Modulasi kode pulsa

Modulasi kode pulsa (PCM) adalah metode yang digunakan untuk mewakili sinyal analog tersampel secara digital. Ini adalah bentuk standar audio digital di komputer, CD, telepon digital dan aplikasi audio digital lainnya. Dalam siaran PCM, amplitudo sinyal analog diambil sampelnya secara teratur pada interval yang beraturan, dan setiap sampel dikuantisasi ke nilai terdekat dalam rentang langkah digital.

Modulasi kode pulsa linier (LPCM) adalah jenis PCM tertentu di mana tingkat kuantisasi beraturan secara linier.^[5] Ini berbeda dengan pengkodean PCM di mana tingkat kuantisasi bervariasi sebagai fungsi amplitudo (seperti dengan algoritma A-law atau algoritma μ-law). Meskipun PCM adalah istilah yang lebih umum, sering digunakan untuk menggambarkan data yang dikodekan sebagai LPCM.

Siaran PCM memiliki dua sifat dasar yang menentukan kesetiaan siaran ke sinyal analog asli: laju tingkat sampel, yang merupakan jumlah kali per detik sampel diambil; dan kedalaman bit, yang menentukan jumlah kemungkinan nilai digital yang dapat digunakan untuk mewakili setiap sampel.

Di dalam diagram, gelombang sinus (kurva merah) diambil sampelnya dan dikuantisasi untuk PCM. Gelombang sinus diambil sampelnya secara berkala, ditampilkan sebagai garis vertikal. Untuk setiap sampel, salah satu nilai (pada sumbu-y) yang tersedia dipilih. Proses PCM umumnya diimplementasikan pada satu sirkuit terpadu yang disebut pengubah analog-ke-digital (ADC). Hal ini menghasilkan representasi sepenuhnya diskrit dari sinyal input (titik biru) yang dapat dengan mudah dikodekan sebagai data digital untuk penyimpanan atau manipulasi. Beberapa siaran PCM juga dapat dimultipleks menjadi pengumpulan data aliran yang lebih besar, umumnya untuk mentransmisi beberapa aliran melalui satu hubungan fisik. Salah satu teknik yang disebut time-division multiplexing (TDM) dan digunakan secara luas, terutama dalam sistem telepon umum modern.

Dalam hal ini, elektronik terlibat dalam menghasilkan sinyal analog yang akurat dari data diskrit mirip dengan yang digunakan untuk menghasilkan sinyal digital. Perangkat sebenarnya adalah pengubah digital-ke-analog (DAC). Mereka menghasilkan voltase atau arus (tergantung pada jenisnya) yang mewakili nilai tersebut disajikan pada input digital mereka. Kemudian keluaran ini umumnya akan disaring dan diperkuat untuk digunakan.

Untuk memulihkan sinyal asli dari hasil data sampel, demodulator dapat menerapkan prosedur modulasi secara terbalik. Setelah setiap periode pengambilan sampel, demodulator membaca nilai berikutnya dan mentransisikan sinyal keluaran ke nilai baru. Sebagai hasil dari transisi ini, sinyal mempertahankan sejumlah besar energi frekuensi tinggi karena efek pencitraan. Untuk menghilangkan frekuensi yang tidak diinginkan ini, demodulator melewatkan sinyal melalui filter rekonstruksi yang menekan energi di luar rentang frekuensi yang diharapkan (lebih baik dari Frekuensi Nyquist ${\displaystyle f_{s}/2}$).

Kedalaman sampel umum untuk LPCM adalah 8, 16, 20 atau 24 bit per sampel.^[1][2][3][6]

LPCM mengkodekan satu saluran suara. Dukungan untuk audio multisaluran, tergantung pada format file dan tergantung pada sinkronisasi beberapa siaran LPCM.^[5][7] Meskipun dua saluran (stereo) adalah format yang paling umum, sistem dapat mendukung hingga 8 saluran audio (7.1 surround)^[2][3] atau lebih.

Frekuensi pengambilan sampel umum adalah 48 kHz seperti yang digunakan dengan video format DVD, atau 44,1 kHz seperti yang digunakan dalam CD. Frekuensi pengambilan sampel 96 kHz atau 192 kHz dapat digunakan pada beberapa perlengkapan, tetapi manfaatnya masih diperbincangkan.^[8]

Beberapa bentuk PCM menggabungkan pemrosesan sinyal dengan pengkodean. Versi lama dari sistem ini menerapkan pemrosesan dalam domain analog sebagai bagian dari proses analog-ke-digital; implementasi yang lebih baru melakukannya dalam pembentukan domain digital. Teknik sederhana ini sebagian besar telah dianggap usang oleh teknik kompresi audio berbasis transformasi modern, seperti pengkodean transformasi kosinus diskrit yang dimodifikasi (MDCT).

