Modulation par impulsions et codage (PIC)

En 1972, Denon a dévoilé le premier enregistreur numérique 8 canaux, le DN-023R, qui utilisait un magnétoscope à bobines ouvertes à 4 têtes pour l'enregistrement audio PCM 13 bits à 47,25 kHz. En 1977, Denon a développé le système d'enregistrement PCM portable DN-034R. Comme le DN-023R, il enregistrait 8 canaux à 47,25 kHz, mais utilisait 14 bits « avec accentuation , ce qui équivaut à 15,5 bits ».

En 1979, le premier album pop numérique, Bop till You Drop , a été enregistré. Il a été enregistré en PCM linéaire 50 kHz, 16 bits à l'aide d'un magnétophone numérique 3M.

Le disque compact (CD) a introduit le PCM dans les applications audio grand public avec son lancement en 1982. Le CD utilise une fréquence d'échantillonnage de 44 100 Hz et une résolution de 16 bits et stocke jusqu'à 80 minutes d'audio stéréo par disque.

Les profondeurs d'échantillonnage courantes pour la modulation LPCM sont de 8, 16, 20 ou 24 bits par échantillon.

Le format LPCM encode un seul canal audio. La prise en charge de l'audio multicanal dépend du format de fichier et repose sur la synchronisation de plusieurs flux LPCM. Bien que le format stéréo (deux canaux) soit le plus courant, les systèmes peuvent prendre en charge jusqu'à 8 canaux audio (son surround 7.1) ou plus.

Les fréquences d'échantillonnage courantes sont de 48 kHz, comme pour les vidéos au format DVD , ou de 44,1 kHz, comme pour les CD. Des fréquences d'échantillonnage de 96 kHz ou 192 kHz peuvent être utilisées sur certains équipements, mais leurs avantages font débat .

Le théorème d'échantillonnage de Nyquist-Shannon démontre que les dispositifs PCM peuvent fonctionner sans distorsion dans leurs bandes de fréquences nominales s'ils fournissent une fréquence d'échantillonnage au moins deux fois supérieure à la fréquence la plus élevée du signal d'entrée. Par exemple, en téléphonie , la bande de fréquences vocales utilisables s'étend approximativement de 300 à 3 400 Hz . Pour une reconstruction efficace du signal vocal, les applications téléphoniques utilisent donc généralement une fréquence d'échantillonnage de 8 000 Hz, soit plus du double de la fréquence vocale la plus élevée utilisable.

Quoi qu’il en soit, tout système PCM comporte des sources potentielles de dysfonctionnement :

• Le choix d'une valeur discrète proche, mais non égale, au niveau du signal analogique pour chaque échantillon entraîne une erreur de quantification . Lorsque l'on utilise le tramage pour compenser cette erreur, il introduit du bruit supplémentaire.
• Entre les échantillons, aucune mesure du signal n'est effectuée ; le théorème d'échantillonnage garantit une représentation et une récupération non ambiguës du signal uniquement s'il ne contient aucune énergie à la fréquence f _s /2 ou supérieure (la moitié de la fréquence d'échantillonnage, connue sous le nom de fréquence de Nyquist ) ; les fréquences plus élevées ne seront pas correctement représentées ou récupérées et ajouteront une distorsion de repliement au signal en dessous de la fréquence de Nyquist.
• Les échantillons étant dépendants du temps, une horloge précise est nécessaire pour une reproduction fidèle. Si l'horloge d'encodage ou de décodage est instable, ces imperfections affecteront directement la qualité de sortie du dispositif.

Certaines formes de modulation par impulsions (MIC) combinent traitement du signal et codage. Les anciennes versions de ces systèmes effectuaient le traitement dans le domaine analogique lors de la conversion analogique-numérique ; les versions plus récentes l'effectuent dans le domaine numérique. Ces techniques simples sont devenues largement obsolètes face aux techniques modernes de compression audio basées sur des transformées , telles que le codage par transformée en cosinus discrète modifiée (MDCT).

• Le PCM linéaire (LPCM) est un PCM à quantification linéaire.
• Le codage PCM différentiel (DPCM) encode les valeurs PCM sous forme de différences entre la valeur actuelle et la valeur prédite. Un algorithme prédit l'échantillon suivant à partir des échantillons précédents, et l'encodeur ne stocke que la différence entre cette prédiction et la valeur réelle. Si la prédiction est raisonnable, on peut utiliser moins de bits pour représenter la même information. Pour l'audio, ce type de codage réduit d'environ 25 % le nombre de bits nécessaires par échantillon par rapport au PCM.
• La modulation par impulsions et codage différentiel adaptatif (ADPCM) est une variante de la DPCM qui fait varier la taille du pas de quantification, afin de permettre une réduction supplémentaire de la bande passante requise pour un rapport signal/bruit donné .
• La modulation delta est une forme de DPCM qui utilise un bit par échantillon pour indiquer si le signal augmente ou diminue par rapport à l'échantillon précédent.

