1947
Téléphonie par modulation de code d'impulsion par W.
M. Goodall
|
Alec Harley Reeves travaillait sur le
premier système téléphonique transatlantique
pour l'International Western Electric Company
avant de rejoindre le département de recherche de l'entreprise
à Paris ou il a travaillé sur les problèmes
de la radio longue distance, sur les transmissions par microphone
... En 1937, Alec Harley Reeves
avait reconnu le potentiel de la modulation par impulsions
codées pour réduire le bruit lorsque la parole
est transmise sur de longues distances. Avec un signal analogique,
chaque fois que le signal est amplifié, le bruit contenu
dans le signal est également amplifié et un nouveau
bruit supplémentaire est ajouté.
Avec la modulation par impulsions codées, il suffit de
régénérer les impulsions, donc le contenu
en bruit du signal n'est pas augmenté.En 1938
Reeve's avait conclu que la meilleure façon de surmonter
le problème du bruit dans la téléphonie
interurbaine était de transmettre une version numérisée
du signal vocal analogique.
Reeves déposa le brevet US2272070A
le 22 novembre 1939 aux USA et juste avant en
France sous le n° 852 183 du 23 octobre
1939.
Le PCM ; pulse code modulation, fonctionne en
échantillonnant l'amplitude des signaux analogiques à
des intervalles uniformes. Avant d'avoir obtenu le brevet le
3 février 1942 Reeves a mis son l'idée de côté
car la réalisation nécessitait des circuits assez
complexes (selon les normes des années 1930), qui n'étaient
pas rentables en utilisant des valves. En France
La modulation par impulsions codées n'a été
utilisée que dans les années 1950 sur les câbles
de transmission, lorsque l'invention du transistor l'a rendue
viable.
|
AH Reeves |
Extrait du Journal technique de Bell système
Vol. XXVI N° 3 juillet 1947
Document présenté en partie lors d'une réunion
conjointe de l'Union radio scientifique internationale et de l'Inst.
Radio Engineers le 5 mai 1947 à Washington, D.C.
1 Communication présentée le 11 juin 1947 à A.1.E.E.
Summer General Meeting, Mont real, Canada. Accepté pour publication
dans le prochain numéro de A. I. E. E. Transactions.
2 A.H. Reeves, brevet US n° 2272 070,
du 3 février 1942, attribué à International
Standard Electric Corp. ; également, brevet français
n° 852 183 du 23 octobre 1939.
Une expérience de transmission de la parole par Pulse
Code Modulation, ou PCM, est décrite dans cet
article.
Chaque amplitude d'échantillon d'un signal de modulation
d'amplitude d'impulsion ou PAM est transmise par un
groupe de codes d'impulsions ON-OFF. 2 n (2 puissance n) valeurs d'amplitude
peuvent être représentées par un code binaire
à n chiffres.
Pour un nominal de 4 kc. bande vocale ces n impulsions ON-OFF sont
transmises 8000 fois par seconde. Un équipement expérimental
pour coder les impulsions PAM au niveau de l'émetteur et décoder
les impulsions PCM au niveau du récepteur est décrit.
Des expériences avec cet équipement indiquent qu'un
code à trois unités semble être nécessaire
pour une qualité minimale de circuit, tandis qu'un code à
six ou sept unités fournira une bonne qualité.
sommaire
INTRODUCTION
Cet article décrit une expérience de transmission de
la parole par PCM, ou modulation par impulsions codées.
L'auteur est redevable à ses collègues du département
de recherche, C. E. Shannon, J. R. Pierce et B. M. Oliver, pour plusieurs
suggestions intéressantes en rapport avec les principes de
base de la PCM donnés dans cet article. Des travaux sur un
système PCM différent ont été menés
simultanément dans le département de développement
des systèmes des laboratoires Bell par HS Black. Cela a conduit
à son tour au développement d'un système portable
à 8 canaux pour une application particulière. Ce système
est décrit dans un article à paraître par H. S.
Black et J. o. Edson.
Une méthode de modulation par impulsions codées est
proposée dans un brevet américain délivré
à A. H. Reeves.
Le matériel présenté maintenant est composé
de trois parties.
Le premier traite des principes de base, le second décrit le
système PCM expérimental, tandis que le dernier discute
des résultats obtenus.
