Modulation d'impulsion codée
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La modulation d'impulsion codée (en anglais Pulse Code Modulation, généralement abrégé en PCM) est une technique d'échantillonnage non comprimé, utilisée notamment pour les disques compacts audio, pour l'enregistrement sur bandes DAT, ainsi que pour les fichiers WAV standards.
Sommaire |
[modifier] Histoire du PCM
La première transmission de parole par PCM a été réalisée par l'équipement de codage de voix SIGSALY utilisé pour les communications alliées de haut niveau pendant la Seconde Guerre mondiale.
[modifier] Technologie
Il s'agit d'une représentation numérique d'un signal analogique où la hauteur du signal est prélevée régulièrement à intervalles uniformes de durée T. Chaque échantillon est quantifié sur une série de symboles dans un code numérique, qui est habituellement un code binaire. Le Théorème d'échantillonnage de Nyquist-Shannon montre que les fréquences plus hautes que la moitié de la fréquence d'échantillonnage (fs = 1/T) ne peuvent pas être reconstruites. Le PCM est utilisé dans des systèmes de téléphonie numérique. C'est également le format standard des sons numériques dans les ordinateurs et dans divers formats de disque compact.
Plusieurs flux PCM peuvent être multiplexés dans un flux de données global plus grand, cette technique s'appelle Time-Division Multiplexing ou TDM. Alors qu'elle a été inventée par l'industrie téléphonique, la technologie TDM est également une part importante des stations de travail audionumérique comme Pro Tools.
[modifier] Numérisation en tant qu'élément du traitement PCM
Dans le PCM conventionnel, avant d'être numérisé, le signal analogique peut être traité (par exemple par compression d'amplitude), mais une fois numérisé, le signal PCM n'est plus soumis à des transformations ultérieures (par exemple la compression audionumérique). Quelques formes de PCM combinent un traitement du signal avec le codage. Des versions plus anciennes de ces systèmes font un traitement dans le domaine analogique pendant la conversion ANALOGIQUE-NUMÉRIQUE, de nouvelles implémentations font également des transformations, mais dans le domaine numérique. Ces techniques simples sont en grande partie désuètes grâce a des techniques modernes de compression de signal.
- La modulation différentielle (ou delta) d'impulsion-code (DPCM) code les valeurs PCM comme différences entre la valeur courante et la valeur précédente. Pour l'audio ce type de codage réduit le nombre de bit exigé de 25% environ par rapport au PCM.
- DPCM adaptatif (ADPCM) est une variante de DPCM qui change la taille du pas de quantification, elle permet une réduction de la largeur de bande nécessaire pour un rapport signal/bruit donné.
Le codage par défaut sur un DS0 était à l'époque du 8 bits (aujourd'hui abandonné, et dont seul un vestige subsiste dans le format historique .AU de Sun Microsystems) soit mu-law PCM (Amérique du Nord) ou a-law PCM (Europe et la majeure partie du reste du monde). C'étaient des systèmes logarithmiques de compression où un échantillonnage PCM sur 12 ou 13 bits était calé dans une valeur sur 8 bits. Ce système est décrit par la norme internationale G.711. Son abandon résulte de sa trop mauvaise qualité technique et de la disponibilité de bandes passantes énormes dès les premières installations de fibre optique, qui ont commencé vers 1984 pour s'achever à peu près vers 2005.
Lorsque les coûts des circuits étaient importants et que la diminution de qualité du son était acceptable, il pouvait s'avérer utile de comprimer le signal de parole de manière plus importante. Un algorithme d'ADPCM était alors utilisé pour placer une série de 8 bits PCM de bit dans 4 bits ADPCM. De cette façon, la capacité de la ligne était doublée. Le standard G.726 décrit les détails du procédé.
Plus tard on a constaté qu'on pouvait encore augmenter davantage les taux de compression et des normes supplémentaires ont été publiées.
Certaines de ces normes internationales décrivent des systèmes et des idées qui sont couvertes par des brevets et l'utilisation ainsi que l'accès à ces normes exige un paiements aux titulaires du brevet.
Certaines des techniques ADPCM sont utilisée dans des communications de voix sur réseau IP (VoIP). (voir 802.3)
[modifier] Codage des données comme signal
La modulation d'impulsion peut utiliser le Codage RZ (retour-à-zéro) ou le Codage NRZ (non retour à zéro). Pour qu'un système NRZ soit synchronisé, en utilisant seulement l'information émise, il ne doit pas y avoir de longues séquences de symboles identiques. Par exemple de longues séquence avec que des '1' ou que des '0'. Pour les systèmes binaires PCM, la densité de 1 est un critère important (ones-density en anglais).
Cette densité est souvent contrôlée en utilisant des techniques de pré-codage telles que le codage RLL (Run Length Limited). Le code PCM est étendu en un code légèrement plus long garantissant une limitation du nombre de '1' avant modulation du signal et envoi dans le canal de transmission. Dans d'autres cas, des bits supplémentaires (de synchronisation) sont ajoutés dans le flux, ce qui garantit d'avoir au moins quelques transitions entre symboles.
Une autre technique employée pour contrôler la densité de 1 est l'utilisation d'un polynôme embrouilleur. Ce qui a tendance à transformer les données brutes en un flux pseudo-aléatoire. Cependant le flux de départ peut être totalement récupéré en inversant l'effet du polynôme. Quand on utilise cette technique, de longues séries de uns ou de zéros peuvent encore exister mais sont considérées assez peu probables pour être négligées ou au moins tolérées.
Il peut arriver que la composante continue du signal modulé (courant continu, ou courant moyen) soit non nulle. Puisque cette composante continue pourrait polariser les circuits d'un détecteur hors de sa plage de fonctionnement, des mesures spéciales de compensation sont prises en temps réel et les codes émis modifiés au besoin pour faire tendre la moyenne de tension vers zéro si utile.
Plusieurs de ces codes sont des codes bipolaires, où les impulsions peuvent être positives, négatives ou nulles. Typiquement, les impulsions différentes de zéro alternent entre tensions positives et négatives. Ces règles peuvent être transgressées pour produire des symboles spéciaux utilisés pour la synchronisation ou d'autres buts spéciaux.
