Pulscode Modulation ist eine Methode das wird verwendet, um eine zu konvertieren analoges Signal in ein digitales Signal so dass ein modifiziertes analoges Signal über das digitale Kommunikationsnetz übertragen werden kann. PCM ist in binärer Form, daher gibt es nur zwei mögliche Zustände hoch und niedrig (0 und 1). Wir können unser analoges Signal auch durch Demodulation zurückerhalten. Der Pulscode-Modulationsprozess erfolgt in drei Schritten: Abtastung, Quantisierung und Codierung. Es gibt zwei spezifische Arten von Pulscodemodulationen, wie z. B. die differentielle Pulscodemodulation (DPCM) und die adaptive differentielle Pulscodemodulation (ADPCM).

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Blockdiagramm von PCM

Hier ist ein Blockdiagramm der Schritte, die in PCM enthalten sind.

Bei der Abtastung verwenden wir einen PAM-Sampler, einen Pulsamplitudenmodulations-Sampler, der ein kontinuierliches Amplitudensignal in ein zeitdiskretes kontinuierliches Signal (PAM-Impulse) umwandelt. Das grundlegende Blockdiagramm von PCM ist zum besseren Verständnis unten angegeben.

Was ist eine Pulscodemodulation?

Um eine Pulscode-modulierte Wellenform von einer analogen Wellenform bei zu erhalten der Sender Ende (Quelle) einer Kommunikationsschaltung, die Amplitude der analogen Signalabtastungen in regelmäßigen Zeitintervallen. Die Abtastrate oder eine Anzahl von Abtastungen pro Sekunde beträgt das Mehrfache der maximalen Frequenz. Das in die binäre Form konvertierte Nachrichtensignal hat normalerweise die Anzahl der Ebenen, die immer eine Potenz von 2 hat. Dieser Vorgang wird als Quantisierung bezeichnet.

Grundelemente des PCM-Systems

Auf der Empfängerseite decodiert ein Impulscode-Demodulator das Binärsignal zurück in Impulse mit den gleichen Quantenpegeln wie im Modulator. Durch weitere Prozesse können wir die ursprüngliche analoge Wellenform wiederherstellen.

Pulscode-Modulationstheorie

Dieses obige Blockdiagramm beschreibt den gesamten Prozess von PCM. Die Quelle der kontinuierlichen Zeit Nachrichtensignal wird durch ein Tiefpassfilter geleitet und dann erfolgt die Abtastung, Quantisierung und Codierung. Wir werden Schritt für Schritt im Detail sehen.

Probenahme

Bei der Abtastung wird die Amplitude eines zeitkontinuierlichen Signals zu diskreten Zeitpunkten gemessen und das kontinuierliche Signal in ein diskretes Signal umgewandelt. Zum Beispiel die Umwandlung einer Schallwelle in eine Folge von Samples. Die Stichprobe ist ein Wert oder eine Reihe von Werten zu einem bestimmten Zeitpunkt oder kann beabstandet sein. Sampler extrahiert Samples eines kontinuierlichen Signals. Es handelt sich um ein ideales Subsystem. Sampler erzeugt Samples, die dem Momentanwert des kontinuierlichen Signals an den angegebenen verschiedenen Punkten entsprechen. Der Abtastvorgang erzeugt ein PAM-Signal (Flat-Top Pulse Amplitude Modulated).

Analoges und abgetastetes Signal

Die Abtastfrequenz Fs ist die Anzahl der durchschnittlichen Abtastungen pro Sekunde, die auch als Abtastrate bezeichnet wird. Nach dem Nyquist-Theorem sollte die Abtastrate mindestens das Zweifache der oberen Grenzfrequenz betragen. Abtastfrequenz, Fs> = 2 * fmax, um einen Aliasing-Effekt zu vermeiden. Wenn die Abtastfrequenz sehr hoch als die Nyquist-Rate ist, wird sie zu Überabtastung. Theoretisch kann ein bandbreitenbegrenztes Signal rekonstruiert werden, wenn es über der Nyquist-Rate abgetastet wird. Wenn die Abtastfrequenz kleiner als die Nyquist-Rate ist, wird sie zu Unterabtastung.

Grundsätzlich werden zwei Arten von Techniken für den Probenahmevorgang verwendet. Dies sind 1. natürliche Probenahme und 2. Flat-Top-Probenahme.

Quantisierung

Bei der Quantisierung eine analoge Probe mit einer Amplitude, die in eine digitale Probe mit einer Amplitude umgewandelt wurde, die einen von einem spezifisch definierten Satz von Quantisierungswerten annimmt. Die Quantisierung erfolgt durch Aufteilen des Bereichs möglicher Werte der analogen Abtastwerte in verschiedene Ebenen und Zuweisen des Mittelwerts jeder Ebene zu einer beliebigen Probe im Quantisierungsintervall. Die Quantisierung approximiert die analogen Abtastwerte mit den nächsten Quantisierungswerten. So unterscheiden sich fast alle quantisierten Proben geringfügig von den Originalproben. Dieser Betrag wird als Quantisierungsfehler bezeichnet. Das Ergebnis dieses Quantisierungsfehlers ist, dass wir beim Abspielen eines zufälligen Signals ein zischendes Rauschen hören. Konvertieren von analogen Samples in Binärzahlen von 0 und 1.

