Pulse-code modulation

Pcm

دانیال خسروی:تهیه کننده

پروژه آزمایشگاه مخابرات استاد خوشنیت

فهرست

مقدمه-1

انقباض-7 تاریخچه-2

یپالس کد تفاضلمدوالسیون-8 فرستنده-3

مدوالسیون دلتا-11 گیرنده-4

مدوالسیون دلتا سیگما-10 کوانتیزاسیون-5

cdضبط و پخش -11 نویز-6

مقدمه

• . مدوالسیون کد پالس یک شیوه کدگذاری رقمی سیگنال آنالوگ در مخابرات است

• در این مدوالسیون بزرگی سیگنال در فواصل زمانی ثابت و مساوی اندازه گیری . شده و سپس کوانتیزه می شود

• نتیجهٔ کوانتیزه کردن سیگنال آنالوگ به صورت عضوی از مجموعه ای محدود قابل (. ۲۵۵تا ۰به عنوان نمونه عددی بین )نمایش است

• از آن جا که اعضای این مجموعه با عددی صحیح قابل بیان اند می توان از روش های متداول مخابرات دیجیتال برای ذخیره سازی، مقاوم سازی نسبت به خطا

و ارسال سیگنال بر کانال مخابراتی استفاده کرد

• از کدینگ پی سی ام در تلفن های دیجیتال، سیستم های صوتی دیجیتال، صدای .کامپیوتر و برخی پخش کننده های صوت دیجیتال استفاده می شود

سرعت :کیفیت نتیجهٔ این مدوالسیون به دو عامل بستگی دارد•

شرط الزم برای . و تعداد سطوح کوانتیزه کردننمونه برداری

کانس فرسرعت نمونه برداری این است که فرکانس نمونه برداری بیش تر از

هم چنین با افزایش تعداد سطوح . سیگنال آنالوگ باشدنایکوئیست

آنالوگ اولیه کوانتیزه کردن سیگنال دیجیتاِل معادل تقریب بهتری از سیگنال

کانس فردر مدوالسیون کد پالس استفاده شده درسی دی های صوتی. خواهد بود

معادل )۶۵۵۳۶کیلوهرتز و تعداد سطوح کوانتیزه کردن ۴۴٫۱نمونه برداری

م در از تکنولوژی خطوط پی سی ا: کاربرد در تلفن همراه. است( بیت۱۶

دی اس پی برای بخش صوت استفاده می dspتلفن همراه در بخشی مانند

پیمنظور دی اس .شود

•(digital system processor) کنترل و تحلیل سیگنال های محل

و دیجیتالی صوتی و تصویری در بخش تشخیص سیستم های آنالوگ

باشددیجیتالی می

تاریخچه

•pcm شددر انگلستان ساخته « الکس اچ ریوز»توسط 1937در سال.

.این سیستم به علت پیچیدگی زیاد در ابتدا مانع استفاده فوری آن شد•

.در جنگ جهانی دوم در سیستم های رله ماکروویو ارتش آمریکا قرار گرفت•

.تحقیقات بیشتری روی این سیستم انجام شد1948در سال •

اده قرار بعد از آن به طور گسترده در سیستم های تلفنی بین قاره ای مورد استف•گرفت

وجود مدارات مجتمع و قابلیت مولتی پلکس کردن آن سبب پیشرفت این•مدوالسیون شد

برای عکس برداری از مریخ قرار گرفت و 4در سفینه ماینر 1965در سال •کیلومتری زمین را با فرستنده ای 200.000.000توانست تصویری با فاصله

کاری تقریبا هیچ سیستمی از عهده چنین.دقیقه ارسال کند30وات در زمان 10. بر نمی آمد

کوانتیزه کردن

نویز کوانتیزه کردن

ود، اگر سیگنال حقیقی باسیگنالی که در شکل است مقایسه ش

بالفاصله مشاهده می گردد که کوانتیزه کردن سبب اعوجاج

واز این جهت . این را نویز کوانتیزه کردن می نامند. می شود

این . نویز خوانده می شود که خطا ها جنبه تصادفی دارند

ه تصادفی بودن به این دلیل است که تفاوت بین عدد فرستاد

ی شده وسیگنال حقیقی در آن لحظه کامالً غیر قابل پیش بین

.است واز این رو تصادفی خوانده می شود

نصف اندازه می بینیم بزرگترین خطای ممکن برابر

.نمونه برداریستروش ساده کاهش نویز کوانتیزه کردن زیاد کردن تعداد تراز

با این عمل می توان سطح نویز را به حد قابل . استاندارد است

گر چه زیاد کردن تعداد تراز مستلزم تعداد . قبول تقلیل داد

ب عرض باند الزم متناس.بیشتری بیت برای فرستادن آن است

در . با تعداد بیت هائی است که در ثانیه فرستاده می شود

تراز برای کالم کامالً کافی است128سیستم های عملی

pcmفرستنده

.عبور کرده LPFشکل موج ورودسی از یک •

انتش گرد یک کوانتش کننده به نزدیک ترین مقدار گسسته سطح کو•

.می کند

.ل می کندکد کننده نمونه های کوانتیده را را به کلمات دیجیتال تبدی•

.کد متوالی به سری تبدیل شده و خوانده می شود•

عمل کرده و این تبدیل با آهنگ ADCمولد به صورت یک •

Fs=1/tsانجام می دهد.

