脈衝編碼調變

title: 调制.
content: 在图示中,一个正弦波(红色曲线)被取样和量化为PCM。正弦波在每段固定时间内被取一次样,即x轴的刻度。而每一个样本则依照某种运算法(在这个例子中是ceiling function),选定它们在y轴上的位置。这样便产生完全离散的输入讯号的替代物,很容易编码成为数码资料,以作保存或操纵。以右图为例,很清楚看出样本为8、9、11、12、13、14、15、15、15、14...等,将它们以二进制编码,就得到一组一组的数字:1000、1001、1011、1100、1101、1110、1111、1111、1111、1110...等,这些数码资料之后就可以被特定用途的DSP或者一般的CPU所处理。有一些PCM资料流可以和较大的聚合资料流作多工传输(multiplex),通常在物理层传输资料时都会这么作。这个技术称作 「时分多路复用(Time-Division Multiplexing,TDM)」 (或 「分时多工」,「时分复用」),非常广泛地使用,例如现代的公共电话系统。  有许多方法可以内置一个处理调变的真实装置。在真实系统中,这种装置一般被放在单一个芯片中,并搭配一个振荡器,称作「类比至数码转换器(analog-to-digital converter,ADC)」。这些装置透过振荡器触动输入讯号的接受,并且输出数字化的讯号至某种处理器。
title: 解调.
content: 从数字信号回制成类比讯号的过程,就如同把调变的过程逆转一样,称作解调变(demodulation)。在理想的系统上,每经过取样的固定时间而读取新的资料时,输出会即时改变到该强度。经过这样的即时转换,离散的讯号本质上会有大量的高频率能量,出现与取样频率的倍数相关的谐波(见方波)。要消灭这些谐波并使讯号流畅,讯号必须通过一些类比滤波器,压制任何在预期频域外的能量(例如大于formula_1的频域,这是理论上最高的分辨率)。有些系统使用数码滤波器来移除最低和最高的谐波,而在有些系统中不使用任何外部的滤波器,因为不可能有系统重制出无限大的带宽,系统本身的不足补足了讯号重制上的瑕疵,或者该系统根本就不要求准确度。取样原理说明,任何一种PCM装置,只要提供相对于输入讯号足够大的取样频率,在期望频域中就不会有显著的失真因素。  从离散的资料重制回类比讯号所使用的电子学,与从类比至数码是相似的。这些装置被称作「数码至模拟转换器(digital-to-analog converters, DAC)」,与ADC的运作相似。它们依照输入的数字信号,输出电压或电流(看情况则种类不同),这个输出然后经过滤波器和放大器,达成回放。
title: 限制.
content: 可注意的是,在任何PCM系统中,本质上有两种损害的来源:  由于所有样本都依据"时间"取样,重制时至关重要的便是一个准确的振荡器。如果编码或解码时,任何一方的振荡器不稳定,频率漂移就会使输出装置的品质降低。如果两方的频率具有些微的差异,稳定的误差对于品质而言并非巨大的问题。但一旦振荡器并非稳定的(即脉动的间距不相等),不论是音讯或者视讯上,都将造成巨大的失真。
title: 数字化.
content: 在一般的PCM中,类比讯号在数字化之前会经过一些处理(如振幅压缩)。一旦经数字化,PCM讯号通常会再进一步处理(如数码资料压缩)。  有些形式的PCM把讯号处理结合在编码过程中。老一点的系统会把讯号的处理放在类比回路中,当作"类比至数码转换(A/D)"的一部分,新的系统则放在数码回路中。不过由于现代基础于转换的音讯压缩技术,这些简单的技术大部分已被认为过时。  在电话学中,电话的声音讯号编码标准是每秒8000个类比样本,每个样本8位元,总共每秒64 kbit的数字信号,即DS0。DS0默认的讯号压缩法若非μ-law (mu-law) PCM(美国和日本),就是a-law PCM(欧洲和世界剩余地方),这些对数压缩系统能将12或13位元的线性PCM转换成8位元的值。这个系统被描述于国际标准G.711中。另外,曾有使用浮点数的企图,以5位元的尾数搭配3位元的基数,不过已经放弃。  当电路的成本过高、或者音质的损失是可接受的时候,将声音讯号更进一步压缩将会较有效率。有一种ADPCM运算法是用来把8位元的PCM讯号转换成4位元的ADPCM讯号,这样电线的带宽将能倍增。这个技术被详细地描述于G.726标准中。  稍后又发现可能进行进一步的压缩,并开发新一代的标准格式。在这些描述新系统或新概念的国际标准当中,有些属于私人的专利技术,要使用它们必须付费。  有些ADPCM技术被用于Voice over IP通讯当中。
title: 传输的编码.
