1947 Téléphonie par modulation
de code d'impulsion par W. M. Goodall
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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. 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.
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 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.
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..
Janvier 1948 Bell communique sur la réalisation du PCM experimental
à 12 canaux.
