Puls-Code-Modulation
Die Puls-Code-Modulation (PCM) ist eine Modulationsform, bei der ein analoges Signal binär codiert wird.
Das analoge Signal wird mit einer bestimmten Frequenz abgetastet. Vorher müssen gemäß dem Shannonschen Abtasttheorem mit einem Tiefpass zu hohe Oberwellen vom Signal herausgefiltert werden.
Das abgetastete Signal wird als pulsamplitudenmoduliert (PAM) bezeichnet. Das PAM-Signal wird mit einem AD-Wandler quantisiert; dazu werden die Amplitudenwerte in n Samplingtiefen eingeteilt. n ergibt sich aus der Anzahl z der Bits, mit der das Signal codiert wird (n = 2z). Bei der Rückumwandlung deckt sich das Signal nicht mehr mit dem Ausgangssignal, da es in endlich viele Quantisierungsstufen eingeteilt wurde. Das dadurch entstehende Störgeräusch bezeichnet man als Quantisierungsrauschen, welches aber nicht unbedingt hörbar sein muss und mit steigendem Quantisierungsgrad abnimmt.
Puls-Code-Modulation
Zum Bild: T ist die Periodendauer der Abtastfrequenz (siehe Frequenz; f -1 = T folgt aus f = 1 / T), TBit die Übertragungsdauer von einem Bit. Der Zusammenhang zwischen Abtastfrequenz und TBit ist für die Übertragung des Signals nicht zwingend. Es wurden 3 Bit zur Auflösung der Amplitudenwerte genutzt (n = 2³ = 8 unterschiedliche Amplitudenwerte, entsprechend der "Schritte" 0 bis 7) (siehe Diskussion).
Der Vorteil der PCM liegt in der Störungstoleranz der Übertragung, es muss beim Empfänger durch die binäre Codierung lediglich zwischen einem High- und Low-Signal (0 und 1) unterschieden werden können. Der Nachteil ist ein hoher Bedarf an Bandbreite zur Übertragung. Dieser Nachteil kann allerdings mit Hilfe unterschiedlicher Modulationsverfahren für digitale Signale (fast) wieder wettgemacht werden.
Die Nyquistbandbreite gilt nur für den theoretischen Fall eines idealen Tiefpasses. Diesen Tiefpass durchläuft das digitale Signal, um Oberwellen (siehe Fourieranalyse) zu filtern und die Bandbreite zu begrenzen. Praktisch ist jedoch kein idealer Tiefpass möglich, so dass die erreichte Bandbreite in der Praxis geringer als die Nyquistbandbreite ist. Außerdem werden Signale näher der halben Abtastrate nicht mehr gut übertragen, solange sie nicht optimal mit den Abtastzeitpunkten zusammenfallen. Im Extremfall kann hier so ein Signal entweder komplett verschwinden, oder in regelmäsigen Zeitintervallen schweben. Bei Sprache und Musik tritt dieser Effekt allerdings nur selten in Erscheinung, da dort in den hohen Frequenzbereichen eher rauschartige Signale (Frikale, Schlagzeug) zu finden sind.
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DPCM und ADPCM
Beim DPCM (Differential PCM) wird nicht jeweils der ganze binär codierte Wert gespeichert, sondern jeweils nur die Differenz zum vorherigen. Dieses Vorgehen erlaubt geringere Speicherwortbreiten (weniger Bits) und damit eine höhere Kompression. ADPCM steht für Adaptive Differential Pulse Code Modulation und bezeichnet ein verbessertes Verfahren zur Datenreduktion gegenüber PCM. Die Skalierung der Quantisierungsstufen ist flexibel, das heißt es werden zum Beispiel nicht immer 5 Bit für den Differenzwert benutzt, sondern wenn der Lautstärkeunterschied sehr gering ist, vielleicht nur 3 Bit. Dabei schätzt der Algorithmus, wie der nächste Wert aussehen könnte, passt die Skalierung an und speichert die Differenz zum geschätzten Wert. Dies bedeutet eine weitere Datenreduktion. Die Skalierung wird in kurzen Zeitintervallen neu angepasst.
Das PCM30/32-System, kurz PCM30 oder E1
Das PCM30-Grundsystem wird in der digitalen Vermittlungstechnik Europas eingesetzt und dient zur digitalen Übertragung des Telefon-/Datenverkehrs. Das System besitzt 30 nutzbare 8bit-Kanäle. Die restlichen 2 Kanäle werden zur Verwaltung benutzt. Alle 32 Kanäle werden zu einem Rahmen (Frame) zusammengefasst. Die Frames werden nacheinander übertragen - ungerader Frame, gerader Frame usw. Um die Kanäle zu trennen und auf die einzelnen Leitungen zu geben und umgekehrt werden Multiplexer und Demultiplexer verwendet.
Aufbau des PCM30-Systems
thumb|Aufbau PCM30-System
- Erklärung der Verwaltungskanäle 0 und 16
- Diese Kanäle sind wie jeder PCM30-Kanal 8 Bit breit.
- Ungeradzahliger Frame, Kanal 0
- Der Kanal 0 überträgt das Rahmen-Kennungswort. Dieses Kennungswort dient der Synchronisation. Es wird in jedem 2. Frame übertragen, es wechselt sich also mit dem Meldewort ab.
- Geradzahliger und ungeradzahliger Frame, Kanal 16
- Der Kanal 16 überträgt die Kennzeicheninformation für 2 Teilnehmeranschlüsse, je 4 bit
- Geradzahliger Frame, Kanal 0
- Dieser enthält das Meldewort. Dieses dient zur Alarmisierung von Störungen im System.
Telefonieren mit PCM30 (Kurzfassung)
Jeder der 30 Kanäle ist 8 Bit breit. Für das Telefonieren wird nur ein 8 Bit-Kanal belegt, was für Sprache ausreichend ist. Telefoniert man über ein analogen Anschluss, so gelangt das Signal über einen Tiefpass zum A/D-Wandler, welcher mit einer Genauigkeit von 8 Bit quantisiert. Da es vorkommen kann, dass es Bit-Kombinationen wie '11111111' oder '00000000' geben kann (= Gleichspannung) und diese nicht über die Leitung übertragen werden können, wird der Bitstrom noch AMI-codiert. Der AMI-Code befindet sich jetzt im PCM30-Kanal und geht nun zum Multiplexer der Vermittlungsstelle und dann in das Telefonnetz (siehe Blockschaltbild EWSD).
Daten des PCM30-Systems
- Kanalzahl: 32
- Anzahl Fernsprechkanäle: 30
- Rahmendauer: 125 µs
- Kanaldauer: 3,9 µs
- Kanalbitzahl: 8 bit
- Bitdauer: 0,488 µs
- Bitrate: 2 Mbit/s
- Bitrate pro Kanal: 64 kbit/s
- Taktfrequenz: 8 KHz
Siehe auch: BORSCHT, EWSD, Vermittlungsstelle, T1