PRINCIPES DE BASE
PCM implique l'application de deux concepts de base. Ces concepts
sont à savoir, le principe de division temporelle et le principe
de quantification d'amplitude.
L'essence du principe de division du temps est que toute onde d'entrée
peut être représentée par une série d'échantillons
instantanés se produisant régulièrement, à
condition que le taux d'échantillonnage soit au moins deux
fois la fréquence la plus élevée de l'onde d'entrée.(3)
pour les besoins actuels, l'amplitude .
Le principe de quantification stipule qu'une onde complexe peut être
approximée par une onde ayant un nombre fini de niveaux d'amplitude,
chacun différant d'un quantum, la taille des sauts quantiques
étant déterminée par le degré d'approximation
souhaité.
Bien que d'autres arrangements soient possibles, nous considérerons
dans cet article l'application de ces deux principes de base dans
l'ordre suivant.
- L'onde d'entrée est d'abord échantillonnée
sur une base temporelle.
- Ensuite, chacun des échantillons ainsi obtenus est représenté
par une amplitude quantifiée ou un nombre entier.
Chacun de ces nombres entiers est représenté sous la
forme d'un nombre binaire de n chiffres, le système de nombre
binaire étant choisi car il peut être facilement représenté
par des impulsions ON-OFF ou à deux positions.
(3) C'est parce que le courant continu, le fondamental et les harmoniques
de l'onde à gauche sur la figure 1 sont tous modulés
dans l'onde à droite, et si la fréquence de modulation
la plus élevée dépasse la moitié du taux
d'échantillonnage, la bande latérale inférieure
du fondamental tombera dans la gamme de la fréquence de modulation
et ne sera pas exclu par le filtre passe-bas. Le résultat est
une distorsion.
Fig. I-Pulses dans un système PAM.
2n niveaux discrets peuvent être représentés par
un nombre binaire de n chiffres.(4) . Ainsi, PCM représente
chaque amplitude quantifiée d'un processus d'échantillonnage
temporel par un groupe d'impulsions ON-OFF, où ces impulsions
représentent l'amplitude quantifiée dans un binaire
système de numération.
(4) Dans un système décimal, les chiffres peuvent
avoir n'importe laquelle des 10 valeurs, de 0 à 9 inclus. Dans
un système binaire, les chiffres ne peuvent avoir que deux
valeurs soit 0 soit 1 .
Jusqu'à présent, la discussion a porté sur des
termes généraux. Les principes qui viennent d'être
exposés vont maintenant être illustrés par des
exemples.
La transmission multiplexée de canaux vocaux en envoyant de
courtes impulsions sélectionnées séquentiellement
à partir des canaux vocaux respectifs est maintenant bien connue
dans l'art de la téléphonie et est appelée multiplex
temporel. Lorsque les impulsions consistent simplement en de courts
échantillons des ondes de parole, leurs amplitudes variables
représentent directement les ondes de parole et le système
est appelé modulation d'amplitude d'impulsion ou PAM.
Dans PAM, l'amplitude instantanée de l'onde de parole est échantillonnée
à intervalles réguliers. L'amplitude ainsi obtenue est
transmise sous la forme d'une impulsion d'amplitude correspondante.
Afin de transmettre à la fois des valeurs positives et négatives,
une valeur constante ou d-c d'amplitude d'impulsion peut être
ajoutée. (Voir Fig. 1.)
Lorsque cela est fait, des valeurs positives de l'onde d'information
correspondent à des amplitudes d'impulsions supérieures
à la valeur constante tandis que des valeurs négatives
correspondent à des amplitudes d'impulsions inférieures
à la valeur constante. Au niveau du récepteur, une reproduction
de l'onde vocale d'origine sera obtenue à la sortie d'un filtre
passe-bas.
Le système PCM considéré dans cet article commence
par un système PAM et ajoute des équipements aux terminaux
pour permettre la transmission d'un groupe d'impulsions ON-OFF ou
de chiffres binaires pour représenter chaque amplitude d'impulsion
instantanée du système PAM.
La représentation de l'amplitude d'une seule impulsion PAM
par un groupe fini d'impulsions ON-OFF ou de chiffres binaires nécessite
une quantification de l'onde audio.
