, die mit einer Frequenz von über 3500–4300 Hz abgetastet wurden. niedrigere Sätze erwiesen sich als unbefriedigend.

Im Jahr 1920 verwendete das Bartlane-Kabelbildübertragungssystem Telegraphensignale von Zeichen, die in Papierstreifen gestanzt waren, um auf fünf Ebenen quantisierte Abtastwerte von Bildern zu senden. ^[6] Im Jahr 1926 patentierte Paul M. Rainey von Western Electric ein Faxgerät, das sendete Das Signal wird mit einem 5-Bit-PCM-Signal übertragen, das von einem opto-mechanischen Analog-Digital-Wandler codiert wird. ^[7] Die Maschine ging nicht in Produktion. ^[8]

Britischer Ingenieur Alec Reeves, nicht bekannt 1937 konzipierte er die Verwendung von PCM für die Sprachkommunikation, während er für International Telephone and Telegraph in Frankreich arbeitete. Er beschrieb die Theorie und die Vorteile, aber es ergab sich keine praktische Anwendung. Reeves meldete 1938 ein französisches Patent an, und sein US-Patent wurde 1943 erteilt. ^[9] Zu dieser Zeit hatte Reeves seine Arbeit am Telecommunications Research Establishment aufgenommen. ^[8]

Die erste Übertragung von Sprache durch digitale Techniken, die SIGSALY-Verschlüsselungsausrüstung, vermittelte die Kommunikation der Alliierten während des Zweiten Weltkriegs. 1943 wurde den Bell Labs-Forschern, die das SIGSALY-System entwickelten, die Verwendung der binären PCM-Codierung bekannt, wie sie bereits von Reeves vorgeschlagen wurde. Für das DATAR-System der kanadischen Marine baute Ferranti Canada 1949 ein funktionsfähiges PCM-Funksystem, mit dem digitalisierte Radardaten über große Entfernungen übertragen werden konnten. ^[10]

PCM in den späten 1940er und frühen 1950er Jahren verwendeten eine Kathodenstrahl-Kodierröhre mit einer Plattenelektrode mit kodierenden Perforationen. ^[11] Wie bei einem Oszilloskop wurde der Strahl horizontal mit der Abtastrate gewobbelt, während die vertikale Ablenkung durch das analoge Eingangssignal gesteuert wurde, wodurch der Strahl durchgelassen wurde höhere oder niedrigere Abschnitte der Lochplatte. Die Platte sammelte den Strahl oder führte ihn durch, wodurch Bit für Bit Stromschwankungen im Binärcode hervorgerufen wurde. Das Gitter von Goodalls späterer Röhre wurde anstelle eines natürlichen Binärfeldes perforiert, um einen störungsfreien Gray-Code zu erzeugen, und alle Bits gleichzeitig unter Verwendung eines Fächerstrahls anstelle eines Abtaststrahls erzeugt. ^[12]

In den Vereinigten Staaten hat die National Inventors Hall of Fame Bernard M. Oliver ^[13] und Claude Shannon ^[14] als Erfinder von PCM geehrt, ^[15] wie in "Kommunikationssystem unter Verwendung von Pulscodemodulation", beschrieben. UNS Patent Nr. 2,801,281 eingereicht 1946 und 1952, erteilt 1956. Ein anderes Patent mit demselben Titel wurde von John R. Pierce im Jahr 1945 eingereicht und 1948 ausgegeben: US. Patent 2,437,707 . Die drei von ihnen veröffentlichten "The Philosophy of PCM" im Jahr 1948. ^[16]

Das 1961 eingeführte T-Carrier-System verwendet zwei verdrillte Übertragungsleitungen, um 24 PCM-Telefonanrufe durchzuführen bei 8 kHz und 8 Bit Auflösung. Diese Entwicklung verbesserte die Kapazität und die Anrufqualität im Vergleich zu den bisherigen Frequenzmultiplexschemata.