برابر پهنای باند فعال می باشد2زمان سنج با فرکانس •

pcmگیرنده

ه نویز اگر سیگنال خروجی آلوده به نویز باشد و نسبت سیگنال ب•

.زیاد باشدباز سازی شکل موج تقریبا بی خطا خواهد بود

عملیات تبدیل سری به موازی•

تایی Mکد گشای •

.نمونه بردار و نگه دار•

فیلتر پایین گذر•

لت باز سازی دقیق پیام حتی در صورت غلبه کامل به نویز ،به ع•

کوانتش در مبدل های آنالوگ به دیجیتال و بر عکس در مبدا و

.مقصد ناممکن هست

نویز

باعث خطا در در بازسازی ،به صورت رقم های pcmنویز تصادفی افزوده به سیگنال •

گنال به پس کد گشا سطح کوانتش نادرستی برای نمونه سی.اشتباه در کلمه کد ، می شود

.وده استپیام بازسازی شده عالوه بر نویز کوانتش به نویز کدگشایی نیز آل. دست میدهد

.ارنددر کل مدوالسیون با سطح دامنه ثابت از بهبودی بهتری برای سیگنال به نویز د•

که برای 21dB=(S/N)به نویز بسیار باالست مثال در یک سیستم با pcmمصونیت •

.سایر مدوالسیون بسیار مقدار کمی است به خوبی کار می کند

.در کل اعوجاج تاثیری ندار و حضور وغیاب پالس مهم هست•

این مقدار سیگنال به نویز باعث سرعت 4KHzدر یک کانال pcmمثال برای یک •

.عالمت فرستنده می شود10000خطا در 1خطایی برابر

انقباض یا کوانتش غیر یک نواخت

تمی مثال برای سیس.دامنه سطح کوانتیزه می باشد1/2میدانیم خطای کوانتش برابر•.می باشد1/256تراز استاندارد هست حد اکثر خطا برابر 128که دارای

واخت می در حالتی که دامنه سیگنال مثل شکل کوچک باشد کوانتیزاسیون یک ن•ترازی با داشتن 128مثال خطا در همان سیستم .تواند سبب بروز خطا شود

.خواهیم داشت¼ خطایی برابر 1/64سیگنالی با دامنه

استفاده میشود وسیگنال با pcmبخار این علت از کوانتش غیر یکنوات برای •یگنال ها یعنی فاصله تراز برای س.دامنه کم تراز کوانتیزه بشتری خواهد داشت

.کوچک ، کوچکتر وبرای سیگنال های بزرگ بزگتر انتخاب می شود

خت این مدار در کل پیچیده بوده ولی می توان مدار قبل از مدوالسیون معوج سا•نده می توان از یک تقویت کن.و پس از دمدوالسیون آن اعوجاج را برطرف کرد

تفاده غیر خطی برای انقباض استفاده کرد و در گیرنده از مدار انبسا دهنده اس. کرد

مدوالسیون پالس کد تفضلی

اختالف ها دراین است که در .معمولی خیلی شبیه هستpcmاین روش به •

روش معمولی دامنه سیگنال ورودی نمونه برداری میشود ولی در این روش

در .کنداختالف دامنه را ،مثبت ومنفی ، بین نمونه و نمونه قبلی کوانتیزه می

در .نمی کنداینجا ایده این استکه اکثر سیگنال ها از سطح قبلی خود زیاد تقییر

دامنه نهایت برای یک تغییر دامنه به پالس های کمتری نسبت به ارایه یک

کردن نیاز داریم و در نهایت پهنای باند نصف می شود پیچیدگی کد و دیکد

.تفاضلی را محدود کرده استpcmاین روش گسترش

مدوالسیون دلتا

• این سیستم دارای این .در این روش تنها در هر نمونه یک بیت مثب یا منفی تغییر میکند

عیب این مدار .مزیت هست که کدو و دی کد و عمل کوانتیزه آن به سادگی قابل انجام هست

گی و نقاط نا پیوست.این هست تغییر دامنه سریع بین نمونه را نمی تواند به سرعت دنبال کند

