Pulzná kódová modulácia

Pulzná kódová modulácia (PCM; z anglického Pulse Code Modulation) je modulačná metóda prevodu analógového zvukového signálu na signál digitálny. Táto technika sa používa na prenos hlasu, obrazu a ďalších analógových signálov v digitálnej forme pomocou série binárnych dátových impulzov.

Obrázok 1: Vzorkovanie a kvantovanie sínusovej vlny (červená) v 4-bitovom kóde PCM

V PCM sa najprv vzorkuje vstupný signál v pravidelných intervaloch a každý vzorka sa reprezentuje ako digitálny signál pomocou binárnej kódy. Tieto binárne kódy sa potom prenášajú v sérii dátových impulzov.

PCM sa používa v mnohých aplikáciách, ako sú telefónne linky, digitálne audio a video záznamy, riadiace systémy a mnoho ďalších. Jednou z výhod PCM je, že umožňuje presný prenos analógových signálov bez straty kvality, čo je dôležité napríklad pri prenose hlasu alebo hudby.

História PCM

V histórii elektrickej komunikácie bola prvou príčinou vzorkovania signálu možnosť striedať vzorky z rôznych telegrafných zdrojov a posielať ich po tom istom kábli. Multiplexovanie s časovým delením (TDM) realizoval v roku 1858 americký vynálezca Moses Gerrish Farmer pre dva telegrafné signály prenášané cez ten istý pár vodičov, na čo požiadal o patent, ktorý mu bol udelený v roku 1875. Elektrotechnický inžinier Willard M. Miner v roku 1903 použil elektromechanický prepínač na dočasné multiplexovanie rôznych telegrafných signálov a túto technológiu aplikoval aj na telefonovanie. Získal zrozumiteľnú reč z kanálov vzorkovaných na frekvencii 3500 až 4300 Hz, ale výkon bol nižší ako táto frekvencia. Išlo o TDM, ale s PWM namiesto MIC.

Prvý prenos statického obrazu, ktorý sa považuje za digitálny, sa uskutočnil v roku 1957, keď Russell Kirsch spracoval obraz svojho trojročného syna prostredníctvom počítača SEAC (Standards Eastern Automatic Computer) amerického Národného inštitútu pre štandardy a technológie. Obraz mal rozmery 176 X 176 pixelov. Túto technológiu s jej vylepšeniami bude NASA používať v nasledujúcom desaťročí na prenos snímok používaných pri diaľkovom prieskume Zeme.

Britský inžinier Alec Reeves a francúz Edmond Maurice Delorin prišli v roku 1937 s myšlienkou použiť MIC na hlasovú komunikáciu. Reeves požiadal o francúzsky patent v roku 1938 a jeho americký patent bol udelený v roku 1943. Prvý digitálny prenos hlasu využíval kódovací a šifrovací systém SIGSALY, ktorý sa používal na komunikáciu na vysokej úrovni medzi spojeneckými štátmi počas druhej svetovej vojny, v roku 1943.

V 50. a 60. rokoch 20. storočia sa PCM stala základom digitálnej zvukovej technológie, ktorá umožnila digitálne nahrávanie a reprodukciu zvukových záznamov.

V roku 1967 inžinieri v technickom výskumnom laboratóriu NHK (Japan Broadcasting Corporation) vyvinuli monofonický zvukový rekordér MIC a o dva roky neskôr vytvorili ďalší dvojkanálový rekordér, ktorý vzorkoval 32kHz zvuk s 13-bitovým rozlíšením a zaznamenával signály na videorekordér. V rokoch 1969 až 1971 si japonská spoločnosť Denon prenajala od NHK stereofónny videorekordér na vyhotovenie experimentálnych nahrávok, ktoré viedli k prvým komerčným nahrávkam vyhotoveným digitálne: albumom "Something" amerického džezového saxofonistu Steva Marcusa a "The World of Stomu Yamash'ta" japonského hudobníka a skladateľa Stomu Yamashta, ktoré vyšli v roku 1971. Výsledky týchto nahrávok podnietili spoločnosť Denon k vývoju vlastného zariadenia PCM založeného na videorekordéroch, 8 kanálov zvuku vzorkovaných pri frekvencii 47,25 kHz s 13-bitovým rozlíšením. Spočiatku vyrábali zariadenie DN-023R na použitie vo svojich nahrávacích štúdiách v Tokiu a v roku 1977 spoločnosť Denon vyvinula menší a pokročilejší rekordér PCM DN-034R ako mobilný rekordér, ktorý sa vozil do štúdií v Japonsku , Francúzsku a USA na komerčné nahrávanie.

V Japonsku spoločnosť Sony vyvinula prvý digitálny audio procesor pre domáce použitie, PCM-1, po ktorom nasledoval PCM-1600, predstavený v marci 1978, s použitím U-Matic VCR.

Od 70. rokov 20. storočia sa PCM používa aj v iných oblastiach, napríklad v medicíne na digitálne ukladanie obrazov a zvukových záznamov, v počítačových sieťach na digitálne prenosy dát a v priemyselnej automatizácii a meraní na digitálne spracovanie a prenos signálov.

V dnešnej dobe sa PCM používa v mnohých aplikáciách, ktoré vyžadujú digitálne kódovanie a prenos analógových signálov. Vývoj v oblasti PCM umožnil vznik digitálnej éry v oblasti zvukového a obrazového spracovania a prenosu.

Úvod do PCM

PCM sa skladá z dvoch hlavných krokov: vzorkovania a kvantizácie. Vzorkovanie je proces, ktorý sa používa na získanie diskrétneho signálu z pôvodného analógového signálu. Pri vzorkovaní sa pôvodný signál vzorkuje v určitých intervaloch a v každom intervale sa zaznamenáva hodnota signálu. Tento proces je nevyhnutný, aby sme mohli previesť analógový signál na digitálny signál. Kvantizácia je proces, ktorý sa používa na zaokrúhlenie hodnôt signálu získaných počas vzorkovania na najbližšiu hodnotu z konečnej sady hodnôt. Táto sada hodnôt sa nazýva kvantovacia úroveň. Počet kvantovacích úrovní, ktoré sú k dispozícii, závisí od bitovej hĺbky.

