Modulación por impulsos codificados

La modulación por impulsos codificados (MIC o PCM por sus siglas inglesas de Pulse Code Modulation) es un procedimiento de modulación utilizado para transformar una señal analógica en una secuencia de bits (señal digital), este método fue inventado por Alec Reeves en 1937. Una trama o stream PCM es una representación digital de una señal analógica en donde la magnitud de la onda analógica es tomada en intervalos uniformes (muestras), cada muestra puede tomar un conjunto finito de valores, los cuales se encuentran codificados.

Modulación

Introducción

Muestreo y cuantificación de una onda senoidal (roja) en código PCM de 4-bits

En la figura de la derecha observamos que una onda senoidal está siendo muestreada y cuantificada en PCM. Se toman las muestras a intervalos de tiempo regulares (mostrados como segmentos sobre el eje X). De cada muestra existen una serie de posibles valores (marcas sobre el eje Y). A través del proceso de muestreo la onda se transforma en código binario (representado por la altura de las barras grises), el cual puede ser fácilmente manipulado y almacenado.

En la Figura 1 se muestra la disposición de los elementos que componen un sistema que utiliza la modulación por impulsos codificados. Por razones de simplificación, sólo se representan los elementos para la transmisión de tres canales.

En la Figura 2 tenemos las formas de onda en distintos puntos del sistema anteriormente representado

Las funciones de las distintas etapas de las que consta el sistema se detallan a continuación.

Muestreo

Consiste en tomar muestras (medidas) del valor de la señal n veces por segundo, con lo que tendrán n niveles de tensión en un segundo.

Así, cuando en el sistema de la Figura 1 aplicamos en las entradas de canal las señales (a), (b) y (c) (Figura 2), después del muestreo obtenemos la forma de onda.

Para un canal telefónico de voz es suficiente tomar 8.000 muestras por segundo, o, lo que es lo mismo, una muestra cada 125 μseg. Esto es así porque, de acuerdo con el teorema de muestreo, si se toman muestras de una señal eléctrica continua a intervalos regulares y con una frecuencia doble a la frecuencia máxima que se quiera muestrear, dichas muestras contendrán toda la información necesaria para reconstruir la señal original.

Como en este caso tenemos una frecuencia de muestreo de 8 kHz (período 125 μseg), sería posible transmitir hasta 4 kHz, suficiente por tanto para el canal telefónico de voz, donde la frecuencia más alta transmitida es de 3,4 kHz.

El tiempo de separación entre muestras (125 μseg) podría ser destinado al muestreo de otros canales mediante el procedimiento de multiplexación por división de tiempo (TDM).

Cuantificación

Por eso en la cuantificación se asigna un determinado valor discreto a cada uno de los niveles de tensión obtenidos en el muestreo. Como las muestras pueden tener un infinito número de valores en la gama de intensidad de la voz, gama que en un canal telefónico es de aproximadamente 60 dB, o, lo que es lo mismo, una relación de tensión de 1000:1, con el fin de simplificar el proceso, lo que se hace es aproximar al valor más cercano de una serie de valores predeterminados.

Codificación

En la codificación, a cada nivel de cuantificación se le asigna un código binario distinto, con lo cual ya tenemos la señal codificada y lista para ser transmitida. La forma de una onda sería la indicada como (f) en la Figura 2.F

En telefonía, la señal analógica vocal con un ancho de banda de 4KHz se convierte en una señal digital de 1024 Kbps. En telefonía pública se suele utilizar transmisión plesiócrona, donde, si se usa un E1, podrían intercalarse otras 31 señales adicionales. Se transmiten, así, 32x64000 = 2.048.000 bps.

Recuperación de la señal analógica

En la recuperación se realiza un proceso inverso, con lo que la señal que se recompone se parecerá mucho a las originales (a), (b) y (c), si bien durante el proceso de cuantificación, debido al redondeo de las muestras a los valores cuánticos, se produce una distorsión conocida como ruido de cuantificación. En los sistemas normalizados, los intervalos de cuantificación han sido elegidos de tal forma que se minimiza al máximo esta distorsión, con lo que las señales recuperadas son una imagen casi exacta de las originales. Dentro de la recuperación de la señal, ya no se asignan intervalos de cuantificación en lugar de ello son niveles, equivalentes al punto medio del intervalo IC en el que se encuentra la muestra normalizada (Aclaración de WDLC).

Historia

En la historia de las comunicaciones eléctricas, la primera razón para muestrear una señal era poder intercalar muestras de diferentes orígenes telegráficos y enviarlas por un único cable telegráfico. La multiplexación por división de tiempo telegráfica fue lograda desde 1853, por el inventor estadounidense M.B. Farmer. El ingeniero eléctrico W.M. Miner, en 1903, usó un conmutador electromecánico para la multiplexación por tiempo de diversas señales telegráficas y también aplicó esta tecnología a la telefonía. Obtuvo conversaciones inteligibles de canales muestreados a una tasa sobre 3500 - 4300 Hz, bajo esta era insatisfactoria. Esto era TDM, pero modulación por amplitud de pulsos (en inglés: PAM) en vez de MIC. En 1926, Paul M. Rainey, de Western Electric, patentó una máquina de facsímiles que transmitía su señal usando MIC de 5 bits, codificados por un convertidor análogo-digital optomecánico. La máquina no llegó a producción masiva. El ingeniero británico Alec Reeves, sin estar al tanto de este trabajo previo, concibió el uso de MIC para las comunicaciones de voz en 1937, mientras trabajaba para la International Telephone and Telegraph en Francia. Él describió la teoría y sus ventajas, pero no redundó en usos prácticos. Reeves solicitó una patente en Francia en 1938, y su patente en EE.UU se le otorgó en 1943. La primera transmisión de voz por técnicas digitales fue usando el equipamiento de codificación y cifrado SIGSALY, utilizado para comunicaciones de alto nivel aliadas durante la Segunda Guerra Mundial, en 1943. Ese año, los investigadores de Bell Labs que diseñaron SIGSALY se dieron cuenta de que el uso de MIC había sido ya propuesto por Alec Reeves. En 1949, Ferranti Canadá construyó un sistema de radio con MIC que fue capaz de transmitir datos de radar digitalizados sobre largas distancias para el DATAR de la marina canadiense. (REF) La MIC en los años 1950 usaba, para codificar, un tubo de rayos catódicos con una malla perforada. Tal como en un osciloscopio, el haz era barrido horizontalmente a una tasa de muestreo mientras la deflexión vertical era controlada por la señal análoga de entrada, haciendo que el haz pasara a través de porciones altas o bajas de la malla. La malla interrumpía el haz, produciendo variaciones de corriente en código binario. Esta malla fue perforada para producir señales binarias en código Gray antes que binario natural. MIC fue usado en Japón por Denon en 1972 para la masterización y producción de grabaciones fonográficas, usando un grabador de cintas de formato Quadruplex de 2 pulgadas para su transporte, el cual no llegó a ser desarrollado como producto comercial.

Véase también

• Conversión analógica digital
• Muestreo digital
• Cuantificación digital
• Codificación digital
• Jerarquía Digital Plesiócrona