In den meisten Fällen verwenden wir einheitliche Quantisierer. Eine einheitliche Quantisierung ist anwendbar, wenn die Abtastwerte in einem endlichen Bereich liegen (Fmin, Fmax). Der gesamte Datenbereich ist in 2n Ebenen unterteilt, es seien L Intervalle. Sie haben die gleiche Länge Q. Q ist als Quantisierungsintervall oder Quantisierungsschrittgröße bekannt. Bei einer einheitlichen Quantisierung tritt kein Quantisierungsfehler auf.

Gleichmäßig quantisiertes Signal

Wie wir wissen,
L = 2n, dann Schrittweite Q = (Fmax - Fmin) / L.

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Das Intervall i wird dem Mittelwert zugeordnet. Wir speichern oder senden nur den Indexwert des quantisierten Wertes.

Ein Indexwert des quantisierten Wertes Qi (F) = [F - Fmin / Q]

Quantisierter Wert Q (F) = Qi (F) Q + Q / 2 + Fmin

Es gibt jedoch einige Probleme bei der einheitlichen Quantisierung

Nur optimal für das gleichmäßig verteilte Signal.
Echte Audiosignale sind in der Nähe von Nullen stärker konzentriert.
Das menschliche Ohr reagiert empfindlicher auf Quantisierungsfehler bei kleinen Werten.

Die Lösung für dieses Problem ist die Verwendung einer ungleichmäßigen Quantisierung. In diesem Prozess ist das Quantisierungsintervall nahe Null kleiner.

Codierung

Der Codierer codiert die quantisierten Abtastwerte. Jede quantisierte Probe wird in eine codiert 8-Bit-Codewort durch Verwendung von A-Gesetz im Codierungsprozess.

Bit 1 ist das höchstwertige Bit (MSB) und repräsentiert die Polarität der Probe. '1' steht für positive Polarität und '0' für negative Polarität.
Die Bits 2,3 und 4 definieren die Position des Abtastwerts. Diese drei Bits bilden zusammen eine lineare Kurve für negative oder positive Abtastwerte mit niedrigem Pegel.
Die Bits 5, 6, 7 und 8 sind die niedrigstwertigen Bits (LSB), die einen der quantisierten Segmentwerte darstellen. Jedes Segment ist in 16 Quantenebenen unterteilt.

PCM ist zwei Arten der Differential Pulse Code Modulation (DPCM) und der Adaptive Differential Pulse Code Modulation (ADPCM).

In DPCM wird nur die Differenz zwischen einem Sample und dem vorherigen Wert codiert. Der Unterschied ist viel kleiner als der Gesamtabtastwert, daher benötigen wir einige Bits, um die gleiche Genauigkeit wie bei normalem PCM zu erzielen. Damit reduziert sich auch die benötigte Bitrate. Beispielsweise ist im 5-Bit-Code 1 Bit für die Polarität und die verbleibenden 4 Bits für 16 Quantenpegel.

ADPCM wird erreicht, indem die Quantisierungspegel an analoge Signaleigenschaften angepasst werden. Wir können die Werte mit den vorhergehenden Beispielwerten schätzen. Die Fehlerschätzung erfolgt wie in DPCM. Bei der 32-Kbit / s-ADPCM-Methodendifferenz zwischen dem vorhergesagten Wert und der Stichprobe wird der Wert mit 4 Bit codiert, sodass wir 15 Quantenpegel erhalten. Bei diesem Verfahren beträgt die Datenrate die Hälfte des herkömmlichen PCM.

Pulscode-Demodulation

Die Pulscode-Demodulation wird dasselbe tun Modulationsprozess rückwärts. Die Demodulation beginnt mit dem Decodierungsprozess. Während der Übertragung wird das PCM-Signal durch Rauschstörungen beeinträchtigt. Bevor das PCM-Signal in den PCM-Demodulator gesendet wird, müssen wir das Signal auf den ursprünglichen Pegel zurücksetzen, für den wir einen Komparator verwenden. Das PCM-Signal ist ein Serienpulswellensignal, aber für die Demodulation benötigen wir eine Welle, die parallel ist.

Bei Verwendung eines Seriell-Parallel-Wandlers wird das Serien-Pulswellensignal in ein paralleles digitales Signal umgewandelt. Danach durchläuft das Signal den n-Bit-Decoder. Es sollte sich um einen Digital-Analog-Wandler handeln. Der Decoder stellt die ursprünglichen Quantisierungswerte des digitalen Signals wieder her. Dieser Quantisierungswert enthält auch viele hochfrequente Harmonische mit Original-Audiosignalen. Um unnötige Signale zu vermeiden, verwenden wir im letzten Teil ein Tiefpassfilter.

Vorteile der Pulscodemodulation

Analoge Signale können über ein Hochgeschwindigkeits-Digital übertragen werden Kommunikationssystem .
Die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Fehlern wird durch die Verwendung geeigneter Codierungsmethoden verringert.
PCM wird in Telkom-Systemen, digitalen Audioaufzeichnungen, Spezialeffekten für digitalisierte Videos, digitalen Videos und Voicemail verwendet.
PCM wird auch in Funksteuergeräten als Sender und als Empfänger für ferngesteuerte Autos, Boote und Flugzeuge verwendet.
Das PCM-Signal ist störungsresistenter als normale Signale.

Das ist alles über Pulscodemodulation und Demodulation . Wir glauben, dass die Informationen in diesem Artikel für Sie hilfreich sind, um dieses Konzept besser zu verstehen. Darüber hinaus Fragen zu diesem Artikel oder Hilfe bei der Implementierung Elektro- und Elektronikprojekte können Sie sich an uns wenden, indem Sie im Kommentarbereich unten einen Kommentar abgeben. Hier ist eine Frage an Sie: Was sind die Anwendungen der Pulscodemodulation?

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