En d'autres termes, nous ne pouvons pas représenter l'amplitude
réelle plus proche que 1/2 "quantum". Le nombre de
niveaux d'amplitude requis dépend de la qualité du circuit
souhaité. La perturbation qui résulte du processus de
quantification a été appelée bruit de quantification.
Pour ce type de bruit, un rapport signal sur bruit de 33 db serait
obtenu pour 32 niveaux d'amplitude et cette qualité de circuit
a été jugée suffisamment bonne pour une étude
préliminaire. Ces 32 niveaux d'amplitude peuvent être
obtenus avec 5 chiffres binaires, puisque 32 = 2n.
La figure 2 montre comment plusieurs valeurs d'amplitude d'impulsion
PAM peuvent être représentées par ce code binaire.
Fig.
2-Équivalents binaires et décimaux.
La première colonne donne les impulsions numériques
qui sont envoyées entre l'émetteur et le récepteur
tandis que la deuxième colonne montre le même modèle
d'impulsion avec chaque impulsion pondérée en fonction
de sa valeur assignée, et la dernière colonne montre
la somme des valeurs pondérées.
La somme, bien sûr, représente l'impulsion PAM à
l'unité d'amplitude inférieure la plus proche. La rangée
supérieure où tous les chiffres sont présents
montre, sous la forme d'onde médiane, l'équivalent pondéré
de chaque impulsion de chiffre. En prenant différentes combinaisons
des cinq chiffres, toutes les amplitudes entières entre 31
et 0 peuvent être représentées. Les exemples présentés
sont pour 31, 18, 3 et 0.
En se référant à la figure 3, l'échantillonnage
de l'onde audio (a) donne l'onde PAM (b).Les impulsions PAM sont codées
pour produire les groupes de codes ou le signal PCM (c). Les impulsions
PCM sont celles envoyées sur le support de transmission.
Fig. 3-PAM et PCM émettant et recevant des formes d'onde (amplitude
en fonction du temps).
Pour un taux d'échantillonnage de 8000 par seconde, il y aurait
8000 impulsions PAM par seconde pour un seul canal. Le taux d'impulsions
numériques serait de 40 000 pps pour un code à cinq
chiffres. Pour un multiplex temporel de N canaux, ces deux fréquences
d'impulsions seraient multipliées par N.
La forme d'onde (d) montre les impulsions PAM décodées
où les amplitudes sont indiquées sous les impulsions.
L'onde audio d'origine est répétée sous forme
d'onde (e). On notera que le signal reçu est retardé
d'un intervalle d'impulsion PAM. On voit aussi que les impulsions
décodées ne s'inscrivent pas exactement sur cette courbe.
Ceci est le résultat de la quantification et la sortie du filtre
passe-bas contiendra une perturbation de quantification non représentée
en (e) qui n'était pas présente dans le signal d'entrée.
Un signal qui utilise des impulsions ON-OFF se produisant régulièrement
peut être "régénéré" et
répété indéfiniment sans dégradation.
Une impulsion peut être "régénérée"
par un équipement qui transmet une impulsion non déformée
à condition qu'une impulsion quelque peu déformée
soit reçue, et ne transmet rien autrement.
ÉQUIPEMENT PCM EXPÉRIMENTAL
Le codeur expérimental utilisé dans ces études
pourrait être désigné comme l'un du "type
de soustraction de rétroaction".
Il fonctionne comme suit : Chaque impulsion PAM est stockée
sous forme de charge sur un condensateur dans un circuit de stockage.
(Voir Fig. 4.)
Fig. 4 PCM Schéma du bloc émetteur.
La tension aux bornes de ce condensateur est comparée à
une tension de référence. L'amplitude de cette tension
de référence correspond à l'amplitude d'impulsion
d-c de la Fig. 1.
La tension a une magnitude de 16 unités. Si l'amplitude de
la tension du condensateur dépasse l'amplitude de la tension
de 16 unités, une tension de socle positive est obtenue à
la sortie du circuit de comparaison. Cette tension de socle est amplifiée,
limitée et appliquée au modulateur de socle. Le modulateur
de socle sert de porte pour les impulsions de synchronisation provenant
du générateur de tops de synchronisation. Si la tension
de socle et l'impulsion de synchronisation sont appliquées
simultanément au modulateur de socle, une impulsion est obtenue
en sortie. Dans le cas présent cette impulsion correspond à
la présence du chiffre de 16 unités dans le groupe de
code qui représente cette impulsion PAM. Cette impulsion numérique
après amplification et limitation est (1) envoyée sur
la ligne (peM out) et (2) renvoyée à travers un circuit
à retard approprié vers un circuit de soustraction.