1967 wurde der erste PCM-Recorder von NHKs Forschungseinrichtungen in Japan entwickelt. ^[17] Das 30-kHz-12-Bit-Gerät verwendete einen Compander (ähnlich der DBX-Rauschunterdrückung), um den dynamischen Bereich zu vergrößern, und speicherte die Signale weiter ein Videorecorder. Im Jahr 1969 erweiterte NHK die Fähigkeiten des Systems auf 2-Kanal-Stereo und 32-kHz-Auflösung von 13 Bit. Im Januar 1971 nahmen die Ingenieure von Denon mit dem PCM-Aufnahmesystem von NHK die ersten kommerziellen digitalen Aufnahmen auf. ^{[194592] [194592]}

. 1972 enthüllte Denon die ersten 8- DN-023R, der mit einem 4-Kopf-Broadband-Videorecorder mit offener Bandspule aufgenommen wurde, um in 13,3-Bit-PCM-Audio mit 47,25 kHz aufzunehmen. ^{[note 2]} 1977 entwickelte Denon das tragbare PCM-Aufnahmesystem DN-023R. 034R. Wie der DN-023R zeichnete er 8 Kanäle bei 47,25 kHz auf, verwendete jedoch 14 Bits "mit Betonung, was 15,5 Bits entspricht." ^[17]

1973 adaptiver Differentialpuls -code Modulation (ADPCM) wurde von P. Cummiskey, Nikil Jayant und James L. Flanagan entwickelt. ^[18]

Die Compact Disc (CD) brachte PCM mit seiner Einführung in Consumer-Anwendungen 1982. Die CD verwendet eine Abtastfrequenz von 44.100 Hz und eine Auflösung von 16 Bit und speichert bis zu 80 Minuten Stereo-Audio pro Disc.

Implementierungen [ edit ]

PCM ist das Codierungsverfahren, das typischerweise für unkomprimiertes digitales Audio verwendet wird. ^{[note 3]}

• Die 4ESS-Switches führten 1976 die zeitliche Aufteilung in das US-Telefonsystem ein ^[19]
• LPCM wird für die verlustfreie Kodierung von Audiodaten im Compact Disc Red Book-Standard (informell auch als Audio-CD ), 1982 eingeführt, verwendet. [19659049] AES3 (1985 spezifiziert, auf dem S / PDIF basiert) ist ein spezielles Format, das LPCM verwendet.
• LaserDiscs mit digitalem Sound haben einen LPCM-Track auf dem digitalen Kanal.
• Auf PCs beziehen sich PCM und LPCM häufig auf das Format, das in WAV (definiert 1991) und AIFF-Audio-Containerformaten (definiert 1988) verwendet wird. LPCM-Daten können auch in anderen Formaten gespeichert werden, z. B. AU, unformatiertes Audioformat (Header-less-Datei) und verschiedene Multimedia-Containerformate.
• LPCM wurde als Teil der DVD (seit 1995) und Blu-ray ( seit 2006). ^[20][21][22] Es wird auch als Teil verschiedener digitaler Video- und Audiospeicherformate definiert (z. B. DV seit 1995, ^[23] AVCHD seit 2006 ^[24]).
• LPCM wird von HDMI (definiert 2002) eine digitale Audio / Video-Schnittstelle mit einem Kabel zum Übertragen unkomprimierter digitaler Daten.
• Das RF64-Containerformat (definiert in 2007) verwendet LPCM und ermöglicht auch die Speicherung von Nicht-PCM-Bitstreams: verschiedene Komprimierungsformate in der RF64-Datei als Datenbursts (Dolby E, Dolby AC3, DTS, MPEG-1 / MPEG-2 Audio) können als PCM linear "getarnt" werden. ^[25]

Modulation [ edit

Sampling und Quantisierung eines Signals (rot) für 4-Bit-LPCM

In dem Diagramm wird eine Sinuswelle (rote Kurve) für PCM abgetastet und quantisiert. Die Sinuswelle wird in regelmäßigen Abständen abgetastet, dargestellt als vertikale Linien. Für jede Probe wird einer der verfügbaren Werte (auf der Y-Achse) ausgewählt. Der PCM-Prozess wird üblicherweise in einer einzigen integrierten Schaltung implementiert, die als Analog-Digital-Wandler (ADC) bezeichnet wird. Dies erzeugt eine vollständig diskrete Darstellung des Eingangssignals (blaue Punkte), die leicht als digitale Daten zur Speicherung oder Manipulation kodiert werden kann. Mehrere PCM-Ströme könnten auch in einen größeren aggregierten Datenstrom gemultiplext werden, im Allgemeinen zur Übertragung mehrerer Ströme über eine einzige physikalische Verbindung. Eine Technik wird als Time-Division-Multiplexing (TDM) bezeichnet und wird insbesondere im modernen öffentlichen Telefonsystem weit verbreitet.

