Czym jest Modulacja Impulsowo-Kodowa (PCM)?

Modulacja Impulsowo-Kodowa, czyli PCM, to najbardziej fundamentalna i szeroko stosowana metoda przekształcania sygnałów analogowych na postać cyfrową. Jest fundamentem nowoczesnej telefonii cyfrowej oraz podstawą niezliczonych zastosowań cyfrowego audio, od płyt CD z muzyką po transmisję głosu przez internet.

Głównym celem PCM jest wzięcie ciągłego sygnału analogowego, takiego jak głos z telefonu, i przekształcenie go w strumień binarny - sekwencję zer i jedynek - który może być przetwarzany, przechowywany i przesyłany przez systemy cyfrowe.

Trzy Kroki Procesu PCM

Konwersja z sygnału analogowego na cyfrowy za pomocą PCM to proces trójetapowy. Sygnał musi najpierw zostać spróbkowany, następnie skwantowany, a na końcu zakodowany.

1. 1. Próbkowanie: Rejestrowanie sygnału w czasie

   Pierwszym krokiem jest próbkowanie, które przekształca sygnał ciągły w czasie w sygnał dyskretny w czasie. Proces ten działa na wstępnie przetworzonym sygnale, który został już poddany modulacji amplitudowo-impulsowej (PAM).

   • Sygnał PAM: Wejściem do procesu PCM jest sygnał PAM, czyli sekwencja impulsów. Chociaż jest on dyskretny w czasie (rejestrowany w określonych momentach), amplituda (wysokość) każdego impulsu może nadal przyjmować dowolną, ciągłą wartość.
   • Reguła: Częstotliwość próbkowania sygnału jest regulowana przez Twierdzenie o Próbkowaniu Nyquista-Shannona. Matematycznie: $f_s \ge 2 \cdot f_{max}$
   • Próbkowanie Głosu: W telefonii głosowej istotny zakres częstotliwości uważa się za sięgający około 3400 Hz. Aby spełnić twierdzenie, ustandaryzowano częstotliwość próbkowania na poziomie 8000 Hz (8 kHz). Oznacza to, że analogowy sygnał mowy jest mierzony 8000 razy na sekundę.
2. 2. Kwantowanie: Dyskretyzacja Amplitudy

   Po próbkowaniu każdy impuls w sygnale PAM może mieć nieskończoną liczbę możliwych wysokości. Kwantowanie przekształca ten ciągły zakres amplitud w skończony, dyskretny zbiór poziomów. Odbywa się to poprzez zaokrąglenie amplitudy każdej próbki do najbliższego dostępnego poziomu. W telefonii PCM stosuje się 256 dyskretnych poziomów.

3. 3. Kodowanie: Przypisywanie Kodów Binarnych

   Ostatnim krokiem jest przypisanie unikalnego kodu binarnego (ciągu zer i jedynek) do każdego z dyskretnych poziomów amplitudy. Ponieważ poziomów jest 256, potrzebujemy 8 bitów do ich wszystkich reprezentacji, ponieważ $2^8 = 256$. Każda próbka jest więc konwertowana na 8-bitowe słowo binarne.

Struktura Ramki PCM 32/30 (E1)

Aby przesłać wiele kanałów głosowych 64 kb/s przez jedną linię, łączy się je za pomocą multipleksacji z podziałem czasu (TDM) w strukturę zwaną ramką. Standard europejski jest znany jako E1.

Charakterystyka Ramki E1

• Czas Trwania Ramki: Częstotliwość próbkowania 8 kHz dyktuje częstotliwość ramek. Każda ramka musi być wysłana co $1 / 8000$ sekundy, czyli co 125 mikrosekund (µs).
• Szczeliny Czasowe: Każda ramka 125 µs jest podzielona na 32 równe Szczeliny Czasowe, ponumerowane od 0 do 31.
• Bity w Szczelinie: Każda szczelina czasowa przenosi jedną 8-bitową próbkę z danego kanału.
• Całkowita Przepływność: Całkowita prędkość strumienia E1 jest obliczana jako:
  $8000 \text{ ramek/s} \times 32 \text{ szczeliny/ramkę} \times 8 \text{ bitów/szczelinę} = 2,048,000 \text{ b/s} = 2.048 \text{ Mb/s}$

Przeznaczenie Szczelin Czasowych

Nie wszystkie z 32 szczelin są używane do przesyłania głosu:

• Szczelina 0 (TS0): Zarezerwowana do celów synchronizacji. Przenosi specjalny wzorzec, Sygnał Wyrównania Ramki (FAS), dzięki któremu odbiornik wie, gdzie zaczyna się każda ramka. W ramkach parzystych i nieparzystych przenosi różne wzorce.
• Szczeliny 1-15 i 17-31: Tych 30 szczelin służy do przenoszenia właściwych danych użytkownika (np. 8-bitowych próbek z 30 różnych rozmów głosowych).
• Szczelina 16 (TS16): Zarezerwowana dla sygnalizacji, czyli danych sterujących potrzebnych do zestawiania, zarządzania i rozłączania połączeń przenoszonych w pozostałych 30 kanałach.