Vzorkovanie

Vzorkovanie je kľúčovým prvkom PCM, ktorý umožňuje premeniť kontinuálny analógový signál na diskrétny digitálny signál. Pri vzorkovaní sa signál periodicky meria a hodnota sa zaznamenáva ako binárny kód, ktorý reprezentuje hodnotu signálu v danom čase. Vzorkovacia frekvencia udáva počet vzoriek meraných za sekundu a určuje presnosť a kvalitu digitálneho signálu. Ide o proces pozostávajúci z odberu vzoriek (meraní) hodnoty signálu n-krát za sekundu, čo je n napäťových úrovní za jednu sekundu.

Podľa vzorkovacej vety Nyquist-Shannon sa frekvencia vzorkovania musí byť aspoň dvojnásobkom najvyššej frekvencie signálu, aby sa zabránilo aliasingu. Aliasing je jav, ktorý sa vyskytuje, keď sa signál vzorkuje pri nižšej frekvencii, než je jeho najvyššia frekvencia, čo vedie k chybnému digitálnemu signálu. Preto sa pri návrhu digitálneho systému musí zvoliť dostatočná vzorkovacia frekvencia, aby sa zabezpečila dostatočná presnosť a kvalita signálu.

Po vzorkovaní sa jednotlivé vzorky kódujú na binárne čísla, ktoré reprezentujú amplitúdu signálu. Kódovanie sa vykonáva s použitím kvantizácie, ktorá určuje počet bitov použitých na reprezentáciu každej vzorky. Viac bitov znamená vyššiu presnosť a kvalitu digitálneho signálu, ale tiež vyššiu náročnosť na prenos a spracovanie.

Vzorkovanie je kľúčovým prvkom PCM a jeho presnosť a kvalita závisí od frekvencie vzorkovania a počtu bitov použitých na reprezentáciu každej vzorky. Správne navrhnutý a implementovaný systém vzorkovania zabezpečí správnu funkciu a vysokú kvalitu digitálneho signálu.

Čas separácie medzi jednotlivými vzorkami (125 µs) možno použiť na vzorkovanie iných kanálov pomocou postupu multiplexovania s časovým delením.

Kvantizácia (pokračovanie)

Toto je proces, pri ktorom je každej z úrovní napätia získaných vzorkovaním priradená určitá diskrétna hodnota. Pri vzorkovaní telefonických rozhovorov, keďže vzorky môžu mať nekonečný počet hodnôt v rozsahu intenzity hlasu, rozsah, ktorý je v telefónnom kanáli približne 60 dB. Aby sa proces zjednodušil, vykoná sa aproximácia na najbližšiu hodnotu zo súboru vopred určených hodnôt.

Kvantizácia je druhým krokom v procese PCM po vzorkovaní. Vzorky analógového signálu sú predstavované v digitálnej forme pomocou kvantizácie. Kvantizačný stupeň definuje rozsah hodnôt, ktoré môžu byť priradené každému jednému z digitálnych slov, ktoré predstavujú analógový signál.

Kvantizačný stupeň závisí od počtu bitov v digitálnom slove a teda aj od počtu diskrétnych úrovní, na ktoré sa môže analógový signál kvantizovať. Čím väčší počet bitov, tým vyššia je presnosť reprezentácie pôvodného signálu a teda aj väčšia informačná kapacita PCM systému.

V prípade, že je kvantizačný stupeň príliš nízky, môže dôjsť k nedostatočnej reprezentácii pôvodného signálu a teda k strate informácií. Na druhej strane, príliš vysoký kvantizačný stupeň môže spôsobiť, že digitálny signál bude obsahovať veľa zbytočných informácií a teda bude veľký a náročný na spracovanie.

Kvantizácia môže tiež spôsobiť tzv. kvantizačný šum, ktorý vzniká pri diskretizácii pôvodného signálu. Tento šum môže byť minimalizovaný použitím rôznych techník kvantizácie, napríklad tzv. delta modulácie alebo adaptívnej kvantizácie.

Celý proces vzorkovania a kvantizácie v PCM systéme zabezpečuje prevod analógového signálu na digitálny signál, ktorý je potom ďalej spracovateľný digitálnymi zariadeniami.

Modulácia PCM

Modulácia PCM je proces, ktorým sa digitálny signál vytvorený pomocou vzorkovania a kvantizácie prevedie na analógový signál. Tento proces spočíva v opačnej transformácii digitálneho signálu na analógový, ktorý je schopný byť prenesený po analógovom kanáli, napríklad po telefónnej linke.

Pri modulácii PCM sa digitálne slová, ktoré predstavujú vzorky a sú v binárnom tvare, prekladajú do analógových signálov, ktoré sú predstavované krátkymi impulzmi alebo píkami. Tieto impulzy predstavujú jednotlivé úrovne digitálneho signálu a sú rýchlo meniace sa signály, ktoré zodpovedajú informačnému obsahu digitálneho signálu.

Existuje niekoľko spôsobov, ako premeniť digitálny signál na analógový signál. Jedným z najbežnejších spôsobov je použitie pulzovej šírky modulácie (PWM). Pri PWM sa časová dĺžka impulzu mení v závislosti od amplitúdy digitálneho signálu. Ďalším spôsobom je použitie pulzovej výšky modulácie (PCM), pri ktorej sa amplitúda impulzu mení v závislosti od amplitúdy digitálneho signálu.

Výhodou modulácie PCM je, že digitálny signál je odolnejší voči rušeniu a strate informácií počas prenosu po analógovom kanáli. To sa dosahuje použitím správneho vzorkovacieho kmitočtu a kvantizačného stupňa, aby sa minimalizovala strata informácií a kvantizačný šum. Okrem toho môže byť digitálny signál ľahko spracovateľný digitálnymi zariadeniami.

Modulácia PCM sa používa v rôznych aplikáciách, ako je napríklad telefónna komunikácia, záznam zvuku a obrazu, medicínska diagnostika a riadenie procesov. V mnohých týchto aplikáciách je dôležité zachovať vysokú presnosť prenosu informácií a minimalizovať stratu informácií, ktoré by mohli viesť k chybnému rozhodnutiu alebo diagnostike.

V pulznej kódovej modulácii sa analógový signál prenášaný prostredníctvom digitálnej podoby pomocou troch operácií: vzorkovania času, amplitúdového kvantovania a kódovania.

