PPM: Techniques de modulation d'impulsions analogiques

Echantillonnage - PAM- PDM - PPM

Les techniques de modulation d'impulsions analogiques permettent de ne pas modifier l'information.
Un interrupteur détermine la fréquence d'échantillonnage, selon laquelle le signal est découpé.

Nous obtenons une PAM (Pulse Amplitude Modulation : il ne s'agit donc pas encore à ce niveau de codage), qui présente la désagréable faculté d'être sensible aux atténuations et aux distorsions.

Les variations d'amplitudes issues de la PAM sont transformées en PDM (Pulse Duration Modulation) : il s'agit maintenant de variations de durées, l'amplitude du signal restant inchangée.
Comme la PDM est susceptible de générer une constante continue qui nous priverait de synchronisation, elle est transformée en PPM (Pulse Position Modulation) qui est une variation de la position de l'impulsion.

PDM : transformer la durée de la pulsation en une variation électrique

d'une amplitude vers une tension…

Cette opération permet de transporter de la PDM sur un porteur galvanique.
Une résistance permet de rendre droite la charge de la capacité.

La variation d'amplitude du signal est transformée en variation de tension (signal électrique qui sera transporté).

PCM: Pulse Code Modulation

La PCM, aussi appelée Modulation par Impulsion et Codage (MIC), est le résultat de trois opérations :

  • L'échantillonnage.
  • La quantification.
  • Le codage.

 

Echantillonnage PCM

Voir la partie consacrée à ce sujet lors de l'étude de la TDM.

Quantification PCM

Nous pouvons distinguer deux types de quantification: quantification uniforme, et quantification non uniforme.

Quantification uniforme

PCM - écretage du signal - les pas de quantification

Il s'agit ici d'une quantification uniforme : les pas de quantification (l'écart entre deux valeurs) sont constants.
Comme nous avons déterminé 8 pas de quantification dans notre exemple, et que la valence de 8 est 23, nous avons donc besoin de trois bits pour exprimer un pas de quantification.
Au delà et en deçà des valeurs quantifiées, le signal est écrêté, puisqu'il ne peut être quantifié.

Dans une quantification uniforme, les signaux de faible amplitude (les plus nombreux) sont plus sensibles aux erreurs de quantification. Il serait donc préférable de réduire les valeurs des pas de quantifications dans la partie où les signaux doivent être restitués avec plus de précision.

La réduction du bruit de quantification passe donc par un changement des valeurs des pas de quantification (quantification non uniforme) et une compression des signaux forts.

Quantification non uniforme

Quantification non uniforme

 

Codage PCM

Valeurs usuelles pour le codage PCM (Pulse Coded Modulation) 
Fréquence d'échantillonnage
( Hz )
Résolution
( bits )
Mono/
Stéréo
Débit
( octets/s )
Débit
( bits/s )
8 KHz88Mono8000 o/s64 Kb/s
8 KHz88Stéréo16000 o/s128 Kb/s
8 KHz1616Mono16000 o/s128 Kb/s
8 KHz1616Stéréo32000 o/s256 Kb/s
11025 Hz88Mono11025 o/s88,2 Kb/s
11025 Hz88Stéréo22050 o/s176,4 Kb/s
11025 Hz1616Mono22050 o/s176,4 Kb/s
11025 Hz1616Stéréo44100 o/s352,8 Kb/s
22050 Hz88Mono22050 o/s176,4 Kb/s
22050 Hz88Stéréo44100 o/s352,8 Kb/s
22050 Hz1616Mono44100 o/s352,8 Kb/s
22050 Hz1616Stéréo88200 o/s705,6 Kb/s
44,1 KHz88Mono44100 o/s352,8 Kb/s
44,1 KHz88Stéréo88200 o/s705,6 Kb/s
44,1 KHz1616Mono88200 o/s705,6 Kb/s
44,1 KHz1616Stéréo176400 o/s1,4112 Mb/s

Exemple de débit d'un signal audio numérique: un CD audio.

