Редактирование: Импульсно-кодовая модуляция

{{Технологии модуляции}}
'''И́мпульсно-ко́довая модуля́ция''' (''ИКМ'', {{lang-en|pulse code modulation}}, {{lang-en2|PCM}}) используется для [[оцифровка|оцифровки]] [[аналоговый сигнал|аналоговых сигналов]]. Практически все виды аналоговых [[данные|данных]] ([[видео]], аудио ([[голос]], [[музыка]]), [[телеметрия]]) допускают применение ИКМ.

== Модуляция ==
[[Файл:Pcm-ru.svg|thumb|462px|Пример 4-битной (16-уровневой) ИКМ. Показано квантование аналогового сигнала и пачки импульсов, кодирующих отсчёты. Передача в канале производится старшими битами вперёд.]]
При импульсно-кодовой модуляции аналоговый передаваемый сигнал преобразуется в цифровую форму посредством трёх операций: дискретизации по времени, квантования по амплитуде и кодирования{{sfn|Панфилов|с=282|1991}}.
 
Для преобразования аналогового сигнала в цифровой используется [[аналого-цифровой преобразователь]] (АЦП). АЦП через равные промежутки времени измеряет амплитуду аналогового сигнала — получает мгновенные значения или отсчёты сигнала, затем преобразует отсчёты в двоичные слова{{sfn|Панфилов|с=283|1991}}.

Мгновенное измеренное значение (отcчёт) аналогового сигнала [[Квантование (обработка сигналов)|квантуется]] по уровням (округляется от ближайшего целого). Число уровней квантования обычно равно или кратно целой степени числа 2, например, {{s|1=2<sup>3</sup> = 8}}, {{s|1=2<sup>4</sup> = 16}}, {{s|1=2<sup>5</sup> = 32}} и т. д. Номер уровня кодируется двоичными словами длиной 3, 4, 5 и т. д. [[бит]]{{sfn|Панфилов|с=283|1991}}.

Затем выходные слова АЦП в параллельном коде подвергаются кодированию при помощи передачи на [[регистр сдвига]], [[тактирование|тактируемый]] вспомогательным {{comment|генератором сдвига|Тактовый генератор сдвига}}. На выходе регистра сдвига формируются пачки кодированных импульсов в последовательном коде. Затем пачки импульсов передаются в канал связи{{sfn|Панфилов|с=283|1991}}.

('''Пачка импульсов -''' периодически повторяющиеся импульсы в течение фиксированного интервала времени. Источник: ГОСТ 29156-91: Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к наносекундным импульсным помехам. Технические требования и методы испытаний).

Частота отсчётов сигнала (или скорость оцифровки, [[частота дискретизации]]) для исключения потерь информации в соответствии с [[теорема Котельникова|теоремой Котельникова]] должна быть не меньше удвоенной максимальной [[частота|частоты]] в [[спектр]]е аналогового сигнала.

Существуют специализированные [[Интегральная схема|интегральные микросхемы]], предназначенные для ИКМ, совмещающие АЦП, регистр сдвига, [[Генератор тактовых импульсов|тактовые генераторы]] и другие устройства.

== Демодуляция ==

На приёмном конце канала связи установлен [[демодулятор]]. В демодуляторе пачки импульсов подаются на {{прояснить|последовательный вход}} регистра сдвига. После вдвигания всех битов пачки импульсов в регистр сдвига слово из регистра сдвига в параллельном коде записывается во входной регистр [[Цифро-аналоговый преобразователь|цифро-аналогового преобразователя (ЦАП)]]. ЦАП преобразует кодированные отсчёты переданного аналогового сигнала снова в аналоговый вид. На выходе ЦАП образуется ступенчатый аналоговый сигнал. Сглаживание ступенек производится [[Фильтр нижних частот|фильтром нижних частот (ФНЧ)]], на выходе которого образуется переданный аналоговый сигнал. [[Частота среза]] ФНЧ выбирается меньшей или равной удвоенной частоте отсчётов.