• PCM Linier (LPCM) merupakan PCM dengan kuantisasi linier.^[5]
• PCM Differensial (DPCM) mengkodekan nilai PCM sebagai perbedaan antara nilai saat ini dan nilai prediksi. Pada algoritma memprediksi sampel berikutnya berdasarkan sampel sebelumnya, dan enkoder hanya menyimpan perbedaan antara prediksi ini dan nilai sebenarnya. Jika prediksinya masuk akal, lebih sedikit bit yang dapat digunakan untuk mewakili informasi yang sama. Untuk audio, jenis pengkodean ini mengurangi jumlah bit yang diperlukan per sampel sekitar 25% dibandingkan dengan PCM.
• Modulasi kode pulsa diferensial adaptif (ADPCM) adalah varian dari DPCM yang memvariasikan ukuran langkah kuantisasi, untuk dapat memungkinkan pengurangan lebih lanjut dari bandwidth yang diperlukan untuk rasio signal-to-noise yang diberikan.
• Modulasi delta merupakan bentuk DPCM yang menggunakan satu bit per sampel untuk menunjukkan apakah sinyal meningkat atau menurun dibandingkan dengan sampel sebelumnya.

Dalam bentuk telepon, sinyal audio standar untuk satu panggilan telepon dikodekan sebagai 8.000 sampel per detik, masing-masing 8 bit, memberikan sinyal digital 64 kbit/d yang dikenal sebagai DS0. Pengkodean kompresi sinyal default pada DS0, salah satu adalah μ-law (mu-law) PCM (Amerika Utara dan Jepang) atau A-law PCM (Eropa dan sebagian besar dunia). Ini adalah sistem kompresi logaritmik di mana nomor sampel PCM linier 12- atau 13-bit dipetakan ke dalam nilai 8-bit. Sistem ini dijelaskan oleh standar internasional G.711.

Jika biaya sirkuit tinggi dan hilangnya kualitas suara dapat diterima, tapi terkadang bakal merasakan untuk mengompresi sinyal suara lebih jauh. Sebuah Algoritma ADPCM digunakan untuk memetakan rangkaian sampel 8-bit μ-law atau A-law PCM ke dalam rangkaian sampel ADPCM 4-bit. Dengan cara ini, kapasitas saluran menjadi dua kali lipat. Teknik ini dirinci dalam standar G.726.

Jenis pengkodean audio dan kodek audio telah dirancangkan untuk mencapai kompresi lebih lanjut. Beberapa teknik ini telah distandarisasi dan dipatenkan. Teknik pengkompresi lanjutan, seperti MDCT dan linear predictive coding (LPC), sekarang sudah banyak digunakan di ponsel, voice over IP (VoIP) dan media streaming.

Wikimedia Commons memiliki media mengenai Pulse-code modulation.

• Deskripsi tentang PCM di MultimediaWiki
• Ralph Miller and Bob Badgley invented multi-level PCM independently in their work at Bell Labs on SIGSALY: U.S. Patent 3.912.868 filed in 1943: N-ary Pulse Code Modulation.
• Information about PCM: Deskripsi PCM dengan pranala ke informasi tentang subtipe format ini (misalnya modulasi kode pulsa linier), dan referensi ke spesifikasinya.
• Summary of LPCM – Berisi pranala ke informasi tentang implementasi dan spesifikasinya.
• How to control internal/external hardware using Microsoft's Media Control Interface – Berisi informasi tentang, dan spesifikasi implementasi LPCM yang digunakan dalam file WAV.
• [rfc:4856 RFC 4856 – Media Type Registration of Payload Formats in the RTP Profile for Audio and Video Conferences] – audio/L8 and audio/L16 (March 2007)
• [rfc:3190 RFC 3190 – RTP Payload Format for 12-bit DAT Audio and 20- and 24-bit Linear Sampled Audio] (January 2002)
• RFC 3551 – RTP Profile for Audio and Video Conferences with Minimal Control – L8 and L16 (July 2003)