چناچه مقدایر نمونه نزدیک .در نهایت خطای کوانتیزه آن زیاد است.را در نظر نمی گیرد

.هم باشد این عیب کمتر محسوس هست

مدوالسیون دلتا سیگما

که سیستم مدوالسیون دلتا مشتق ورودی را می گیرد و در مواردی•

ه شده داده نویز دارد ، نویز می تواندخطای انباشته در سیگنال دمدول

نیز داشته باشد مشکل دیگری dcاگر سیگنا نیز مولفه .اعمال کند

.بروز می کند

گیر و یک انتگرال.در این روش مدوالسون دلتا را در نظر میگیریم•

کانس به ورودی اعمال می کنیمتا نقش پیش تاکید فر(یا انباره ای)

رستنده برای جبران این انتگرال گیر در ف.های پایین را داشته باشد

در نهایت مشکل .یک مشتق گیر در گیرنده اعمال می شود

ر را مدوالسون دلتا حل شده و انتگرال گیر و مشتق گیر یک دیگ

.خنثی می کند

نمونه برداری سیگنالهای صوتی

:شاخص های نمونه برداری سیگنالهای صوتی می توان بقرار زیر خالصه نمود تعداد نمونه ها یا“sampling rate”

مقدار اطالعات در هر نمونه“bit depth”

تعداد کانالهایی که باید نمونه برداری شوند“Mono or Stereo”:در حال حاضر سه فرکانس نمونه برداری استاندارد در عمل وجود دارد

پخش/استاندارد حرفه ای انتشار

، اولین فرکانسی که در خطوط ارتباطی زمینی و تغذیه فرستنده های اف ام استفاده شد–32kHzبود.

استاندارد دستگاههای خانگی

، هدف از این انتخاب آن بود که بتوان با استفاده از ویدئو تیپ های 44.1kHzفرکانس –، صدای دیجیتال را PCMو با استفاده از یک آداپتورPALو NTSCیوماتیک سیستم های

.که به سیگنالی شبیه ویدئو تبدیل شده، روی نوار ویدئو ضبط و پخش کردتلویزیون -استاندارد پخش و ضبط در رادیو–48kHz

نمونه برداری سیگنالهای تصویر

.برای ایجادسیگنالهای تصویر دیجیتال از فرکانس نمونه برداری چهار برابر فرکانس موج حامل رنگ استفاده میشود

تدوین گردید که مشخصات SMPTE 244Mبرای تبدیل تصویر آنالوگ به دیجیتال استانداردی بنام NTSCدر این خصوص در :آن بقرار زیر است

تعداد نمونه ها بر خط یا“sample per total line” :910

4”:فرکانس نمونه برداریfSC=14.32818MHz”

شیوه کوانتیزیشن :Uniformly quantized

10-8: رزولیشن کوانتیزیشن bits/Syample48kHz

:ITU-601استاندارد PALدر •

نحوه دیجیتایز نمودن یک سیگنال صوتی : 1مثال

مشخصات سیگنال آنالوگ صدا:

– W=4 kHz

فرکانس نمونه برداری حداقل:– fs≥2W=8 kHz (8000 samples/sec)

مشخصات کوانتایزر:بیتی باید استفاده کنیم که در اینصورت تعداد سطوح 8بمنظور حفظ کیفیت صدا پس از آشکارسازی از یک انکدر حداقل –

.بدست خواهد آمد256کوانتایزر برابر

– L=28=256 levels

نرخ بیت خروجی:بیت بر 64000بیت میباشد لذا نرخ بیت خروجی نهایی 8نمونه در ثانیه بوده و هر نمونه حاوی8000چون نرخ خروجی سمپلر –

.بدست میآید( بایت بر ثانیه8000یا )ثانیه

تمشخصات سیگنال موسیقی دیجیتال با کیفی: 2مثال(:آنالوگ)مشخصات سیگنال صدای خام

استریوی دو کاناله•

فرکانس نمونه برداری

• 44.1 kHz

مشخصات کوانتایزر

“bits 16: تعداد بیت اختصاص داده شده به هر نمونه”•

نرخ بیت نهاییCD بهنگامRead یاwrite

• 21644,100 = 1.4 Mbits/s

حجم نهایی یکCDصوتی شامل یک ساعت صدای استریوی دیجیتال شده

• (1.43,600 )/8= 635 MB (Mega byte)

مراجع

•Electronic communication system , kennedy George 1978 3th

•Commiunication to signalinelectricalcommunication 4th ed , Carlson,

A.bruce

•Advanced industrial electronics , 2th ,Humphries,james T

•COIvIMUNICATION SYSTEMS ENGINEERING John G. Proakis ,

Masoud Salehi

•Digital communication by Dr.nader esfahani