Demodulation [ edit ]

Die Elektronik, die an der Erzeugung eines genauen Analogsignals aus den diskreten Daten beteiligt ist, ähnelt denjenigen, die zum Erzeugen des Digitalsignals verwendet werden. Diese Geräte sind Digital-Analog-Wandler (DACs). Sie erzeugen eine Spannung oder einen Strom (je nach Typ), der den an ihren Digitaleingängen angezeigten Wert darstellt. Diese Ausgabe würde dann im Allgemeinen zur Verwendung gefiltert und verstärkt.

Um das ursprüngliche Signal aus den abgetasteten Daten wiederherzustellen, kann ein Demodulator das Verfahren der Modulation in umgekehrter Weise anwenden. Nach jeder Abtastperiode liest der Demodulator den nächsten Wert und überträgt das Ausgangssignal auf den neuen Wert. Durch diese Übergänge gewinnt das Signal aufgrund von Aliasing-Effekten eine signifikante Menge an Hochfrequenzenergie. Um diese unerwünschten Frequenzen zu entfernen, leitet der Demodulator das Signal durch ein Rekonstruktionsfilter, das Energie außerhalb des erwarteten Frequenzbereichs (größer als die Nyquist-Frequenz) unterdrückt ${\displaystyle f_s/2}$). ^{[note 4]}

Standardpräzisionsgenauigkeit und -raten [ edit ]

Übliche Probentiefen für LPCM sind 8, 16, 20 oder 24 Bits pro Sample. ^[1]

[26]

LPCM-Kodierungen ein einzelner Tonkanal. Die Unterstützung für Mehrkanal-Audio hängt vom Dateiformat ab und hängt von der Synchronisation mehrerer LPCM-Streams ab. ^[5][27] Während zwei Kanäle (Stereo) das gebräuchlichste Format sind, können Systeme bis zu 8 Audiokanäle (7.1 Surround) ^[2][3] oder mehr unterstützen.

Übliche Abtastfrequenzen sind 48 kHz bei Videos im DVD-Format oder 44,1 kHz bei Compact Discs. Abtastfrequenzen von 96 kHz oder 192 kHz können auf einigen Geräten verwendet werden, die Vorteile wurden jedoch diskutiert. ^[28]

Einschränkungen [ edit ]

Das Nyquist-Shannon-Abtasttheorem zeigt PCM-Geräte kann ohne Verzerrungen in ihren Frequenzbändern arbeiten, wenn sie eine Abtastfrequenz bereitstellen, die mindestens doppelt so hoch ist wie die höchste im Eingangssignal enthaltene Frequenz. In der Telefonie liegt das nutzbare Sprachfrequenzband beispielsweise im Bereich von ungefähr 300 Hz bis 3400 Hz. Für eine effektive Rekonstruktion des Sprachsignals verwenden Telefonanwendungen daher typischerweise eine Abtastfrequenz von 8000 Hz, die mehr als das Doppelte der höchsten nutzbaren Sprachfrequenz ist.

Unabhängig davon gibt es in jedem PCM-System potentielle Ursachen für eine Beeinträchtigung:

• Die Wahl eines diskreten Wertes, der nahe, aber nicht genau auf dem analogen Signalpegel für jede Probe liegt, führt zu einem Quantisierungsfehler. ^{[note 5]}
• Zwischen den Proben wird keine Messung des Signals gemacht; das Abtasttheorem garantiert eine eindeutige Darstellung und Wiederherstellung des Signals nur, wenn es keine Energie bei der Frequenz hat f _s / 2 oder höher (die Hälfte der Abtastfrequenz, als Nyquist-Frequenz bekannt); Höhere Frequenzen werden nicht richtig dargestellt oder wiederhergestellt und fügen dem Signal unterhalb der Nyquist-Frequenz Aliasing-Verzerrung hinzu.
• Da die Samples zeitabhängig sind, ist für eine genaue Wiedergabe ein genauer Taktgeber erforderlich. Wenn der Codierungs- oder Decodierungstakt nicht stabil ist, wirken sich diese Unvollkommenheiten direkt auf die Ausgabequalität des Geräts aus. ^{[note 6]}

Digitalisierung als Teil des PCM-Prozesses [ edit ]

In herkömmlicher Form PCM kann das analoge Signal verarbeitet werden (z. B. durch Amplitudenkompression), bevor es digitalisiert wird. Sobald das Signal digitalisiert ist, wird das PCM-Signal üblicherweise einer weiteren Verarbeitung (z. B. einer Komprimierung digitaler Daten) unterzogen.