content: PCM的纪录方式可以是「归零式(return-to-zero, RZ)」的,也可以是「非归零式(non-return-to-zero, NRZ)」的。若要使用带宽内的资讯让一个NRZ系统达到同步,则必定不能有长串的相同符号出现,例如连续的1或连续的0。对于二进制PCM系统来说,「1」符号的密度称作「ones-density」。  ones-density可以透过诸如Run Length Limited的预编码方式控制,编码后的PCM代码会稍微长一些,这样可以保证在写入音轨之前,ones-density在一定阈值以下。在另一些情况中,会写入额外的「framing」位元,来保证在一段时间内,1或0至少会改变一次。  另外一个控制ones-density的方法是使用「scrambler」多项式,通过函式运算让原本的资料变成看起来如伪乱数般的排列,而要回复原本的资料只需要倒转该多项式的效果就可以。在这种技巧中,一连串的1或0仍然可能发生在输出中,但在一般的工程容忍度上,已经不太可能发生错误。  另外,讯号的直流输出的稳定性十分重要,因为逐渐累积的直流输出误差(offset)会导致侦测回路的运作超出范围。在这种情况下,必须作特殊的测量来计算直流输出的累积误差,并且在必要时改变电压大小来让误差永远趋向零。  许多的这些代码都是两极的,脉冲要不是正就是负,或者完全没有。在典型的alternate mark inversion代码中,非0脉冲在正和负之间转变。不过这些规则有可能因为必须置入「framing」或者其他特殊用途的代码而遭到违反。
title: PCM的历史.
content: 评价上,PCM就像其他伟大的发明一样简单而明了。在电子通讯的历史中,采用讯号取样的最早理由,是为了使不同的电报系统能够使用同一条电缆线互通有无。电报分时多工TDM(time-division multiplexing)的概念在1853年首次由美国发明家 M.B. Farmer 提出。在1903年,电技师 W.M. Miner 使用一种电力驱动的机械交换器真正达成分时多工 (TDM),让一条线负载许多电报讯号,并将其应用于电话机上。他并使用以 3500 至 4300 赫兹频率取样的话机,发表一段清晰的谈话:「below this was unsatisfactory.」(指取样频率)。但这只是TDM,使用的编码是脉冲振幅调变(pulse-amplitude modulation, PAM)而非 PCM。  1920年Bartlane电缆图像传输系统首次利用模拟信号横跨大西洋传送了一张5级灰度图片。西方电子(Western Electric,后来成为 AT&T)的 Paul M. Rainey,在 1926 年注册了一台传真机的专利,它使用了光学机械ADC。但这台机器并未量产。英国工程师 Alec Reeves 并不知道这项发明,相反地,1937 年他在为法国的 ITT(International Telephone and Telegraph)工作时,发现了 PCM 在声音传讯上的用处。他写出了它的理论以及优点,但并未付诸实现。在 1938 年他为此申请了专利,而美国的专利则在 1943 年批准。  第一次的数码音讯传输发生于二次大战间的 1943 年,使用了 SIGSALY 声音编码设备。它被盟军用来传输高音质的讯息。  在 1943 未过一半以前,设计 SIGSALY 系统的贝尔实验室同样发现了 Alec Reeves 所发现的 PCM 的那种妙用。  在 1950 年代,PCM 必须使用阴极射线管加上一个有孔的极板网栅。如同在示波器上见到的那样,电波以取样频率水平地扫过,而垂直偏向则由输入的类比讯号来控制,最终让电波通过在极板上高低不一的孔。极板截断了电波,产生二进制代码形式的电流。与真正的二进制数不同,这个极板被设计成可以产生格雷码(Gray code),避免两极转换时出现干扰。
title: PCM的命名.
content: 「脉冲」一词用在「脉冲编码调变」中似乎显得令人困惑,因为除了在电线中的电力以外,并没有任何明显可见的「脉冲」。但由于这项技术发展自另外两个类比技术,脉冲宽度调变和脉冲位置调变,这样的结果则显得自然。在这两项技术中,资讯实际上就是依照离散讯号脉冲的不同宽度或位置来作编码的。由这点来说,PCM、PWM 和 PPM 除了三者都能用于 TDM 上,以及 PCM 的确将它的代码表回脉冲以外,PCM 和它的前辈们确实很不相像。在电话的电路中,用于编码和解码功能的装置称作codec(Coder+Decoder 的合称)。

Summary: 脉冲编码调变(,缩写:PCM)是一种类比讯号的数字化方法。PCM将讯号的强度依照同样的间距分成数段,然后用独特的数码记号(通常是二进制)来量化。PCM常被用于数码电信系统上,也是电脑和红皮书中的标准形式。在数码视讯中它也是标准,例如使用 ITU-R BT.601。但是PCM并不流行于诸如DVD或DVR的消费性商品上,因为它需要相当大的位元率(DVD格式虽然支援PCM,不过很少使用);与之相较,压缩过的音讯较符合效率。不过,许多蓝光光盘使用PCM作音讯编码。非常频繁地,PCM编码以一种序列通讯的形式,使数码传讯由一点至下一点变得更容易——不论在已给定的系统内,或物理位置。