Modulation d'impulsion codée

La modulation d'impulsion codée ou MIC, est une représentation numérique non compressée d'un signal analogique via une technique d'échantillonnage.



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Modulation du signal - Format ouvert

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La modulation d'impulsion codée ou MIC, (en anglais Pulse Code Modulation, le plus souvent abrégé en PCM) est une représentation numérique non compressée d'un signal analogique via une technique d'échantillonnage. Il est utilisé pour la voix en télécommunications (RTC ou VoIP) et pour le son surtout pour les disques compacts audio, pour l'enregistrement sur bandes DAT et Minidisc, les disques optiques à haute capacité (Blu-ray et HD DVD), mais aussi pour les fichiers WAV standard.

Histoire du PCM

La première transmission de parole par PCM a été réalisée avec l'équipement de codage de voix SIGSALY utilisé pour les communications alliées de haut niveau au cours de la Seconde Guerre mondiale.

Technologie

Échantillonnage et quantification d'un signal analogique (en rouge) par un PCM 4-bit

Il s'agit d'une représentation numérique d'un signal analogique où la hauteur du signal est prélevée régulièrement à intervalles uniformes de durée T. Chaque échantillon est quantifié sur une série de symboles dans un code numérique, qui est généralement un code binaire. Le Théorème d'échantillonnage de Nyquist-Shannon stipule que les fréquences plus hautes que la moitié de la fréquence fs d'échantillonnage (fs = 1/T) ne peuvent pas être reconstruites.

Le PCM est utilisé dans des dispositifs de téléphonie numérique. C'est aussi le format standard des sons numériques dans les ordinateurs et dans divers formats de disque compact.

Plusieurs flux PCM peuvent être multiplexés dans un flux de données global plus grand, grâce à une technique nommée Time-Division Multiplexing ou TDM. Originellement découverte par l'industrie téléphonique, la technologie TDM est actuellement beaucoup utilisée dans les stations de travail audionumériques comme Pro Tools.


Numérisation comme élément du traitement PCM

Dans le PCM conventionnel, le signal analogique peut être traité (par exemple par compression d'amplitude) avant d'être numérisé, mais une fois numérisé, il n'est plus soumis à des transformations ultérieures (par exemple la compression audionumérique).

Quelques formes de PCM combinent un traitement du signal avec le codage. Des versions plus anciennes de ces dispositifs effectuaient le traitement dans le domaine analogique au cours de la conversion ANALOGIQUE-NUMÉRIQUE ; de nouvelles implémentations le font dans le domaine numérique. Ces techniques simples ont cependant été en grande partie supplantées par les techniques modernes de compression de signal :

Le codage par défaut sur un DS0 est du 8 bits logarithmique à 8 kHz, soit du μ-law PCM (Amérique du Nord, Japon) ou du a-law PCM (Europe et l'essentiel du reste du monde). Ces dispositifs compressent le signal selon une courbe logarithmique, chaque échantillonnage PCM sur 13 ou 14 bits étant calé dans une valeur sur 8 bits. On effectue l'opération inverse lors de la conversion numérique-analogique (ou bien le traitement est effectué de façon analogique avec un compresseur/expanseur). Ce dispositif est décrit par la norme internationale G. 711, qui est toujours actuellement la norme la plus utilisée en téléphonie.

Quand le coût des circuits est important et qu'une diminution de la qualité du son est envisageable, il peut s'avérer utile de comprimer le signal de parole de manière plus importante. On utilise alors un algorithme d'ADPCM pour placer une série de 14 bits PCM linéaire (ou 8 bits en loi µ ou A) dans 4 bits ADPCM. De cette façon, on double la capacité de la ligne. Le standard G. 726 décrit les détails du procédé.

Plus tard, lorsque on a constaté qu'on pouvait toujours augmenter les taux de compression, des normes supplémentaires ont été publiées.

Certaines de ces normes internationales décrivent des dispositifs et des idées qui sont protégés par des brevets, et l'utilisation mais aussi l'accès à ces normes exigent un paiement aux titulaires du brevet.

Certaines des techniques ADPCM sont utilisées dans des communications de voix sur réseau IP (VoIP).

Codage des données comme signal

La modulation d'impulsion peut utiliser le codage RZ (retour à zéro) ou le codage NRZ (non retour à zéro). Pour qu'un dispositif NRZ soit synchronisé, en utilisant uniquement l'information émise, il ne doit pas y avoir de longues séquences de symboles semblables, comme par exemple de longues séquences de 1 ou de 0. Pour les dispositifs binaires PCM, la densité de 1 est un critère important (ones-density en anglais).

On contrôle fréquemment cette densité avec techniques de pré-codage telles que le codage RLL (Run Length Limited). Le code PCM est étendu en un code un peu plus long garantissant une limitation du nombre de 1 avant la modulation du signal et son envoi dans le canal de transmission. Dans d'autres cas, on ajoute des bits supplémentaires (de synchronisation) dans le flux, ce qui garantit d'avoir au moins quelques transitions entre les symboles.

Une autre technique employée pour contrôler la densité de 1 est l'utilisation d'un polynôme embrouilleur. Cela a tendance à transformer les données brutes en un flux pseudo-aléatoire. Cependant le flux de départ peut être complètement récupéré en inversant l'effet du polynôme. Lorsque on utilise cette technique, de longues séries de 1 ou de 0 peuvent toujours exister, mais sont reconnues assez peu probables pour pouvoir être négligées ou à tout le moins tolérées.

Il peut arriver que la composante continue du signal modulé (courant continu, ou courant moyen) ne soit pas nulle. Puisque cette composante continue risque de polariser les circuits d'un détecteur hors de sa plage de fonctionnement, on prend des mesures spéciales de compensation en temps réel et on modifie au besoin les codes émis pour faire tendre la tension moyenne vers zéro si indispensable.

Plusieurs de ces codes sont des codes bipolaires, où les impulsions peuvent être positives, négatives ou nulles. Typiquement, les impulsions différentes de zéro alternent entre des tensions positives et négatives. On peut cependant transgresser ces règles pour produire des symboles spéciaux utilisés pour la synchronisation ou d'autres buts spécifiques.

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La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 07/04/2010.
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