Vzorkovanie času v PCM je proces, pri ktorom sa prenášaný analógový signál odoberie v pravidelných časových intervaloch. Tento proces zabezpečuje, že signál sa digitalizuje pomocou diskrétnych vzoriek, čo umožňuje jeho digitálne spracovanie a prenos prostredníctvom digitálnych komunikačných kanálov. Frekvencia vzorkovania určuje, ako často sa signál odoberie, pričom vyššia frekvencia vzorkovania umožňuje presnejšie digitálne zobrazenie pôvodného analógového signálu.

Amplitúdové kvantovanie v PCM je proces, ktorý sa aplikuje na každú jednu vzorku prenášaného analógového signálu počas vzorkovania času. Tento proces zabezpečuje, že každá vzorka signálu sa zaokrúhli na najbližšiu hodnotu vopred stanovenej kvantizačnej úrovne, čo vedie k diskretizácii amplitúdy signálu. Úroveň kvantizácie určuje rozsah hodnôt, ktoré môže každá vzorka signálu nadobudnúť, pričom vyššia úroveň kvantizácie umožňuje presnejšie digitálne zobrazenie pôvodného analógového signálu, ale zároveň vyžaduje viac pamäťového miesta na uchovanie digitálneho signálu. Amplitúdové kvantovanie môže spôsobiť skreslenie signálu, ktoré sa nazýva kvantizačná chyba.

Demodulácia PCM

Demodulácia je opačný proces ako modulácia, ktorý sa používa na získanie pôvodného analógového signálu z digitálneho signálu PCM. Demodulácia spočíva v dekódovaní binárnych hodnôt na pôvodné hodnoty vzorkového signálu a ich následnom dekvantizovaní na pôvodné úrovne amplitúdy signálu.

Demodulácia sa často realizuje výpočtovo, a to prostredníctvom digitálneho signálového procesoru (DSP) alebo iného programovateľného zariadenia. Výstupom demodulácie je digitálny signál, ktorý je ekvivalentný pôvodnému analógovému signálu, ktorý bol vzorkovaný a kvantizovaný.

Pri demodulácii sa tiež musí vziať do úvahy straty signálu, ktoré sa môžu vyskytnúť počas prevádzky, vrátane zvýšeného šumu a útlmu signálu. Preto sa často používa rôzne spracovanie signálov a techniky zlepšovania signálu, ako je napríklad predzosilnenie signálu pred vzorkovaním.

Kódovanie

Kódovanie v PCM sa používa na reprezentáciu každej diskretizovanej vzorky signálu pomocou digitálneho kódu, ktorý sa môže prenášať po digitálnych komunikačných kanáloch. Pre každú vzorku signálu sa priradí kódové slovo, ktoré sa skladá z určitého počtu bitov. Počet bitov potrebných pre kódovanie vzorky sa môže meniť v závislosti na úrovni kvantizácie, ktorá bola zvolená počas amplitúdového kvantovania.

Kódovanie v PCM môže byť realizované pomocou rôznych kódovacích schém, napríklad pomocou binárneho kódu, Grayovho kódu alebo iných. Pri dekódovaní signálu sa digitálne kódy pre každú vzorku signálu prevedú späť na ich pôvodné analógové hodnoty, čím sa signál rekonštruuje späť do svojej pôvodnej podoby.

Dekódovanie

Dekódovanie v PCM je proces, ktorý sa používa na prevod digitálnych kódov, ktoré boli vygenerované kódovaním vzoriek analógového signálu, späť na pôvodné analógové hodnoty. Proces dekódovania sa realizuje v opačnom poradí ako kódovanie. Najprv sa dekódujú digitálne kódy späť na diskretizované hodnoty signálu, ktoré boli získané počas amplitúdového kvantovania, a následne sa tieto diskretizované hodnoty rekonštruujú späť na pôvodný analógový signál pomocou procesu interpolácie.

Pri dekódovaní je dôležité, aby sa použil správny počet bitov na kódovanie každej vzorky signálu, ktorý bol zvolený počas kódovania. Ak sa použije nesprávny počet bitov, môže to viesť k skresleniu signálu alebo strate informácií.

Použitie ADC v PCM

ADC (Analog-to-Digital Converter) sa používa na prevod analógového signálu na digitálny. ADC meria amplitúdu analógového signálu v pravidelných intervaloch - prijíma okamžité hodnoty alebo počty signálu a potom ich prevádza na binárne slová.

Okamžitá nameraná hodnota (odčítaná hodnota) analógového signálu je kvantifikovaná v úrovniach (zaokrúhlená na najbližšie celé číslo). Počet kvantifikačných úrovní sa zvyčajne rovná celočíselnému stupňu 2 alebo je jeho násobkom, napr. 23 = 8, 24 = 16, 25 = 32 atď. Počet úrovní sa kóduje v binárnych slovách s dĺžkou 3, 4, 5 atď. bitov.

Výstupné slová ADC v paralelnom kóde sa potom kódujú pomocou prenosu do posuvného registra taktovaného pomocným oscilátorom posuvu. Výstup posunovacieho registra generuje balíky kódovaných impulzov v sériovom kóde. Balíky impulzov sa potom prenesú do komunikačného kanála.

V prvom kroku, analógový signál sa vzorkuje a získava sa séria vzoriek signálu. Tieto vzorky sú zaznamenané v časovej doméne, čo znamená, že vzorky sú zachytené v určitých časových intervaloch.

V druhom kroku, amplitúdy týchto vzoriek sa kvantizujú do konečného počtu diskrétnych úrovní amplitúdy. To znamená, že každá vzorka signálu sa priradí k najbližšej amplitúdovej úrovni.

V poslednom kroku, tieto digitálne úrovne amplitúdy sa kódujú do binárneho formátu. Binárny kód každej vzorky sa posiela po digitálnej linke ako séria bitov.

ADC sa používa v prvých dvoch krokoch, teda pri vzorkovaní a kvantovaní. Vzorkovanie znamená prevod kontinuálneho signálu na diskrétny signál pomocou vzorkovania v určitých časových intervaloch. ADC prevádza kontinuálny signál na diskrétny signál a kvantovačný krok potom priradí diskrétny signál k najbližšej amplitúdovej úrovni.

Celý proces sa opakuje pre každú vzorku signálu, čím sa vytvára séria diskrétnych úrovní amplitúdy, ktoré sa potom kódujú do binárneho formátu. Tento binárny kód sa následne posiela po digitálnej linke.

