Pulscodemodulation (PCM) im ISDN-Netz

Funktionsprinzip der Pulscodemodulation im Schnelldurchlauf

Prinzipieller Entstehungsweg eins pulscodemodulierten Signals
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  1. Das analoge Sprachsignal wird durch ein Mikrofon erzeugt.
  2. Das Sprachsignal wird mittels eines Bandpasses auf 3,4 kHz begrenzt.
  3. Abtastung: Hier wird ein pulsamplitudenmoduliertes Signal (PAM) mit einer Abtastfrequenz von 8 kHz (mindestens doppelt so hoch, wie die zu übertragene Frequenz) erzeugt und gespeichert.
  4. Quantisierung und Kompression: Die Analogwerte werden in 256 Quantisierungsstufen zugeordnet (linear).
    In der Praxis wird nichtlinear quantisiert. Hierduch wird die Übertragungsqualität leiser Töne erhöht und der Signalrauschabstand verbessert.
    Codierung: Bei der Fernsprechübertragung wird das Signal in 256 verschiedene Spannungsstufen (8 Bit) eingeteilt.
  5. Da das Signal generell über ein 2-adriges Kabel geht, ist eine Parallel-Seriell-Umsetztung nötig. Die Quantisierungsstufen werden in binäre Codewörter codiert.
  6. Damit das Signal einwandfrei übertragen werden kann, muss es noch entsprechend aufbereitet (verstärkt) werden. Z. B. Leitungsanpassung durch einen Leitungscode.
  7. Fertig ist das PCM-Signal.

Nach CCITT wird jedes gerade Bit (2, 4, 6, 8) invertiert übertragen. Dadurch wird sicher gestellt, dass in Gesprächspausen keine Nullfolgen übertragen werden. So lässt sich der Takt aus dem Datenstrom leichter zurückgewinnen und verhindert, dass sich die Leitungen aufladen. Lange Leitungen wirken wie Kapazitäten und Induktivitäten.

Quantisierung und Codierung

Quantisierungs-, Expandierungs- und Kompandierungskennlinie
Der erforderliche Amplitudenbereich (bei der Sprachübertragung etwa 40 dB) wird in gleiche Stufen unterteilt. Die Quantisierung erfolgt in diesem Fall linear (ideal). Unter Berücksichtigung des notwendigen Störabstandes ergeben sich etwa 4000 Amplitudenstufen mit entsprechender Binärcodierung. Allerdings sind so viele Quantisierungsstufen (im Bild rechts sind es nur 6) nicht nötig. Bspw. verläuft die Empfindlichkeitskurve des Ohres logarithmisch (Weber-Fechnersches Gesetz). Auch kommen in der menschlichen Sprache kleinere Amplituden sehr viel häufiger vor, als große. Daraus ergibt sich eine gröbere Einteilung der Quantisierungsstufen bei den größeren Amplituden, und eine feinere Einteilung bei den kleineren Amplituden.
In der Praxis kommt man mit insgesamt 256 Quantisierungsstufen (8 Bit) aus. Das sind 128 Stufen pro Halbwelle.
Diese nichtlineare Quantisierung (Kompression) dient in der Praxis zur Gewinnung des PCM-Signals. Gegenüber der linearen Quantisierung ergibt sich eine erhebliche Einsparung von Übertragungskapazität. Die Kompression muss auf der Empfangsseite durch eine Expandierung mit der selben Kennlinie wieder ausgeglichen werden.
Den gesamten Vorgang der Kompression und Expandierung nennt man Kompandierung.

Das CCITT empfiehlt zwei Kompandierungskennlinien:

  • 13-Segment-Kennlinie des A-law für das PCM-30-Übertragungssystem in Europa
  • 15-Segment-Kennlinie des µ-law für das PCM-24-Übertragungssystem in den USA

Bitfehlerrate

Bei der digitalen Signalübertragung kann ein verloren gegangener oder durch Störungen hinzugekommener Impuls einen Übertragungsfehler bedeuten.
Man spricht in diesem Zusammenhang von der Bitfehlerrate, die die Anzahl der fehlerhaften Bits, bezogen auf die Gesamtzahl der gesendeten Bits angibt.
Eine Bitfehlerrate von 10-4 heißt, auf je 10000 Bit kommt ein falsches Bit. Bei der Sprachübertragung bedeutet dies keine wesentliche Beeinträchtigung der Sprachwiedergabe. Erst bei Fehlerraten von etwas 10-3 wird es problematisch.
Für ein PCM-30-Übertragungssystem auf 2,5 km Länge werden Fehlerraten von 3 mal 10-7 angestrebt.

Gegenüberstellung der Systeme: PCM30 und PCM24

PCM-Übertragungssystem PCM30 PCM24
Begrenzung des Sprachbands auf 300 bis 3400 Hz
Abtastfrequenz 8 kHz
Anzahl der Abstastwerte pro Fernsprechsignal 8000 pro Sekunde
Dauer eines Pulsrahmens (1/8000/s) 125 µs
Anzahl der Bits eines Codewortes 8 Bit
Bitrate eines Fernsprechkanals 8000/s × 8 Bit = 64 kBit/s
Codierung/Decodierung
Anzahl der Segmente pro Kennlinie
13 (A-law) 15 (µ-law)
Anzahl der Kanal-Zeitschlitze pro Pulsrahmen 32 24
Anzahl der Bits pro Pulsrahmen 8 Bit × 32 = 256 Bit 8 Bit × 24 + 1 = 193 Bit
Dauer eines Kanal-Zeitschlitzes ca. 3,9 µs ca. 5,2 µs
Bitrate des Zeitmultiplexsignals 8000/s × 256 Bit = 2048 kBit/s = 2,048 MBit/s 8000/s × 193 Bit = 1544 kBit/s = 1,544 MBit/s

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