PCM（脉冲编码调制，Pulse Code Modulation）是一种将模拟信号（如声音、图像等）转换为数字信号的编码技术

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PCM（脉冲编码调制，Pulse Code Modulation）是一种将模拟信号（如声音、图像等）转换为数字信号的编码技术。它是数字通信和音频存储（如CD、数字电话）中最基础的技术之一。以下是PCM的核心要点：

1. 基本原理

PCM通过三个步骤将连续的模拟信号转换为离散的数字信号：

  1. 采样（Sampling）：
    • 按固定时间间隔（采样率，如44.1kHz）测量模拟信号的瞬时幅度。
    • 奈奎斯特定理：采样率必须至少是信号最高频率的2倍，才能无失真还原信号（例如人耳听力上限20kHz，CD采样率为44.1kHz）。
  2. 量化（Quantization）：
    • 将采样得到的连续幅度值近似为有限个离散值（量化级）。例如，16-bit量化将幅度分为216=65536216=65536个等级。
    • 量化会引入量化误差（即噪声），量化位数越高，精度越好（如24-bit比16-bit更精细）。
  3. 编码（Encoding）：
    • 将量化后的数值转换为二进制码（如0101）。每个采样点用固定位数的二进制数表示。

2. 关键参数

  • 采样率（Sample Rate）：每秒采样的次数（单位：Hz）。常见值：
    • 电话：8kHz
    • CD音乐：44.1kHz
    • 高清音频：96kHz或192kHz
  • 量化位数（Bit Depth）：每个采样点的比特数，决定动态范围。
    • 8-bit：256级（早期电话）
    • 16-bit：CD音质
    • 24-bit：专业录音
  • 比特率（Bit Rate）：每秒传输的比特数，计算公式：比特率=采样率×量化位数×通道数比特率=采样率×量化位数×通道数（例如：CD音质为44.1kHz × 16-bit × 2声道 = 1411.2kbps）

3. 应用场景

  • 音频领域：CD、WAV文件、数字电话（G.711标准）。
  • 视频领域：未压缩的RAW视频信号。
  • 通信系统：早期数字电话网络（如E1/T1线路）。

4. 优缺点

  • 优点：
    • 原理简单，易于实现和后期处理。
    • 无损条件下可完全还原原始信号（如CD音质）。
  • 缺点：
    • 数据量大（未压缩的PCM音频占空间较大，例如1分钟CD音质约10MB）。
    • 通常需要配合压缩技术（如MP3、FLAC）减少体积。

5. 扩展知识

  • 与压缩编码的区别：PCM是无压缩的原始数字信号，而MP3、AAC等是在PCM基础上进行有损/无损压缩。
  • Delta Modulation（DM）：PCM的简化变种，仅编码相邻采样的差值以减少数据量。
  • ADPCM（自适应差分PCM）：根据信号变化动态调整量化步长，提高效率（用于电话语音压缩）。

总结：PCM是模拟信号数字化的基石，通过采样、量化、编码三个步骤实现高保真转换，为现代数字音频和通信奠定了基础。