A/D a D/A prevodníky

Analogovo-digitálne (A/D) a digitálno-analogové (D/A) prevodníky sú dôležitou súčasťou procesu PCM. A/D prevodník transformuje analógový signál na digitálny signál, ktorý je následne spracovaný v PCM systéme. Na druhej strane, D/A prevodník transformuje digitálny signál späť na analógový signál na výstupe z PCM systému.

V PCM systéme je A/D prevodník umiestnený na začiatku signálového reťazca, zatiaľ čo D/A prevodník je umiestnený na konci reťazca. Toto usporiadanie umožňuje analógový signál previesť na digitálny signál pomocou A/D prevodníka a potom ho spracovať v PCM systéme. Po dokončení spracovania sa digitálny signál prevedie na analógový signál pomocou D/A prevodníka.

A/D prevodníky majú obvykle vstupný rozsah napätia, ktorý určuje minimálne a maximálne napätie, ktoré môžu byť prevzorkované a digitalizované. Na výstupe A/D prevodníka sa zvyčajne používa binárny kód. V PCM systéme je výstupný signál z A/D prevodníka ďalej spracovaný a uložený v pamäti.

D/A prevodníky na druhej strane pracujú na princípe, že každý binárny kód na vstupe je prevodený na určité napätie na výstupe. V PCM systéme sú digitálne dáta pre D/A prevodník získané z pamäti a prevádzané na analógový signál. Výstup z D/A prevodníka je potom ďalej spracovaný v analógovej doméne.

Celkový výkon PCM systému závisí od kvality A/D a D/A prevodníkov. Vysoká kvalita prevodníkov zabezpečuje, že digitalizovaný signál zachytáva presnú podstatu pôvodného analógového signálu a že signál na výstupe je presnou replikou pôvodného signálu.

PCM vs. ine spôsoby digitálneho kódovania

PCM sa používa ako spôsob digitálneho kódovania signálu, ale existujú aj iné spôsoby digitálneho kódovania. Jedným z týchto spôsobov je Delta modulácia (DM), ktorá funguje na základe porovnávania amplitúdy signálu so vzorkou predchádzajúceho vzorkovacieho obdobia. DM má výhodu menšej šírky pásma v porovnaní s PCM, ale kvalita signálu môže byť horšia, pretože ak sa signál zmení príliš rýchlo, môže dôjsť k chybám v kódovaní.

Ďalším spôsobom digitálneho kódovania signálu je adaptívna delta modulácia (ADM), ktorá umožňuje menšie zmeny pri rýchlych zmenách signálu. ADM používa adaptívne kvantizovanie, aby sa prispôsobila rýchlosti zmien signálu.

Existujú aj iné spôsoby digitálneho kódovania, ako je napríklad kódovanie s predpovedou (predictive coding), ktoré sa používa na zlepšenie kvality signálu a znižovanie dátových nárokov.

Celkovo sa PCM považuje za jeden z najpresnejších a najspoľahlivejších spôsobov digitálneho kódovania signálu, pretože uchováva presnú kópiu pôvodného signálu a má vysokú reprodukčnú presnosť.

Šifrovanie a ukladanie dát

PCM, ako digitálny kódovací systém, môže byť použitý aj na šifrovanie a ukladanie dát. Šifrovanie zabezpečuje, že dáta zostanú bezpečné a nebudú môcť byť prečítané neoprávnenými osobami. Ukladanie dát zase umožňuje archiváciu informácií na dlhodobé použitie.

V prípade šifrovania dát sa používa kryptografický algoritmus, ktorý umožňuje prekódovanie informácie tak, aby bolo pre ostatných ťažké ju prečítať. V PCM sa to zvyčajne robí tak, že sa informácia rozdelená do menších častí, ktoré sú následne kódované pomocou kryptografického algoritmu. Takto zašifrované dáta sú potom prenášané a ukladané v bezpečnom režime.

Ukladanie dát pomocou PCM umožňuje uchovávanie informácií v digitálnej podobe na rôznych médiách, ako sú napríklad pevné disky, USB kľúče alebo pamäťové karty. Tieto médiá môžu byť neskôr použité na prenos informácií alebo na archiváciu. V prípade archivácie je dôležité, aby boli dáta uložené v bezpečnom režime a aby bola zabezpečená ich dlhodobá dostupnosť.

PCM a MP3

PCM a MP3 sú dva odlišné spôsoby digitálneho kódovania zvukových signálov. Zatiaľ čo PCM ukladá každý vzorkový bod zvukového signálu v digitálnej forme, MP3 využíva tzv. kompresiu bez straty alebo so stratou.

Pri kompresii bez straty sa snaží zachovať každý detail zvukového signálu, zatiaľ čo pri kompresii so stratou sa niektoré informácie strácajú, aby sa dosiahla väčšia kompresia. MP3 využíva kompresiu so stratou, pri ktorej sa odstráňujú niektoré frekvencie, ktoré nie sú pre ľudské ucho dôležité, a zároveň sa využívajú algoritmy kompresie, ktoré odstraňujú redundancie v signále.

PCM využíva veľké množstvo dát a neumožňuje tak úsporné ukladanie zvukových súborov na úkor kvality. MP3 je však vhodnejšie pre digitálne ukladanie a prenos hudby a zvukových záznamov, pretože dosahuje vyššiu kompresiu a menšiu veľkosť súborov. Pri kritickom posudzovaní kvality zvuku sa však všeobecne považuje PCM za lepšie riešenie.

PCM formáty

PCM formáty sú štandardizované formáty pre ukladanie PCM dát. Tieto formáty špecifikujú, ako sú dáta kódované, ako sú zapísané a ako sú neskôr dekódované a prehrávané.