La fonction du circuit de soustraction est de soustraire une charge
du condenseur correspondant au chiffre de 16 unités. La charge
restante sur le condensateur est maintenant comparée à
une nouvelle tension de référence qui est l'amplitude
de la première tension de référence ou 8 unités.
Si l'amplitude de la tension aux bornes du condenseur dépasse
cette nouvelle tension de référence, le processus ci-dessus
est répété et la deuxième impulsion numérique
est transmise et une autre charge, cette fois correspondant au chiffre
de 8 unités, est soustraite de la charge restante sur le condenseur.
Si l'amplitude de la tension aux bornes du condensateur est inférieure
à la tension de référence, dans les deux cas
ci-dessus, aucun piédestal ne sera produit et aucune impulsion
numérique ne sera transmise. Puisqu'aucune impulsion n'est
transmise, aucune charge ne sera soustraite du condenseur.
Ainsi la charge restant sur le condensateur après chaque opération
représente la partie de l'impulsion PAM d'origine restant à
coder.
L'onde de tension de référence consiste en une série
de tensions dont chacune est 1/2 de la précédente.
Il y a une étape sur la fonction de tension de référence
pour chaque chiffre à coder.
Une meilleure compréhension du processus de codage peut être
obtenue en se référant aux diverses formes d'onde impliquées.
Pour être complet, les formes d'onde de l'entrée audio
au signal d'impulsion codé sont représentées
pour l'émetteur sur les Fig. 3 et 5 et du signal d'impulsion
codé à la sortie audio pour le récepteur des
Fig. 7 et 3.
Dans le diagramme, les abscisses sont le temps et les ordonnées
sont les amplitudes. Certaines de ces formes d'onde ont déjà
été décrites en relation avec la figure 3. Etant
donné que le codeur fonctionne de la même manière
pour chaque impulsion PAM, les formes d'onde détaillées
des processus de codage et de décodage ne sont représentées
que pour deux amplitudes.
Le schéma fonctionnel de l'émetteur est donné
sur la Fig. 4, tandis que celui du récepteur est donné
sur la Fig. 6.
Les lettres sur les Fig. 4 et 6 se réfèrent aux formes
d'onde sur la Fig. 3, tandis que les numéros se réfèrent
aux formes d'onde sur les Figs. 5 et 7.
En se référant aux Fig. 4 et 5, "l'impulsion de
commande retardée" Courbe 1 est l'impulsion de cadencement
principale pour le codeur d'émission. Il est utilisé
pour échantillonner l'onde audio et pour démarrer les
générateurs de pas et de timing-pip. Deux ensembles
de pips de synchronisation sont produits ; l'une, la courbe 2,
est utilisée pour générer la tension de pas de
référence tandis que l'autre, la courbe 7, est utilisée
pour synchroniser les impulsions numériques.
La tension d'échelon de référence, Courbe 3,
est utilisée dans le circuit de comparaison et dans le circuit
de soustraction.
La courbe 4 donne la sortie du circuit de soustraction, ", tandis
que la courbe 5 est la tension sur le condensateur de stockage. Le
tracé suivant donne les courbes 3 et 5 superposées ;
la zone grisée sur ce tracé correspond au temps pendant
lequel une tension de piédestal est générée.
La tension de socle est donnée par la courbe 6 et la sortie
du modulateur de socle est donnée par la courbe 8.
Cette dernière courbe est un tracé des deux groupes
de code correspondant aux deux impulsions PAM en cours de codage.
En étudiant ces formes d'onde, on notera que l'impulsion de
commande retardée, les deux ensembles de tops de synchronisation
et les courbes de tension de pas de référence sont les
mêmes pour chaque groupe de codes. D'autre part, la tension
du condensateur de stockage, la tension de socle, le groupe d'impulsions
de code et le groupe d'impulsions du circuit de soustraction sont
différents pour chaque groupe de code.
