PCM (脉冲编码调制)

调制是一个过程，其中载波信号的不同参数（振幅、频率和相位）随消息信号的瞬时值而变化。 载波信号是一个高频信号，消息信号是从发射器发送到接收器的原始信号。 消息信号将信息从一个地方传送到另一个地方。 载波信号与消息信号一起使用，使其适合 长距离传输。

不同的调制技术使用不同的参数将信号从发射器传输到接收器。 在这里，我们将讨论 PCM（脉冲编码调制）技术，这是一种 数字调制 方法，用于传输信号。

PCM 系统将模拟输入信号转换为 数字信号，数字信号是来自二进制数字 0 和 1 创建的二进制序列的组合。 模拟信号是一个连续波，而 PCM 信号是一系列数字的波。 因此，我们可以将 PCM 定义为一种调制方法，它以代表 代码号 的二进制数字的形式传输脉冲。

模拟波形和相应的 PCM 波形的简单图表如下所示

PCM 信号的电气表示

信号以电的形式从发射器传输到接收器。 这是因为电子设备依靠电流来运行。 二进制数字以电脉冲的形式表示，以通过通信信道传输代码。 下面显示了一个以电脉冲形式表示的二进制数字的简单图表

二进制数字“0”表示没有脉冲，而二进制数字“1”表示脉冲存在。 上图显示了描述 0 到 5 的二进制数的三位数字序列。 数字脉冲的第一个序列 (a) 是作为量化样本序列传输到接收器的 PCM 波形。 第二个序列 (b) 是表示数字脉冲的另一种方法。 代表二进制形式的十进制数的三位数字序列指定了一个称为 word 的采样值。 两个相邻单词之间的空间有助于信号的轻松复用和解复用。

在接收端，脉冲的存在和不存在有助于我们确定编码信号的二进制数字。 脉冲幅度在检测二进制数字时并不重要。 较宽的脉冲宽度可以很容易地识别出脉冲与噪声的对比。 上升脉冲表示数字 '1'，较低电平脉冲表示数字 '0'。

PCM 系统

通信系统包含 发射器、信道 和 接收器。 发射器和接收器具有各种组件，具体取决于输入信号和输出要求。 它执行两个功能，即 调制 和 解调。 调制将消息信号与载波信号一起发送，这有助于增强信号的特性。 它还消除了信号中的任何噪声、干扰或失真。 解调过程 恢复 原始信号，使其适合接收器。

信号在传输之前被采样和量化。 它允许我们执行 TDM（时分复用）并减少噪声的影响。 采样和量化操作的结合产生数字 PAM（脉冲幅度调制）信号，其中脉冲的幅度随消息信号的瞬时值而变化。 我们可以直接传输这些值，也可以使用编码方法来传输代码而不是值。 代码号在传输前以二进制形式表示。 例如，传输方法是使用 PCM 系统执行的。

脉冲编码调制系统的框图如下所示

PCM 系统的组成部分是 低通滤波器、采样器、量化器、编码器、通信信道、量化器、解码器 和 重建滤波器。 输入消息信号 m(t) 是应用于采样器的模拟信号。 量化器和编码器的组合称为 ADC（模数转换器）。 A/D 转换器用代码符号替换模拟信号，其中每个符号代表解释为二进制数字的脉冲串。 第一个量化器存在于发送端，而第二个量化器存在于接收端。 通过脉冲编码调制系统传输的信号也称为数字编码信号。

让我们详细讨论 PCM 系统的组成部分。

LPF

顾名思义，滤波器通过某个范围的频率并拒绝其他频率。 低通滤波器 (LPF) 拒绝输入信号中的较高频率，并传递滤波器指定的其他频率。 这样做是为了避免输入信号中的任何混叠或失真。

采样器

采样是指测量连续信号的瞬时值是 离散形式 的过程。 PCM 系统的输入信号是模拟信号，它是一个连续的时变信号。 模拟信号通过采样器，它会定期采样。 采样器测量模拟信号的瞬时值，将其转换为离散符号，并将其发送到量化器。

量化器

经过采样器后，对样本进行量化操作。 它减少了离散符号的数量。 量化器执行 数据压缩 和 数据冗余 的过程。 它添加了一些冗余位并压缩数据以使其适合存储和传输。

编码器

编码器是将模拟信号转换为数字脉冲的设备。 它通过生成二进制脉冲或模式来响应每个样本。 低通滤波器、量化器和编码器的组合充当 A/D 或模数转换器。 它还减少了传输带宽。

通信信道

通信信道是发射器和接收器之间的媒介。 它将 PCM 信号从发射器传输到接收器。 它还包括一个 中继器，可以再生信号，提高信号强度并减少噪声影响。

包含再生中继器的 PCM 系统如下图所示

量化器

量化器决定接收到的脉冲是正的还是负的。 根据该决定，它会 再生 脉冲串并将其发送到解码器。

量化器首先在发送阶段量化样本脉冲。 现在，第二个量化器的量化过程变得容易。 它只需要检测数字脉冲的到达。 量化器以二进制数的形式检测代码很容易，它只包含两个数字，0 和 1。当来自第一个量化器的量化样本直接发送到第二个量化器时，该过程变得复杂。 然后它需要从多个级别（0 到 7）检测一个级别。