Existuje mnoho rôznych PCM formátov, z ktorých každý má svoje vlastné vlastnosti a použitie. Niektoré z najbežnejších PCM formátov sú:

• WAV - Tento formát je jedným z najstarších a najbežnejších PCM formátov. Je to nekomprimovaný formát, ktorý sa používa pre ukladanie zvukových nahrávok. WAV súbory môžu byť uložené v rôznych vzorkovacích frekvenciách a bitových hĺbkach.
• AIFF - Tento formát je tiež nekomprimovaný a používa sa na ukladanie zvukových nahrávok na Macintosh počítačoch. Podobne ako WAV, AIFF súbory môžu byť uložené v rôznych vzorkovacích frekvenciách a bitových hĺbkach.
• FLAC - Tento formát je obľúbený pre ukladanie a prehrávanie hudby vo vysokom rozlíšení. FLAC súbory sú komprimované, čo znamená, že zaberajú menej miesta na disku, ale neznižujú kvalitu zvuku. Súbory FLAC sú schopné zachovať zvukové informácie v plnom rozsahu a dokážu ich znížiť o 50-60% pôvodnej veľkosti.
• ALAC - Tento formát bol vyvinutý spoločnosťou Apple a používa sa na ukladanie zvukových nahrávok v nekomprimovanom formáte. ALAC súbory sú podobné súborom FLAC, ale sú optimalizované pre použitie na Apple zariadeniach.
• DSD - Tento formát sa používa pre ukladanie a prehrávanie zvukov vysokého rozlíšenia. DSD súbory majú vzorkovaciu frekvenciu až 2,8 MHz a používajú 1-bitové kódovanie. DSD formát je obľúbený pre ukladanie zvukových záznamov vo formáte SACD.
• MP3 - Tento formát nie je pravým PCM formátom, ale je to veľmi bežný formát pre digitálnu hudbu. MP3 súbory sú komprimované, čo znamená, že sú menšie ako PCM súbory, ale znižujú kvalitu zvuku.

Odrody PCM

V rámci PCM existujú rôzne odrody, ktoré sa líšia spôsobom, akým riešia niektoré problémy spojené s digitálnym kódovaním signálu.

• Delta-sigma modulácia (DSM): Tento typ modulácie sa používa najmä v zvukovom priemysle. DSM redukuje množstvo dát, ktoré sa majú uložiť, tým, že zvukový signál sa najprv konvertuje na 1-bitový signál, ktorý sa následne digitalizuje pomocou PCM. Tento proces sa nazýva delta-sigma modulácia a je v súčasnosti najčastejšou formou PCM používanou v zvukovom priemysle.
• Adaptívna delta modulácia (ADM): Tento typ modulácie umožňuje variabilnú vzorkovaciu frekvenciu a kvantizačnú úroveň, čím zvyšuje efektivitu kódovania a znižuje množstvo dát, ktoré je potrebné uložiť. ADM sa používa najmä v telekomunikačnej a rádiových systémoch, ako aj v priemyselnej automatizácii.
• Diferenciálna PCM (DPCM): Tento typ PCM sa používa na redukciu množstva dát, ktoré je potrebné prenosom uložiť, tým, že sa nezaznamenáva samotná hodnota vzorky, ale len rozdiel medzi aktuálnou a predchádzajúcou vzorkou. DPCM sa používa v televíznej technike, pri digitalizácii obrazov a zvukov.
• Lineárna predpovedná PCM (LPCM): Tento typ PCM používa predpoveď na predpovedanie ďalšej hodnoty vzorky. LPCM sa používa najmä v hovorových systémoch, kde sa znižuje množstvo dát, ktoré je potrebné prenášať.
• Čiastočná PCM (PPCM): Tento typ PCM používa na kódovanie nízkofrekvenčných signálov, ktoré nie sú dôležité pre konečný výsledok. PPCM umožňuje uloženie signálu s vyššou presnosťou v kritických oblastiach signálu a s nižšou presnosťou v nekritických oblastiach.
• Adaptívna predpovedná PCM (APCM): Adaptívna predpovedná PCM (APCM) je metóda používaná v PCM, ktorá umožňuje lepšie využitie šírky pásma a zvyšuje kvalitu zvuku. APCM využíva adaptívnu predpoveď signálu a následne kodifikuje rozdiel medzi predpovedanou hodnotou a skutočnou hodnotou signálu. Tento rozdiel, ktorý sa nazýva predikčná chyba, sa potom kóduje pomocou PCM. Vzhľadom na to, že predpovedaná hodnota signálu sa mení v čase, APCM dynamicky mení parametre adaptívnej predpovede na základe aktuálnych podmienok signálu. Tým sa dosahuje lepšia kompresia signálu a zlepšenie kvality zvuku, čo robí APCM užitočnou metódou pre kompresiu zvuku v telefónii, voicu a zvukovom prenose na diaľku.

Digitálne kódy v PCM

V PCM sa používa digitálne kódovanie pre prevod analógového signálu na digitálny signál. Existujú rôzne druhy digitálnych kódov, ktoré sa môžu použiť pri PCM. Niektoré z týchto kódov sú:

• Lineárny kód: Lineárny kód sa používa najčastejšie pri PCM a zvyčajne sa nazýva Pulse Amplitude Modulation (PAM). PAM spočíva v tom, že amplitúda signálu sa odčítava v diskrétnych intervaloch a každá hodnota je reprezentovaná binárnym kódom.
• Delta kód: Delta kód alebo Delta modulácia je ďalší spôsob digitálneho kódovania signálu v PCM. Delta kód zahŕňa meranie rozdielu medzi súčasným a predchádzajúcim vzorkom signálu a reprezentuje ho ako binárny kód.
• Komparátorový kód: Komparátorový kód sa používa na kódovanie signálu, ktorý sa mení pomaly. Tento kód sa používa najmä pri meraní teploty alebo podobných veličínach. V tomto prípade sa používa porovnávanie signálu so stálym referenčným signálom a reprezentuje sa ako binárny kód.
• Modifikovaný pamäťový kód: Modifikovaný pamäťový kód (MPCM) sa používa v prípade, že signál, ktorý sa má kódovať, sa mení veľmi pomaly. V tomto prípade sa používa predchádzajúci vzorka signálu na určenie nového kódu.

Tieto rôzne druhy digitálnych kódov sa používajú v závislosti od aplikácie a potrieb používateľov. V niektorých prípadoch sa môže použiť kombinácia týchto kódov na dosiahnutie optimálneho výsledku

Použitie PCM

• Záznam zvuku: V zvukovom priemysle sa PCM používa na digitálne nahrávanie a ukladanie zvukových súborov.
• Lekárska technika: V medicíne sa PCM používa na digitálne ukladanie lekárskych obrazov a zvukových záznamov.
• Práca s obrazom: V oblasti vizuálneho umenia sa PCM používa na digitalizáciu obrazov a na ukladanie digitálnych obrazových súborov.
• Automobilový priemysel: V moderných automobiloch sa PCM používa na digitálnu spracovanie zvukových signálov a na riadenie systémov zvukovej sústavy.
• Meranie a riadenie: V priemyselnej automatizácii a meraní sa PCM používa na digitálne spracovanie a prenos signálov.
• Počítačové siete: V počítačových sieťach sa PCM používa na digitálne prenosy dát.
• Vo vojenskom priemysle: V oblasti bezpečnosti a vojenských aplikáciách sa PCM používa na digitálne prenosy signálov.
• V komunikácii: Sa často využíva aj v oblasti komunikácie, a to najmä v digitálnej komunikácii.
• V priemysle: kde slúži ako kľúčová technológia pre digitálnu spracovanie signálov.