PCM mit linearer Quantisierung ist als Linear PCM (LPCM) bekannt. ^[29]

Einige Formen von PCM kombinieren Signalverarbeitung mit Codierung. Ältere Versionen dieser Systeme verwendeten die Verarbeitung im analogen Bereich als Teil des Analog-Digital-Prozesses. neuere Implementierungen im digitalen Bereich. Diese einfachen Techniken wurden durch moderne, auf Transformationen basierende Audiokomprimierungstechniken weitgehend überflüssig.

• DPCM kodiert die PCM-Werte als Unterschiede zwischen dem aktuellen und dem vorhergesagten Wert. Ein Algorithmus sagt den nächsten Abtastwert basierend auf den vorherigen Abtastwerten voraus und der Kodierer speichert nur die Differenz zwischen dieser Vorhersage und dem tatsächlichen Wert. Wenn die Vorhersage angemessen ist, können weniger Bits verwendet werden, um dieselbe Information darzustellen. Bei Audiodaten reduziert diese Art der Codierung die Anzahl der pro Sample benötigten Bits im Vergleich zu PCM um etwa 25%.
• Adaptive DPCM (ADPCM) ist eine Variante von DPCM, die die Größe des Quantisierungsschrittes variiert, um eine weitere Reduzierung zu ermöglichen die erforderliche Bandbreite für ein gegebenes Signal-Rausch-Verhältnis.
• Die Delta-Modulation ist eine Form von DPCM, die ein Bit pro Sample verwendet.

In der Telefonie wird ein Standard-Audiosignal für einen einzelnen Telefonanruf als 8.000 Analog kodiert Abtastungen pro Sekunde von jeweils 8 Bits, was ein digitales Signal mit 64 kbit / s ergibt, das als DS0 bekannt ist. Die standardmäßige Signalkomprimierungskodierung auf einem DS0 ist entweder μ-law (M-law) PCM (Nordamerika und Japan) oder A-law PCM (Europa und der größte Teil der Welt). Hierbei handelt es sich um logarithmische Kompressionssysteme, bei denen eine lineare 12- oder 13-Bit-PCM-Abtastnummer auf einen 8-Bit-Wert abgebildet wird. Dieses System wird durch den internationalen Standard G.711 beschrieben. Ein alternativer Vorschlag für eine Fließkommadarstellung mit 5-Bit-Mantisse und 3-Bit-Exponent wurde aufgegeben.

Bei hohen Schaltungskosten und akzeptablem Verlust an Sprachqualität ist es manchmal sinnvoll, das Sprachsignal noch weiter zu komprimieren. Ein ADPCM-Algorithmus wird verwendet, um eine Reihe von 8-Bit-µ-Law- oder A-Law-PCM-Abtastwerten in eine Reihe von 4-Bit-ADPCM-Abtastwerten abzubilden. Auf diese Weise wird die Kapazität der Leitung verdoppelt. Die Technik ist im G.726-Standard beschrieben.

Später stellte sich heraus, dass eine weitere Kompression möglich war und weitere Standards veröffentlicht wurden. Einige dieser internationalen Standards beschreiben Systeme und Ideen, die durch in Privatbesitz befindliche Patente geschützt sind. Daher erfordert die Verwendung dieser Standards Zahlungen an die Patentinhaber.

Einige ADPCM-Techniken werden in der Voice-over-IP-Kommunikation verwendet.

Kodierung für serielle Übertragung [ edit ]

PCM kann entweder ein Return-to-Zero (RZ) oder ein Non-Return-to-Zero (NRZ) sein. Damit ein NRZ-System unter Verwendung von Inband-Informationen synchronisiert werden kann, darf es keine langen Folgen identischer Symbole wie Einsen oder Nullen geben. Für binäre PCM-Systeme wird die Dichte von 1-Symbolen als one-density bezeichnet. ^[30]

Die Ones-Dichte wird häufig unter Verwendung von Vorcodierungstechniken, wie z. B. Run Length Limited-Codierung, gesteuert , wobei der PCM-Code vor der Modulation in den Kanal zu einem etwas längeren Code mit einer garantierten Ein-Dichte-Grenze erweitert wird. In anderen Fällen werden dem Frame zusätzliche Framing-Bits hinzugefügt, die zumindest gelegentliche Symbolübergänge gewährleisten.

