Pulzně kódová modulace

Příklad samplování a kvantizace signálu u 4bitové PCM

Znehodnocení signálu při vzorkování s příliš nízkou frekvencí

Vyšší frekvence vzorkování umožňují věrněji rekonstruovat původní signál

Při kvantování vzniká v důsledku digitalizace signálu šum

Pulzně kódová modulace (PCM z anglického Pulse-code modulation) je modulační metoda převodu analogového zvukového signálu na signál digitální, vytvořená roku 1937 Britem Alecem Reevsem.

Princip PCM spočívá v pravidelném odečítání hodnoty signálu pomocí A/D převodníku a jejím záznamu v binární podobě. Určujícími parametry jsou vzorkovací frekvence a jemnost rozlišení jednotlivých hodnot. Vzorkovací frekvence se pohybuje od 8 kHz u digitálních telefonních linek ISDN přes 44,1 kHz u zvukového CD po ještě vyšší hodnoty u profesionálních záznamových zařízení a ovlivňuje kvalitu (tedy „kostrbatost“) reprodukovaného záznamu. Opačný převod z digitálního signálu na analogový zajišťuje D/A převodník.

Při příliš nízké vzorkovací frekvenci nestačí zaznamenané hodnoty k rekonstrukci průběhu signálu a dochází ke ztrátě kvality. Podle Nyquistovy vzorkovací věty (též Shannon-Kotělnikův teorém) by měla být vzorkovací frekvence alespoň dvojnásobná oproti frekvenci zaznamenaného signálu. Při nesplnění této podmínky vzniká efekt zvaný aliasing.

Rozlišení hodnot určuje přesnost hodnot v jednotlivých bodech. Obvykle se používá 8 nebo 16 bitů (tedy 256, resp. 65536 možných hodnot). Určení hodnoty je nazýváno kvantování. Každé kvantování zanáší do signálu kvantizační šum, jehož úroveň s rostoucím rozlišením klesá. Při příliš nízkém rozlišení digitalizovaného zvukového signálu je kvantizační šum slyšitelný.

Použití

PCM je používána na Audio CD (standard Red Book) na dvou kanálech s vzorkovací frekvencí 44,1 kHz a rozlišením 16 bitů. V této podobě zabere jedna minuta záznamu 44100 · 16 · 2 · 60 : 8 = 10 584 000 byte. Na osobních počítačích se proto pro ukládání zvuků používají úspornější formáty MP3, FLAC a Vorbis, které jsou oproti PCM schopny díky ztrátové kompresi dosáhnout více než desetinásobné úspory místa při jen malém zhoršení subjektivní kvality.

V telekomunikacích se pod pojmem PCM rozumí signál se vzorkovací frekvencí 8 kHz a rozlišením 8 bitů. Tento signál dává datový tok 64 kbit/s, což je základní kapacita hovorového kanálu ve všech digitálních ústřednách i v digitální síti ISDN. Hovorový kanál o rychlosti 64 kbit/s je někdy označován jako DS0.

Pro kódování hovorového kanálu DS0 se používá logaritmická komprese, kdy je dvanácti- či třinácti bitový signál převáděn na osmibitový signál. Logaritmická komprese hovorového signálu je v Evropě a Austrálii známá jako A-law, v severní Americe a Japonsku jako μ-law. V severní Americe a Japonsku se používá vyšší komprese, protože v tamních telefonních sítích je používáno pouze 7 bitů pro přenos hlasu a osmý bit se používá na signalizaci (typ CAS). V Evropě se používá pro přenos hlasu všech 8 bitů a signalizace je přenášena samostatným kanálem. (Například pomocí signalizace č.7, či jinou CCS signalizací.) V Evropě a Austrálii má tedy přenos hlasu v digitální telefonní síti vyšší kvalitu než stejný přenos pomocí telefonní sítě v Severní Americe či v Japonsku. Na rozhraní těchto sítí musí proto dojít k překódování. Jakým způsobem je hlas kódován, tedy informace o použitém kodeku, jsou přenášeny pomocí signalizace.

Systém kódování hlasu pomocí PCM popisuje mezinárodní standard ITU G.711.

Související články

• A/D převodník