Toto nie je však výčet všetkých oblastí, v ktorých sa PCM používa, pretože existuje mnoho ďalších oblastí a aplikácií, kde sa tento spôsob digitálneho kódovania signálov používa.

V zvukovom priemysle

PCM sa v zvukovom priemysle používa na digitalizáciu zvukového signálu a jeho uchovanie v digitálnej podobe. Je to jeden z najpoužívanejších spôsobov digitálneho kódovania zvuku a je používaný v širokej škále aplikácií, ako sú napríklad digitálne nahrávacie zariadenia, CD prehrávače, zvukové karty a iné.

Pri digitálnej nahrávke zvuku sa používa vzorkovanie a kvantovanie, aby sa analógový signál zmenil na sériu binárnych čísel. Tieto binárne čísla sa ukladajú do digitálnej podoby a neskôr môžu byť prehrávané alebo upravované pomocou softvéru.

PCM má v zvukovom priemysle niekoľko výhod oproti iným formátom digitálneho kódovania. Napríklad, PCM zachováva vysokú kvalitu zvuku a má malú stratu dát počas prevodu z analógového signálu na digitálny. Taktiež umožňuje presné a opakované opätovné vytvorenie zvukového signálu, čo je dôležité v profesionálnom záznamovom priemysle.

V súčasnej dobe existuje mnoho rôznych formátov digitálneho zvuku, ktoré konkuruje s PCM, ako napríklad MP3 a WAV. PCM však zostáva populárnym formátom pre profesionálne nahrávky zvuku a záznam zvukových stop v kinematografii.

Využitie PCM v zvukovom priemysle sa neobmedzuje len na digitálne nahrávacie zariadenia a softvér, ale rozširuje sa aj na rôzne zariadenia pre reprodukciu zvuku, ako sú napríklad zvukové karty, slúchadlá, reproduktory a iné.

V konečnom dôsledku PCM umožňuje presnú digitalizáciu a reprodukciu zvukového signálu s minimálnou stratu kvality zvuku, čo umožňuje profesionálnym nahrávacím štúdiám a zvukovým inžinierom vytvárať vysokokvalitné zvukové nahrávky.

V medicíne

PCM sa používa aj v medicíne a bioinžinierstve na digitalizáciu analógových signálov získaných z rôznych zdrojov, ako sú napríklad elektroencefalografické (EEG), elektrokardiografické (EKG) a elektromyografické (EMG) signály.

V oblasti medicíny sa PCM používa na ukladanie a prenos digitálnych signálov, ktoré zaznamenávajú činnosť orgánov a tkanív v tele. Vďaka použitiu PCM je možné tieto signály uložiť v digitálnej forme, ktorá je ľahko prenositeľná a spracovateľná. V medicíne sa PCM používa na zaznamenávanie EKG signálov, ktoré sa používajú na diagnostiku a monitorovanie srdcových ochorení. PCM sa tiež používa na zaznamenávanie EEG signálov, ktoré sa používajú na diagnostiku ochorení mozgu a nervového systému.

Okrem toho sa PCM používa aj v oblasti bioinžinierstva na zber dát z bioelektrických signálov. Napríklad sa používa na meranie svalovej aktivity pomocou EMG, kde sa zaznamenávajú signály z povrchu svalov a prevedú sa na digitálny signál pomocou PCM. Tieto digitálne signály sa potom môžu použiť na rôzne účely, ako napríklad na diagnostiku a liečbu svalových ochorení alebo na zlepšenie výkonu športovcov.

Výhodou použitia PCM v medicíne a bioinžinierstve je, že umožňuje presný zber a analýzu dát, čo môže viesť k presnejšej diagnostike a liečbe. Okrem toho, digitálny formát signálov umožňuje ich ľahšiu archiváciu a prenos medzi zariadeniami, čo môže uľahčiť komunikáciu medzi lekármi a pacientmi.

V praxi sa však môžu vyskytnúť aj nevýhody použitia PCM v medicíne. Napríklad ak nie sú použité správne nastavenia pri vzorkovaní alebo kvantizácii signálov, môže dôjsť k stratám dôležitých informácií. Navyše, ak sa signály nezaznamenávajú správne, môžu sa vyskytnúť chyby pri diagnóze alebo liečbe. Vyššie uvedené príklady ukazujú, ako PCM poskytuje základ pre mnohé aplikácie v medicíne, ktoré sú dôležité pre diagnostiku a liečbu rôznych ochorení.

Práca s obrazom

PCM sa používa na digitalizáciu aj obrazových signálov, pričom každý pixel obrázka sa považuje za analógový signál, ktorý je vzorkovaný, kvantovaný a kódovaný pomocou PCM. Proces digitalizácie obrazu pomocou PCM pozostáva z niekoľkých krokov, ktoré sú podobné tým, ktoré sa používajú pri digitalizácii zvukového signálu.

V prvom kroku, obrazový signál sa vzorkuje a získava sa séria vzoriek signálu, ktoré predstavujú intenzitu farby každého pixelu v určitom časovom okamihu. Vzorkovanie obrazu sa obvykle vykonáva rýchlosťou najmenej 2 krát vyššou ako maximálna frekvencia v signáli, aby sa zabezpečila dostatočná presnosť.

V druhom kroku, amplitúdy týchto vzoriek sa kvantizujú do konečného počtu diskrétnych úrovní intenzity farby. To znamená, že každá vzorka signálu sa priradí k najbližšej úrovni intenzity farby.

V poslednom kroku, tieto diskrétne úrovne intenzity farby sa kódujú do binárneho formátu. Binárny kód každej vzorky sa posiela po digitálnej linke ako séria bitov. Celý proces sa opakuje pre každý pixel v obraze, čím sa vytvára séria diskrétnych úrovní intenzity farby, ktoré sa potom kódujú do binárneho formátu.

V PCM sa často používa kompresia, aby sa znížila veľkosť digitálnych súborov obrazov. Existujú rôzne algoritmy na kompresiu PCM súborov, ktoré sa používajú na zníženie veľkosti súboru bez výrazného poklesu kvality obrazu.