Eine andere Technik, die zur Steuerung der Ein-Dichte verwendet wird, ist die Verwendung eines Scrambler-Polynoms für die Rohdaten, das dazu neigt, den Rohdatenstrom in einen Strom zu verwandeln, der pseudo-zufällig aussieht, bei dem der Rohstrom jedoch genau wiederhergestellt werden kann Umkehrung der Wirkung des Polynoms. In diesem Fall sind lange Läufe von Nullen oder Einsen am Ausgang noch möglich, es wird jedoch als unwahrscheinlich angesehen, dass sie innerhalb der normalen Engineering-Toleranz liegen.

In anderen Fällen ist der Langzeit-Gleichstromwert des modulierten Signals wichtig, da der Aufbau eines Gleichstromversatzes dazu neigt, Detektorschaltungen aus ihrem Betriebsbereich heraus vorzuspannen. In diesem Fall werden besondere Maßnahmen ergriffen, um den kumulativen DC-Offset zu zählen und die Codes ggf. zu ändern, damit der DC-Offset immer auf Null zurückgeht.

Viele dieser Codes sind bipolare Codes, bei denen die Impulse positiv, negativ oder nicht vorhanden sein können. Bei dem typischen Inversionscode für alternative Marken wechseln Impulse, die nicht Null sind, zwischen positiv und negativ. Diese Regeln können verletzt werden, um spezielle Symbole zu erzeugen, die zum Framing oder für andere spezielle Zwecke verwendet werden.

Nomenklatur [ edit ]

Das Wort impuls im Begriff pulscodemodulation bezieht sich auf die zu findenden "Impulse" in der Übertragungsleitung. Dies ist vielleicht eine natürliche Konsequenz dieser Technik, die sich neben zwei analogen Verfahren entwickelt hat, der Pulsweitenmodulation und der Pulspositionsmodulation, bei der die zu codierende Information durch diskrete Signalimpulse unterschiedlicher Breite bzw. Position dargestellt wird. ^{[[19659110] Zitat erforderlich} In dieser Hinsicht hat PCM wenig Ähnlichkeit mit diesen anderen Formen der Signalcodierung, außer dass alle im Zeitmultiplexing verwendet werden können und die Anzahl der PCM-Codes als elektrische Impulse dargestellt wird . Das Gerät, das die Codierungs- und Decodierungsfunktion in einer Telefon- oder anderen Schaltung ausführt, wird Codec genannt.

Siehe auch [ edit ]

1. ^ Zu den ersten Aufnahmen gehörten Uzu: Die Welt von Stomu Yamash'ta von Stomu Yamashta. 19659116] ^ Die erste Aufnahme mit diesem neuen System wurde vom 24. bis 26. April 1972 in Tokio aufgenommen.
2. ^ Es gibt andere Methoden wie die Pulsdichtemodulation, die auch auf Super Audio CD verwendet werden. [19659120] ^ Einige Systeme verwenden eine digitale Filterung, um einen Teil des Aliasing zu entfernen, wobei das Signal mit einer höheren Abtastrate von digital in analog umgewandelt wird, so dass der analoge Anti-Aliasing-Filter wesentlich einfacher ist. In einigen Systemen wird überhaupt keine explizite Filterung durchgeführt. Da es keinem System unmöglich ist, ein Signal mit unendlicher Bandbreite zu reproduzieren, kompensieren inhärente Verluste im System die Artefakte - oder das System erfordert einfach nicht viel Präzision.
3. ^ Quantisierungsfehler schwanken zwischen - q / 2 und q / 2. Im Idealfall (mit einem vollständig linearen ADC) ist er gleichmäßig über dieses Intervall verteilt, mit einem Mittelwert von Null und einer Varianz von q ² / 12.
4. ^ Die Codierung und Decodierung der Taktfrequenzen ist im Allgemeinen nicht von großer Bedeutung. Ein kleiner konstanter Fehler ist nicht erkennbar. Der Uhrenfehler wird jedoch zu einem Hauptproblem, wenn die Uhr nicht stabil ist. Eine driftende Uhr führt selbst bei einem relativ kleinen Fehler zu sehr offensichtlichen Verzerrungen in Audio- und Videosignalen, beispielsweise

Literatur [ edit ]

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Weiterführende Literatur [ edit ]

Externe Links [ bearbeiten ]