Większość osób, mniej lub bardziej związanych z tematyką audio na pewno zetknęła się ze skrótem PCM. Choć termin dla większości osób brzmi tajemniczo to zachęcamy do zapoznania się z tematem, gdyż jest to sposób modulacji sygnału powszechnie wykorzystywany w branży audio. Wszystko dokładnie opiszemy poniżej.
PCM to skrót od angielskich słów Pulse Code Modulation, które możemy przetłumaczyć jako modulacja kodowa. Najprościej rzecz ujmując jest to sposób przekształcenia sygnału analogowego do postaci cyfrowej.
Aby w pełni zrozumieć sens tego procesu musimy pokrótce wyjaśnić zasadniczą różnicę w reprezentacji sygnału analogowego i cyfrowego. Pierwszy ma postać ciągłą w czasie. Wykres sygnału analogowego ma postać sinusoidy. Cyfrowy jest natomiast zakodowany w postaci binarnej, czyli jako ciąg 0 i 1. Różnice w sposobie zapisu obu typów sygnału sprawiają, że konwersja nie jest prosta i aby mogła być przeprowadzona poprawnie musi zajść szereg procesów. W zależności od przetwarzanej treści, wymaganej jakości oraz sposobu przetwarzania i przesyłania sygnału na poszczególnych etapach są pewne różnice, jednak główne procesy są takie same.
Pierwszym etapem jest próbkowanie (ang. sampling) sygnału analogowego. Jak już wspomnieliśmy sygnał ten ma postać ciągłą i możemy go zobrazować na wykresie za pomocą sinusoidy. Podczas tego procesu w określonych odstępach czasu pobierane są próbki, które opisujmy za pomocą dwóch wielkości. Pierwsza to częstotliwość. Określa ona, ile próbek pobranych zostanie w ciągu sekundy, np. 44.1 kHz oznacza, że w ciągu każdej sekundy pobieranych jest 44.100 próbek. Druga wielkość to głębokość bitowa. Określa ona, ile bitów używanych jest do reprezentowania każdej próbki. Jak nietrudno się domyślić, od ilości pobieranych w ciągu sekundy próbek oraz rozdzielczości zależeć będzie wierność przekazu.
Drugim procesem jest kwantyzacja (ang. quantization), która polega na przypisaniu próbce najbliższej możliwej wartości sygnału analogowego. Niestety na tym etapie mogą zachodzić błędy, nazywane błędami kwantyzacji. Ich powstawanie związane jest z pewną niedokładnością powstającą podczas zaokrąglania wartości rzeczywistej. Częściowo problem można rozwiązać stosując większą rozdzielczość i częstotliwość próbkowania, która zmniejsza błąd kwantyzacji.
Trzecim i ostatnim procesem modulacji PCM jest kodowanie (ang. encoding), podczas którego przetwornik analogowo-cyfrowy rejestruje tysiące próbek i zapisuje je w postaci binarnej. Rezultatem tego jest dźwięk zapisany w postaci cyfrowej na dysku twardym lub innym nośniku, który możemy potem wielokrotnie wykorzystać.
Z technicznego punktu widzenia cały proces modulacji realizowany jest na pojedynczym układzie scalonym, który określany jest jako przetwornik analogowy-cyfrowy (ADC).
Bardzo ciekawa jest też historia powstania PCM. Wszystko zaczęło się jeszcze w XIX wieku, kiedy zaszła konieczność próbkowania wielu sygnałów telefonicznych w celu przekazania ich za pomocą jednego kabla telekomunikacyjnego. Niezależnie od siebie prace w tym zakresie prowadziło kilku inżynierów. W 1903 roku elektryk W. M. Miner zastosował tą technologię w telekomunikacji. Zrozumiałą mowę udało się uzyskać stosując częstotliwość próbkowania powyżej 4000 Hz. Kolejny przełom nastąpił w 1926 roku, kiedy to Paul M. Rayney z Western Electric opatentował faks, który transmitował sygnał za pomocą 5-bitowego PCM kodowanego przez przetwornik analogowo-cyfrowy. Maszyna nie weszła jednak do seryjnej produkcji. Pierwsza udana transmisja mowy wykorzystująca technikę cyfrową miała miejsce podczas II wojny światowej. W 1943 roku badacze Bell Labs zaprojektowali system SIGSALY. W Stanach Zjednoczonych National Inventors Hall of Fame uhonorowało Bernarda M. Olivera i Claude’a Shannona jako wynalazców PCM. Duży przełom nastąpił w 1971 roku, kiedy to firma Denon zarejestrowała pierwsze komercyjne nagranie cyfrowe. Producent postanowił udoskonalić technologię i w 1972 roku zaprezentował pierwszy 8-kanałowy rejestrator cyfrowy DN-023R, który mógł dokonać zapisu w rozdzielczości 13 bit/47.25 kHz.