On rappellera qu'une tension de piédestal est produite pendant
le temps où la tension du condensateur dépasse la tension
de l'échelon de référence. ,Le front montant
de chaque impulsion de piédestal est généré
par la partie descendante de la tension de pas de référence.
Le front descendant de chaque impulsion de piédestal est produit
par la partie descendante de la tension du condensateur. Cette chute
de tension du condensateur est le résultat du fonctionnement
du circuit de soustraction. La sortie du circuit de soustraction dépend
de l'impulsion numérique retardée qui vient d'être
dépassée par l'impulsion de base. Son amplitude dépend
de l'échelon de tension de référence qui s'applique
au chiffre particulier transmis. La fonction du retard dans le chemin
de rétroaction est de permettre à l'impulsion numérique
sortante d'être terminée avant que le piédestal
ne soit terminé.
On voit que la tension de socle contient les mêmes informations
que les groupes de codes transmis. Dans des conditions idéales,
l'utilisation d'impulsions de synchronisation auxiliaires ne serait
pas nécessaire. Cependant, dans un circuit pratique, le bord
d'attaque du socle varie, à la fois en termes de synchronisation
relative et de vitesse de montée.
Dans ces conditions, les tops de synchronisation auxiliaires permettent
une synchronisation précise des impulsions PCM sortantes, ainsi
qu'une forme d'impulsion constante pour l'entrée du circuit
de soustraction.
En résumant ce qui précède, on voit que dans
le codeur dont il est question une comparaison est faite pour chaque
digit entre une tension de référence et la tension aux
bornes d'un condensateur de stockage.
Initialement, la tension aux bornes de ce condenseur représente
l'amplitude de l'impulsion PAM codée. Après chaque chiffre,
la tension restant sur le condensateur représente l'amplitude
de l'impulsion PAM d'origine restant à coder.
Une tension de piédestal est obtenue à la sortie du
circuit de comparaison chaque fois que la tension du condensateur
de stockage dépasse la tension d'échelon de référence.
Ce socle, s'il est présent, permet d'émettre une impulsion
de temporisation sous la forme d'un chiffre du groupe de codes. .
Cette impulsion numérique est également retardée
et renvoyée à un sous-circuit de traction qui réduit
la charge sur le condensateur d'une amplitude correspondant à
l'impulsion numérique qui vient d'être transmise. Ce
processus est répété étape par étape
jusqu'à ce que le code soit terminé.
La synchronisation des deux générateurs d'impulsions
de commande, un à l'émetteur et un au récepteur,
est essentielle au bon fonctionnement de l'équipement.
Cela peut être accompli de diverses manières. La meilleure
méthode de synchronisation à utiliser dépend
de l'application. Bien que la commande puisse facilement être
obtenue en transmettant une impulsion de synchronisation sur la ligne,
l'équipement aurait été un peu plus compliqué
et pour ces tests, un canal séparé a été
utilisé pour synchroniser les générateurs d'impulsions
de commande aux terminaux. Ayant ainsi établi la synchronisation
du générateur d'impulsions de commande de réception
illustré sur la Fig. 6 par rapport aux groupes de codes reçus,
le récepteur génère un nouvel ensemble d'ondes
comme illustré sur la Fig. 7.
A l'exception du retard dans le support de transmission, les trois
premières courbes sont les mêmes que celles représentées
sur la Fig. 5 pour l'émetteur.
(1) est l'impulsion de commande retardée, (2) est l'onde de
synchronisation de pas et (3) est la tension de pas de référence.
La courbe 8 est le groupe de code reçu et (9) est le courant
de sortie du circuit de soustraction, (10) donne la forme d'onde de
la tension aux bornes du circuit de stockage récepteur, et
(11) donne la courbe de l'impulsion de commande non retardée.
Le récepteur fonctionne comme suit : Le condensateur de stockage
est chargé à une tension fixe par chaque impulsion de
commande retardée. La charge sur le condensateur est réduite
par la sortie du circuit de soustraction. La quantité de charge
qui est soustraite dépend du chiffre du groupe qui produit
l'impulsion de sous-traction. Cette quantité est mesurée
par la tension de pas de référence.
A la fin du groupe de code, la tension restant sur le condensateur
est échantillonnée par l'impulsion de commande non retardée.