如果使用中继器，它只会提高再生脉冲的电平并将其发送到通信系统的另一个块。

解码器

数字编码信号到达接收器。 它首先从信号中消除噪声。 量化过程不允许容易地分离信号和噪声。 因此，在解码阶段从信号中去除噪声至关重要。 它的工作方式类似于解调过程，并将二进制脉冲转换为原始形式或模拟信号。

重建滤波器

重建滤波器、解码器和量化器一起用作 D/A（数模转换器）。 重建滤波器有助于将数字信号平滑地转换回原始模拟信号。

因此，我们可以得出结论，PCM 系统将模拟信号转换为数字信号，消除噪声，并将其转换回作为输出的模拟信号。

PCM 系统功能

我们已经讨论了 PCM 系统的所有组成部分。 让我们借助音频信号的示例来讨论 PCM 系统的功能。

音频信号首先应用于 低通滤波器，该滤波器拒绝信号中较高范围的频率。 采样器 根据 44100 Hz 或 44.1k Hz 和 16/32 位分辨率的采样率对音频信号的左右声道进行采样。 量化器 和 编码器 根据指定的分辨率和比特率设置数字值，并将其发送到接收器。 数字信号通过 量化器，量化器根据接收到的正脉冲或负脉冲生成脉冲。 解码器 将再生的脉冲转换回模拟信号。 此外，它发送到 重建滤波器，这有助于将数字信号平滑地转换回原始模拟信号。

与 PCM 相关的编码过程

各种形式的 PCM 过程用于通信中的编码和信号处理。 让我们讨论一些与脉冲编码调制相关最常见的编码过程。

• LPCM
  PCM 将模拟信号转换为数字信号，通过将模拟数据转换为二进制数字 0 和 1 来实现快速高效的传输。 线性脉冲编码调制 使用线性量化方法。 量化过程中的数据通常被压缩以进行更好的传输。 但是，在 LPCM 中，数据是未压缩的形式。 示例包括蓝光光盘、红皮书 CD 等。
• DPCM
  差分脉冲编码调制 需要更少的位来编码输入脉冲电平。 与脉冲编码调制方法相比，它需要更少的带宽、增加的量化级别和减少的量化噪声。
• ADPCM
  自适应差分脉冲编码调制 是一种 DPCM，它允许通过改变量化步长来减少带宽。
• DM
  Delta 调制 是最简单的 DPCM 类型，可以转换模拟和数字信号。 它的工作原理类似于 A/D 和 D/A 转换器。 它通常用于传输语音信号，因为此类信号在输出端不需要高质量。

我们将在本教程后面讨论所有这些编码过程。

PCM 的优点

脉冲编码调制的优点如下

• 高抗噪性
  抗噪性是指系统抵抗噪声或干扰的能力。PCM 具有高抗噪性，因为信息以编码形式（数字形式）传输，而不是改变脉冲的宽度或位置，这受噪声的影响较小。
• 长距离传输
  数字信号的传输速度比模拟信号快。因此，PCM 可用于长距离传输过程。
• 易于编码
  由于 PCM 的数据是数字传输的，因此其编码过程很容易。
• 安全传输
  由于存在编码器和解码器，PCM 中的数据传输过程是安全的。我们还可以使用各种编码技术，只有特定用户才能在输出端解码信号。
• 易于复用
  复用是指在同一通信信道上多次传输信号。数字调制中的采样和量化允许有效地传输多个信号。TDM（时分复用）是 PCM 中常用的复用类型。
• 高效率
  由于采用数字传输模式，它具有高效率。
• 使用中继器
  我们可以在 PCM 系统中使用中继器，而模拟通信则无法使用。中继器再生信号，提高信号强度并减少噪声影响。
• 数据存储
  数字数据可以轻松存储。

PCM 的缺点

脉冲编码调制的缺点如下

• 复杂过程
  与模拟调制技术相比，PCM 是一个复杂的过程。这是因为 PCM 中的信号在通信系统中会经过各种操作。
• 大带宽
  它需要比模拟通信系统更大的带宽。这是由于 PCM 系统中存在采样器和量化器。
• 量化噪声
  当模拟信号转换为数字信号时，输入值和量化值之间的时间间隔会导致量化噪声。可以通过在 PCM 中使用降噪系统来消除它。

PCM 的应用

PCM 有各种应用。让我们讨论一些最常见的应用。

• 空间通信
  在空间通信中，信号从太空或大气层发送到地球，这是通信的基础。它需要较小的发射功率，并可以进行长距离传输。因此，由于 PCM 具有高抗噪性和长距离传输能力，因此它在空间通信中受到青睐。
• 卫星传输
  PCM 是第一个用于商业用途的数字传输方法。PCM 信号能够有效地使用 TDM 进行复用、长距离传输和高抗噪性，这使其成为一种适用于卫星传输的调制方法。
• 电话
  在光纤电缆的帮助下，数字信号可以进行长距离传输。类似地，PCM 系统可以有效地传输电话信号到长距离，而没有任何噪声干扰。单个电话的音频信号以大约每秒 8000 个样本进行编码。
• 光盘
  光盘或 CD 上的音频数据通常以 PCM 的形式存在。模拟波形的样本会定期采样和量化，这有助于存储数字数据。