  • Fréquence d'échantillonnage: 44,1 KHz (44 100 Hz)
  • Hauteur de quantification: 16 bits
  • Type de support audio: stéréo (donc 2 fois; droite + gauche)
  • Calcul du débit d'un CD audio: 44 100 Hz x 16 x 2 = 1 411 200 b/s, ce qui correspond à 1 411.2 Kb/s et 1.411 Mb/s.
    Attention: 1.411 Mb/s = 176400 o/s (la dernière valeur dans le tableau), car si 1 Mb correspond à 1000000 bits, cela correspond à 125000 octets.

Remarque: en fait, sur un CD audio, on utilise une modulation 8 bits sur 14 bits qui permet un codage plus économe. La réduction de débit audio en DPCM peut atteindre jusqu'à 25% par rapport à un signal PCM, sans entrainer aucune perte d'information.

Reconstitution du signal PCM

Afin de reconstituer le signal, trois étapes sont nécessaires :

  • Le signal entrant est transformé en pulsations d'amplitude.
  • Les pulsations sont étirées dans le temps afin de combler les intervalles nulles.
  • Le résultat est soumis à un filtre passe-bas afin de restituer aux fréquences leurs valeurs d'origine.

Nous obtenons alors un signal analogique après un passage dans un discriminateur.
Le discriminateur restitue une forme analogique aux impulsions gràce au système de charges/décharges des capacités par lesquelles transite le signal.

 

DPCM : Differential Pulse Code Modulation

Modulation PCM différentielle.
Le principe est d'augmenter la fréquence d'échantillonnage, afin que la différence entre deux impulsions n'excède pas un pas de quantification.

Voir partie quantification.

 

ΔM: Delta Modulation

Modulation delta.
Le principe est le même que pour une modulation PCM différentielle, et la fréquence d'échantillonnage s'élève à 19,2 KHz ou 38,4 KHz. Nous allons travailler ici sur la différence entre deux niveaux, et non plus sur la situation ou la valeur d'un niveau.

  • Avantage : Si nous considérons que le signal n'est pas une constante, nous n'avons plus besoin que d'un seul bit pour le coder. Si le signal est constant, nous considèrerons qu'il est de manière alternative supérieur puis inférieur.
  • Désavantage : Nous nous référons toujours à la valeur de l'échantillon précédent. Si nous perdons un échantillon, la totalité du signal qui suit est faussé.

 

DCDM: Digitally Controled Delta Modulation

La DCDM est une modulation de type delta dont nous doublons le pas de quantification à partir du quatrième bit consécutif de même valeur.

  • bit 1 = passer à l'état supérieur.
  • bit 0 = passer à l'état inférieur.
  • bit 1 suivi d'un bit 0 = correction des différences lors d'un état stable.

Lors de trois bits consécutifs de même état, le pas de quantification reste identique.

Au quatrième bit de même état, la valeur du pas de quantification double.

Si un cinquième bit de même état apparaît, la valeur du pas double encore une fois.

 

Jonction à 64 Kb/s

La recommandation CCITT G703 nous permet de travailler avec 256 pas de quantification (8 bits) à une fréquence d'échantillonnage de 8 KHz.
8 bits multipliés par 8 KHz nous donne 64 Kb/s.

Caractéristiques de ce type de jonction :

  • Codirectionnel : Tx = data + CLK vers Rx
    Ce qui signifie que l'information et les signaux de rythme sont transmis dans le même sens.
  • Horloge centrale : Pour les deux sens de transmission, les signaux de rythme sont transmis par un système d'horloge centrale.
  • Contradirectionnel : Pour les deux sens de transmission, les signaux de rythme sont transmis par le côté ligne vers le côté service.

 

Document créé le 15/07/2003, dernière modification le 26/10/2018
Source du document imprimé : https://www.gaudry.be/reseaux-pcm.html

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