On voit que les circuits de soustraction de stockage dans l'émetteur
et le récepteur fonctionnent de manière similaire. Dans
l'émetteur, la tension d'origine sur le condensateur dépend
du signal audio, et après le processus de codage, cette tension
est sensiblement nulle. Le récepteur démarre avec une
tension maximale fixe et après le processus de décodage,
l'échantillon qui est délivré au filtre passe-bas
de sortie est donné par la réduction de tension du condensateur
pendant le processus de décodage. Sauf que les conditions au
début et à la fin des périodes de codage et de
décodage sont différentes comme discuté ci-dessus,
le processus de soustraction est le même pour les deux unités.
Le décodeur de surveillance dans l'émetteur fonctionne
de la même manière que décrit ci-dessus, sauf
qu'il utilise les diverses ondes déjà générées
pour d'autres utilisations dans l'émetteur (voir Fig. 4).
RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX
Un système expérimental a été mis en place
comme illustré à la Fig. 8.
Le modulateur à impulsions codées, l'émetteur
radio et l'antenne comprenaient le terminal émetteur; tandis
qu'une antenne, un récepteur radio et un démodulateur
de code d'impulsion étaient utilisés pour le terminal
de réception. Un court trajet aérien séparait
les terminaux.
L'émetteur utilisait un oscillateur à magnétron
pulsé et le récepteur utilisait un circuit superhétérodyne
à large bande. Les résultats obtenus avec ce système
étaient similaires à ceux obtenus en connectant le modulateur
de code d'impulsion et le démodulateur ensemble sans l'équipement
radio. En fait, à moins qu'une grande quantité d'atténuation
ne soit insérée dans le chemin, la présence du
circuit radio ne pourrait pas être détectée.
Il était possible d'ajuster l'émetteur PCM afin que
différents nombres de chiffres puissent être produits.
Une brève étude a été faite du nombre
de chiffres requis. Il s'est avéré qu'à volume
régulé, un minimum de trois ou quatre chiffres était
nécessaire pour une bonne intelligibilité de la parole
bien que, de manière assez surprenante, un certain degré
d'intelligibilité soit obtenu avec un seul.
Avec six chiffres, la parole et la musique étaient de bonne
qualité lorsque le volume régulé était
utilisé. Même avec six chiffres, cependant, il était
possible de détecter la différence entre le PCM et la
transmission directe dans les tests A-B.
Cela pourrait être fait plus facilement par une comparaison
du bruit dans les deux systèmes. Si un volume non régulé
était utilisé, plusieurs chiffres supplémentaires
seraient probablement souhaitables pour une transmission de haute
qualité.
En écoutant la parole transmise sur le système PCM,
on avait l'impression que les modèles sonores particuliers
d'une syllabe ou d'un mot pouvaient être transmis avec trois
ou quatre chiffres. Si la plage de volume du locuteur variait, il
serait nécessaire d'ajouter plus de chiffres pour tenir compte
de cette variation.
Mais au-delà de ces effets, le bruit de fond plus ou moins
présent dans tous les circuits de communication est quantifié
par le système PCM. Si la taille des quanta ou du pas d'amplitude
est trop grande, le circuit aura un son caractéristique, qui
peut être facilement identifié. Etant donné que
la taille des quanta est déterminée par le nombre de
chiffres, on voit que le nombre de chiffres requis dépend non
seulement de la parole mais également du bruit de fond présent
dans le signal d'entrée.
En résumé, les résultats expérimentaux
obtenus indiquent qu'au moins 3 chiffres sont souhaitables pour une
qualité minimale de circuit et que jusqu'à 6 ou plus
fourniront un circuit de bonne qualité.
Si nous souhaitons transmettre une bande vocale nominale de 4000 cycles,
PCM nécessite les 8000 impulsions par seconde nécessaires
à tout système temporel, multipliées par le nombre
de chiffres transmis. Cependant, la bande passante supplémentaire
requise pour le PCM offre de réels avantages, notamment l'absence
de bruit, de diaphonie et de mutilation du signal, et la possibilité
d'étendre le circuit grâce à l'utilisation du
principe de régénération.
L'auteur tient à souligner l'aide de M. A. F. Dietrich dans
la construction et les essais de l'équipement PCM..