Modulację PCM w branży audio zaczęło wykorzystywać Sony wspólnie z Philips prezentując w 1982 roku płytę CD. W tym przypadku rozdzielczość wynosi 16 bit, a częstotliwość próbkowania 44.1 kHz. Wystarcza to na zapisanie do 80 minut nagrań stereo. Pomimo upływu lat format ten nadal jest popularny. Jednym z powodów jest właśnie sposób zapisu danych. Wiele osób uważa, że rozdzielczość 16-bit i częstotliwość próbkowania 44.1 kHz wiernie oddaje oryginalne nagranie, gdyż pokrywa cały zakres pasma słyszalnego przez człowieka. Związane jest to także z twierdzeniem Nyquista, wedle którego częstotliwość próbkowania powinna być dwa razy wyższa od przenoszonego zakresu częstotliwości.
PCM jest wykorzystywany bardzo powszechnie do zapisu cyfrowego dźwięku. Z tego sposobu modulacji korzysta wiele popularnych formatów, min. WAV, AIFF, CD Audio. Z racji popularności rozszerzenia wykorzystujące modulację PCM jest w stanie odtworzyć większość urządzeń audio i wideo. Karta dźwiękowa w komputerze wykorzystuje PCM do nagrywania dźwięku z mikrofonu. Odtwarzacze DVD oraz Blu-ray także posiadają zdolność odtwarzania dźwięku ze wspomnianymi rozszerzeniami. Jeśli odtwarzany materiał został nagrany na kilku ścieżkach, wówczas użytkownik korzystając z ustawień wybiera w jakim formacie ma być odtwarzany dźwięk.
Krótkie wyjaśnienie należy się też w kwestii nazewnictwa. Często można spotkać również termin LPCM, który stanowi skrót od słów Linear Pulse Code Modulation. Jest to nic innego jak modulacja PCM, w której probki pobierane są w liniowych odstępach czasu. Z racji tego, że LPCM jest najczęstszą formą PCM oba te pojęcia używane są zamiennie.
Obecnie PCM konkuruje z kodekami Dolby Digital, Dolby True HD. Zupełnie inny sposób modulacji wykorzystywany jest też na płytach SACD. Mowa o stworzonej przez firmę Sony technologia DSD. Jest to jednak rozwiązanie znacznie mniej popularne niż CD Audio. Ponadto producent zaprzestał już produkcji chipsetów do SACD, co skutecznie przyczyniło się do marginalizacji formatu.
Odmienny sposób modulacji wykorzystuje PDM. Najprościej rzecz ujmując jest to modulacja gęstości impulsów. Z racji 1-bitowego zapisu dźwięku, jest to sposób prostszy niż PCM, ale, jak na razie, znacznie mniej popularny.
Jak wynika z powyższego artykułu sam proces modulacji w istocie składa się z kilku etapów. O jego złożoności świadczy także historia. Inżynierom nie od razu udało się znaleźć sposób konwersji sygnału analogowego do postaci cyfrowej, który nadawałby się do powszechnego użytku. PCM dopiero po latach znalazł zastosowanie w branży audio. Mamy jednak nadzieję, że udało się Wam zrozumieć sens procesu. Gdy wiemy już na czym polega modulacja PCM łatwiej zrozumieć, że muzyka cyfrowa także jest podatna na błędy, które mogą pojawić już w trakcie konwersji analogowo-cyfrowej.