En téléphonie, un signal audio standard pour un appel téléphonique est encodé à 8 000 échantillons par seconde , chacun sur 8 bits, ce qui donne un signal numérique de 64 kbit/s appelé DS0 . Le codage de compression par défaut d'un signal DS0 est soit la modulation par impulsions à commutation de phase (MIC) de type μ-law (Amérique du Nord et Japon), soit la MIC de type A-law (Europe et la plupart des autres régions du monde). Il s'agit de systèmes de compression logarithmique où un numéro d'échantillon MIC linéaire de 12 ou 13 bits est converti en une valeur de 8 bits. Ce système est décrit par la norme internationale G.711 .

Lorsque le coût des circuits est élevé et qu'une légère perte de qualité vocale est acceptable, il est parfois judicieux de compresser davantage le signal vocal. Un algorithme ADPCM est utilisé pour convertir une série d'échantillons PCM μ-law ou A-law de 8 bits en une série d'échantillons ADPCM de 4 bits. La capacité de la ligne est ainsi doublée. Cette technique est décrite en détail dans la norme G.726 .

Des formats de codage audio et des codecs audio ont été développés pour obtenir une compression plus poussée. Certaines de ces techniques ont été normalisées et brevetées. Des techniques de compression avancées, telles que la transformée en cosinus discrète modifiée (MDCT) et le codage prédictif linéaire (LPC), sont désormais largement utilisées dans les téléphones mobiles , la voix sur IP (VoIP) et les médias en continu .

La modulation par impulsions à commutation de paires (MIC) peut être de type retour à zéro (RZ) ou non-retour à zéro (NRZ). Pour qu'un système NRZ soit synchronisé à l'aide d'informations en bande, il ne doit pas y avoir de longues séquences de symboles identiques, tels que des 1 ou des 0. Pour les systèmes MIC binaires, la densité de symboles 1 est appelée densité de 1.

La densité de bits à 1 est souvent contrôlée par des techniques de précodage telles que le codage à longueur limitée (RLE) , où le code PCM est étendu en un code légèrement plus long avec une densité de bits à 1 garantie avant modulation dans le canal. Dans d'autres cas, des bits de trame supplémentaires sont ajoutés au flux, ce qui garantit des transitions de symboles au moins occasionnelles.

Une autre technique permettant de contrôler la densité des bits à 1 consiste à utiliser un brouilleur sur les données. Ce brouilleur tend à transformer le flux de données en un flux d'apparence pseudo-aléatoire , mais dont les données peuvent être récupérées exactement par un désembrouilleur complémentaire. Dans ce cas, de longues séquences de zéros ou de uns restent possibles en sortie, mais sont considérées comme suffisamment improbables pour permettre une synchronisation fiable.

Dans d'autres cas, la valeur continue à long terme du signal modulé est importante, car l'accumulation d'une composante continue tend à faire sortir les circuits de communication de leur plage de fonctionnement. Dans ce cas, des mesures spécifiques sont prises pour suivre l'évolution de la composante continue cumulée et modifier les codes si nécessaire afin que cette composante continue tende toujours vers zéro.

De nombreux codes de ce type sont des codes bipolaires , où les impulsions peuvent être positives, négatives ou absentes. Dans le code à inversion de marque alternée classique , les impulsions non nulles alternent entre valeurs positives et négatives. Ces règles peuvent être transgressées pour générer des symboles spéciaux utilisés pour l'encadrement ou d'autres usages spécifiques.

Le terme « impulsion » dans l'expression modulation par impulsions et codage (MIC) fait référence aux impulsions présentes sur la ligne de transmission. Ceci découle naturellement du fait que cette technique a évolué parallèlement à deux méthodes analogiques : la modulation de largeur d'impulsion (MLI) et la modulation de position d'impulsion (MPI) , où l'information à coder est représentée par des impulsions de signal discrètes de largeur ou de position variables, respectivement. À cet égard, la MIC présente peu de similitudes avec ces autres formes de codage de signal, si ce n'est que toutes peuvent être utilisées en multiplexage temporel et que les numéros des codes MIC sont représentés par des impulsions électriques.