== Цифровые коды в ИКМ ==
Для кодирования отсчётов в ИКМ применяются самые разнообразные [[Двоичный код|двоичные коды]], например:
* обычное представление чисел в [[Двоичная система счисления|двоичной системе счисления]], причём последовательная передача битов двоичного числа может осуществляться как младшими битами вперёд, так и старшими битами вперёд;
* разнообразные коды с [[Обнаружение и исправление ошибок|обнаружением и устранением ошибок]] в канале передачи, например, [[код Хэмминга]], [[Код Рида — Соломона|код Рида — Соломона]] и др. Простейший из них — избыточный код с передачей [[Бит чётности|бита чётности]];
* коды, устраняющие постоянную составляющую в кодированном импульсном двухуровневом сигнале, например, самосинхронизирующийся [[Физическое кодирование#Манчестерское кодирование|манчестерский код]].

== Разновидности ИКМ ==
* '''Дифференциальная''' (или '''дельта''') '''импульсно-кодовая модуляция''' ('''ДИКМ''', '''DPCM''') — ИКМ в сочетании с [[дельта-кодирование]]м, при котором сигнал кодируется в виде разности между текущим и предыдущим измеренными значениями. Для звуковых данных такой метод модуляции уменьшает требуемое количество бит на отсчёт примерно на 25%.
** [[Адаптивная дифференциальная импульсно-кодовая модуляция|'''Адаптивная ДИКМ''' ('''АДИКМ''', '''ADPCM''')]] — разновидность ДИКМ с переменным шагом квантования. Изменение шага позволяет уменьшить требования к полосе пропускания при заданном [[Отношение сигнал/шум|соотношении сигнала и шума]].
* '''[[LPCM]]''' (''Linear pulse code modulation'', линейная импульсно-кодовая модуляция) <!-- Linear pulse-code modulation (LPCM) is a specific type of PCM where the quantization levels are linearly uniform. This is in contrast to PCM encodings where quantization levels vary as a function of amplitude (as with the A-law algorithm or the μ-law algorithm). Though PCM is a more general term, it is often used to describe data encoded as LPCM. 
LPCM является специфическим типом PCM, где уровни квантования линейно однородны. Это контрастирует с кодировками ИКМ, где уровни квантования изменяются в зависимости от амплитуды (как, например, с алгоритмом А-закона или алгоритмом μ-закона). Хотя PCM является более общим термином, он часто используется для описания данных, закодированных как LPCM.
-->

== Практическое применение ==
* В [[ISDN|цифровой]] и [[IP-телефония|IP-телефонии]] ИКМ применяется для преобразования голосового аудиосигнала в цифровой поток, передаваемый со скоростью 64 кбит/с ([[основной цифровой канал]]).
* ИКМ применяется для преобразования аналогового аудиосигнала в цифровой с целью сохранения сигнала на цифровых устройствах и носителях ([[цифровая звукозапись]]). Список некоторых распространённых [[Цифровые аудиоформаты|форматов файлов, используемых для хранения аудио]] (музыки, голоса и т. п.): [[WAV]], [[MP3]], [[WMA]], [[OGG]], [[FLAC]], [[APE]].
*ИКМ использовалась ранее в протоколах модемной связи [[Протоколы модемной связи#V.90|ITU V.90]] (только входящий к клиенту сигнал) и [[Протоколы модемной связи#V.92|V.92]] (входящий и исходящий сигнал) для обеспечения максимальной скорости соединения в 56 Кбит/с.

== См. также ==
{{Родственные проекты
| Портал = Цифровой звук
}}
* [[Дельта-кодирование]]
* [[Адаптивная модуляция]]

== Литература ==
* {{книга | автор = Панфилов И.П., Дырда В.Е. | заглавие = Теория электрической связи | место = М. | издательство  = Радио и связь | год  = 1991 | страниц  = 344 | isbn = 5-256-00869-2 | ref  = Панфилов}}

== Примечания ==
{{Примечания}}
{{rq|sources|refless}}

{{методы сжатия}}
{{Видеоформаты}}

[[Категория:Модуляция]]
[[Категория:Телефония]]
[[Категория:Импульсная техника]]
[[Категория:Акустика]]