Pri práci s obrazom v PCM je dôležité zabezpečiť dostatočné rozlíšenie a vzorkovaciu frekvenciu, aby sa zachovala dostatočná kvalita obrazu. Kvalita obrazu sa môže zhoršiť, ak sa použije nedostatočné rozlíšenie alebo vzorkovacia frekvencia.

V automobilovom priemysle

Pulzná kódová modulácia má v automobilech široké spektrum využitia a zohráva významnú úlohu pri zabezpečovaní kvality zvuku a komunikácie. Pretože PCM umožňuje digitálne kódovanie analógového signálu, môže byť použitá na zaznamenávanie, prenos a spracovanie zvukových signálov v rôznych zariadeniach v automobile.

Jedným z najbežnejších spôsobov využitia PCM v automobilech je v audio systémoch. PCM umožňuje digitálne kódovanie zvukového signálu, čím sa zlepšuje kvalita zvuku a znižuje sa množstvo šumu, ktorý môže byť prítomný pri analógovom prenose signálu. Zvukové signály sú najskôr vzorkované a potom sú digitalizované pomocou PCM. Potom môžu byť tieto digitálne signály prevedené späť na analógové pomocou D/A prevodníka a reprodukované zvukovými reproduktormi v aute.

Okrem audio systémov je PCM používaná aj v navigačných a komunikačných zariadeniach v automobile. PCM umožňuje digitálne kódovanie hlasových správ a prenos dát, čím zabezpečuje rýchlejšie a spoľahlivejšie prenosy. Napríklad Bluetooth a hands-free systémy v aute používajú PCM na digitalizáciu hovorov a prenos digitálneho zvuku. Taktiež navigačné zariadenia používajú PCM na digitalizáciu hlasových správ, ktoré vedú vodičov v aute po určenej trase.

V meraní a riadení

PCM nachádza široké uplatnenie aj v oblasti merania a riadenia. V tejto oblasti sa používa na digitalizáciu analógových signálov z meracích prístrojov a senzorov, ako aj na riadenie rôznych zariadení a systémov.

Jedným z príkladov je použitie PCM v automobiloch na zber a spracovanie dát z rôznych senzorov a zariadení, ako sú napríklad senzory polohy pedálov, senzory tlaku v pneumatikách alebo senzory umiestnené na brzdách a podvozku. Tieto dáta sa následne používajú na riadenie rôznych systémov v automobile, ako sú napríklad systémy riadenia motora, bezpečnostné systémy a systémy riadenia podvozku.

V priemysle sa PCM používa na meranie a monitorovanie rôznych parametrov, ako sú napríklad tlak, teplota, vlhkosť, rýchlosť, vibrácie a mnoho ďalších. Tieto dáta sa používajú na riadenie rôznych procesov v priemysle, ako sú napríklad procesy výroby, spracovania a distribúcie.

PCM sa tiež používa v medicíne na digitalizáciu signálov z rôznych zdravotníckych prístrojov a senzorov, ako sú napríklad elektrokardiografy a senzory krvného tlaku. Tieto dáta sa následne používajú na diagnostiku a monitorovanie stavu pacienta.

V oblasti telekomunikácií sa PCM používa na digitalizáciu hlasových signálov a ich prenos po telefónnych linkách. Tento proces sa nazýva digitálne tranzitovanie a umožňuje prenos hovorov s vysokou kvalitou zvuku a odolnosťou proti rušeniu a šumu.

V súčasnosti sa PCM využíva aj v rôznych digitálnych zvukových systémoch, ako sú napríklad digitálne zvukové záznamy, CD prehrávače, digitálne audio systémy a mnoho ďalších. PCM umožňuje digitálne zaznamenávanie zvukových signálov s vysokou presnosťou a kvalitou, čím poskytuje poslucháčom skvelý zážitok z počúvania hudby a zvuku.

V počítačové siete

PCM sa v počítačových sieťach používa na prenos digitálnych dátových signálov, vrátane zvukových a obrazových súborov. Digitálny signál sa digitalizuje pomocou PCM a potom sa pošle po digitálnej linke na druhý koniec siete. Na prijímacom konci sa signál dekóduje a rekonštruuje do pôvodnej formy.

Jedným z hlavných spôsobov, ako sa PCM používa v počítačových sieťach, je prostredníctvom komunikácie v reálnom čase, kde sú digitálne signály zvukových alebo obrazových súborov prenášané po sieti takmer okamžite, aby bolo možné komunikovať s ostatnými používateľmi bez oneskorenia.

PCM sa tiež používa v počítačových sieťach na prenos dátových súborov, ako sú dokumenty, obrázky a videá. Dáta sa digitalizujú pomocou PCM, aby sa zabezpečila ich presnosť a integrita počas prenosu cez sieť. Toto je dôležité najmä pre dáta, ktoré sú citlivé na chyby, ako sú napríklad dáta v lékarskych záznamoch alebo finančných transakciách.

Použitie PCM v počítačových sieťach má však aj svoje obmedzenia. Najväčším obmedzením je obmedzená prenosová rýchlosť, ktorá môže spôsobiť oneskorenia v prenose dát. Tento problém sa v súčasnosti rieši pomocou vysokorýchlostných internetových pripojení a špecializovaných sieťových technológií.

V každom prípade, použitie PCM v počítačových sieťach umožňuje spoľahlivý a presný prenos digitálnych signálov cez sieť, čo je dôležité pre mnoho aplikácií, vrátane komunikácie v reálnom čase, online streamingu a prenosu dát.

Vo vojenskom priemysle

PCM má významné uplatnenie aj vo vojenskom priemysle. Používa sa najmä v oblasti telekomunikácií, rádiových komunikácií, ako aj v oblasti analýzy a spracovania signálov.

Vojenské komunikačné systémy používajú PCM ako spôsob prenosu hovoru a dát medzi rôznymi zariadeniami, ako sú napríklad vysielače, prijímače, rádiové stanice a podobne. Vďaka digitálnej spracovaniu signálov sa znižuje množstvo šumu a interferencií, ktoré môžu viesť k narušeniu signálu a jeho nepresnej interpretácii. Okrem toho sa používa aj v rôznych senzorických zariadeniach na zber a analýzu dát.

PCM sa tiež využíva v oblasti analýzy radarových signálov a v kryptografii, kde sa využíva na zabezpečenie komunikácie a prenosu dát.

Vo vojenskom priemysle sa používa aj na digitalizáciu obrazových a videodát z rôznych zdrojov, ako sú napríklad kamery a snímače, a ich následné spracovanie a interpretácia. Okrem toho sa využíva aj v oblasti sonaru, kde sa pomocou digitálneho spracovania signálu zlepšuje schopnosť rozpoznávania objektov pod vodou.

Výhody PCM v aplikáciách vo vojenskom priemysle sú zrejmé - znižuje množstvo šumu a interferencií, zlepšuje kvalitu prenosu hovoru a dát a umožňuje presnú interpretáciu signálov. Okrem toho, digitálne spracovanie signálov umožňuje ich rýchlu analýzu a interpretáciu, čo môže byť výhodou v rôznych vojenských aplikáciách, kde je potrebná rýchla a presná reakcia.

V komunikácii

Pulzná kódová modulácia sa často využíva aj v oblasti komunikácie, a to najmä v digitálnej komunikácii. Prenos signálu pomocou PCM umožňuje presnosť a spoľahlivosť prenosu, čo je v komunikácii veľmi dôležité.

V telekomunikačných systémoch sa PCM používa pre digitalizáciu hlasu a prenos digitálnych dát. Taktiež sa využíva v satelitných a rádiových prenosoch, kde je kvalita signálu často obmedzená šumom a interferenciami. V takýchto prípadoch sa využíva kanálové kódovanie, ktoré zabezpečuje bezchybný prenos informácií pomocou PCM.

Okrem toho sa PCM využíva aj v optických sieťach, kde umožňuje prenos vysokorýchlostných dát až do gigabitov za sekundu. V kombinácii s multiplexovaním a inými technológiami umožňuje PCM komunikáciu na dlhé vzdialenosti s vysokou rýchlosťou a spoľahlivosťou.

V súčasnosti sa v oblasti komunikácie stále vyvíjajú nové technológie a PCM sa postupne nahradzuje modernými systémami, ako je napríklad OFDM alebo MIMO, ktoré umožňujú ešte lepšiu prenosovú rýchlosť a spoľahlivosť. Napriek tomu zostáva PCM dôležitou súčasťou digitálnej komunikácie a jeho princípy sa využívajú aj v moderných systémoch.

V priemysle

PCM používa aj v priemysle, kde slúži ako kľúčová technológia pre digitálnu spracovanie signálov. Vďaka PCM môžu priemyselné zariadenia spracúvať signály z rôznych senzorov a výstupov a prevádzať ich do digitálnej podoby pre ďalšie spracovanie. To umožňuje efektívnejšiu a spoľahlivejšiu kontrolu v priemyselných procesoch, čo vedie k lepšej kvalite výrobkov a znižovaniu nákladov.

Konkrétne v oblasti automatizácie sa PCM používa na meranie rôznych parametrov, ako je napríklad teplota, tlak, rýchlosť, poloha a vibrácie. Senzory v priemysle často využívajú analogové signály, ktoré sa musia previesť na digitálnu podobu pomocou A/D prevodníkov. Tieto digitálne signály sa potom môžu spracovať pomocou rôznych algoritmov a poskytnúť informácie o stave a výkone priemyselného procesu.

V oblasti telekomunikácií a vysielania PCM slúži ako kľúčová technológia pre digitálne prenosy hlasových a obrazových signálov. Výhodou PCM v tejto oblasti je, že umožňuje vysokú kvalitu prenosu a menej citlivosti na rušenie v porovnaní s analógovými prenosmi.

V neposlednom rade sa PCM využíva aj v zvukovom priemysle, kde slúži ako kľúčová technológia pre digitálnu nahrávku a reprodukciu zvuku. Vďaka PCM môže zvukový inžinier zaznamenať zvuk do digitálnej podoby a potom ho ďalej spracovať pomocou rôznych algoritmov pre dosiahnutie požadovanej kvality a zvukovej charakteristiky.

Výhody a nevýhody PCM

PCM je metóda, ktorá má niekoľko výhod a nevýhod.

Výhody:

• Kvalita signálu: PCM poskytuje vysokú kvalitu signálu s minimálnou strátou informácií.
• Odolnosť voči rušeniu: Digitálny signál PCM je menej náchylný na rušenie v porovnaní s analógovým signálom.
• Flexibilita: PCM je flexibilná metóda kódovania, ktorá sa môže prispôsobiť rôznym typom signálov.
• Jednoduché spracovanie signálu: PCM umožňuje jednoduché spracovanie signálov a ich ukladanie na digitálne médiá.
• Kompatibilita: PCM je štandardizovaná metóda kódovania a prenosu signálov, čo umožňuje kompatibilitu medzi rôznymi zariadeniami a systémami.

Nevýhody:

• Veľkosť súborov: PCM signály vyžadujú väčšie množstvo dát na uchovanie, čo môže viesť k väčšej veľkosti súborov a náročnosti na pamäťové zariadenia.
• Náklady: Digitálne spracovanie signálu vyžaduje nákladnejšie zariadenia a procesy, ako je napríklad A/D prevodník.
• Latencia: PCM môže mať vyššiu latenciu v porovnaní s analógovým signálom, čo môže byť kritické pre určité aplikácie, ako napríklad v medicíne a vojenských systémoch.
• Zmena kvality signálu: V niektorých prípadoch môže digitálne kódovanie a dekódovanie signálu viesť k strate informácií a zhoršeniu kvality signálu, najmä ak nie sú použité dostatočne vysoké vzorkovacie frekvencie.
• Potreba špeciálneho vybavenia: Niektoré aplikácie, ako napríklad v medicíne, vyžadujú špeciálne vybavenie na digitálne spracovanie PCM signálov, čo môže byť drahé a náročné na údržbu.

Zhrnutie výhod a nevýhod PCM ukazuje, že táto metóda digitálneho prenosu signálov má svoje výhody a nevýhody. Výhody zahŕňajú vysokú presnosť, malú stratu signálu, jednoduché spracovanie a účinnosť pri prenose analógových signálov. Nevýhody zahŕňajú zvýšené požiadavky na prenosové médium, náchylnosť na šum a potrebu špeciálnych dekódovacích zariadení.

Pozri aj

• analógovo-digitálny prevodník
• časový multiplex

Iné projekty

Commons

• Commons ponúka multimediálne súbory na tému Pulzná kódová modulácia