PCM - Pulscodemodulation

Die Pulscodemodulation (PCM) ist ein Modulationsverfahren, das analoge Signale in binären Code umwandelt. PCM-Signale lassen sich einfach speichern, verarbeiten und übertragen.

Die Systeme der PCM-Technik sehen die zeitliche Verschachtelung mehrerer Nachrichten (analoge Signale) vor, um sie auf einer gemeinsamen Leitung übertragen zu können. Man spricht auch von der Mehrfachausnutzung von Nachrichtenkanälen. Dazu kommt ein Zeitmultiplex-System zum Einsatz. Solange auf der Übertragungsstrecke das Signal immer wieder aufbereitet wird, kann das PCM-Signal störungsfrei übertragen werden.

Die PCM-Technik kommt in der Messtechnik und bei ISDN zum Einsatz.

Eigenschaften der PCM-Technik

  • Die Signale lassen sich sehr leicht wieder regenerieren.
  • Der Signal-Rausch-Abstand ist unabhängig von der Länge der Übertragungsstrecke.
  • Die Signale weisen eine geringe Empfindlichkeit gegen Übersprechen auf.
  • Die Signalübertragung ist auch bei alten, elektrisch ungünstigen Leitungen möglich.
  • Die Signalübertragung erfolgt in Form binär kodierter Impulse.
  • Die PCM-Technik ist hauptsächlich mit Halbleitern und integrierten Schaltkreisen realisierbar.
  • Die Datenübermittlung und -verarbeitung erfolgt vollelektronisch.
  • Hoher Aufwand durch Filterung, Abtastung, A/D-Wandlung und Multiplexing.
  • Signalstörung durch den Quantisierungsfehler.

Vom analogen Signal zum PCM-Signal

Prinzipieller Entstehungsweg eins pulscodemodulierten Signals

  • Abtastung mit PAM
  • Sample and Hold
  • Quantisierung
  • Codierung

Abtastung und Sample and Hold

Die Abtastung erfolgt nach der PAM und dem Abtasttheorem von Shannon. Dabei wird das analoge Signal in ein PAM-Signal umgewandelt.
Das PAM-Signal wird mit einer Sample-and-Hold-Stufe erzeugt. Dabei werden die abgetasteten Impulse abgeflacht. Die ungleichmäßigen Impulse des PAM-Signal werden auf bestimmte Amplitudenstufen gebracht. Das Ausgangssignal ist dann ein zeitdiskretes stufenförmiges PAM-Signal.

Quantisierung und Codierung

Vorgang bei der Umwandlung vom analogen Signal zur Quantisierung

Der wesentliche Bestandteil, um aus einem analogen Signal ein PCM-codiertes Signal zu wandeln, ist die Quantisierung. Die pulsamplitudenmodulierten Signale (PAM) werden in binäre Datenworte gewandelt. Dabei werden die einzelnen Amplitudenwerte (Spannungsstufen) entsprechenden Quantisierungsstufe und damit einem Binärcode zugeordnet. Der Binärcode wird dann als digitales Signal übertragen. Sowohl Sender und Empfänger wissen welcher Code welche Amplitude ausmacht.
Die Einteilung der Amplituden in Stufen wird als Quantisierung bezeichnet.

Quantisierungsfehler

Die Abtastung stellt nur eine Momentaufnahmen des analogen Signals dar. Diese Momentaufnahme muss über die Quantisierung einem Binärcode zugeordnet werden. Durch die nicht beliebig feine Quantisierung bei der Bildung des PCM-Signals entsteht der Quantisierungsfehler. Der eigentliche Spannungswert des Signals kann um maximal die Hälfte einer Quantisierungsstufe abweichen. Der Quantisierungsfehler macht sich als Verzerrung, dem Quantisierungsgeräusch, bemerkbar, das der Empfänger tatsächlich als Rauschen hören kann. Der Rauschanteil, der durch die A/D-Wandlung entsteht, nennt man Quantisierungsrauschen.
Um diese Verzerrungen zu umgehen, wird das Signal mit möglichst vielen Quantisierungsstufen aufgelöst und so der mögliche Quantisierungsfehler möglichst vermieden. Je feiner die Abstufung, desto geringer fallen die Quantisierungsverzerrungen aus. Dabei steigt mit der Anzahl an Bits im Binärcode auch die Datenmenge, die übertragen, gespeichert oder verarbeitet werden muss. Eine andere Maßnahme ist es, eine nichtlineare Quantisierung für die Digitalisierung des Signals an die Anwendung anzupassen und so den Rauschabstand zu erhöhen und den Rauschanteil zu vermindern.

Ablauf der Pulscodemodulation

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.

PCM-Demodulation

Die Demodulation eines pulscodemodulierten Signals entspricht genau umgekehrt der Erzeugung eines PAM-Signals.
Auf der Empfängerseite wird für jeden Quantisierungsintervall ein Signalwert zurückgewonnen, der den Mittelwert der Quantisierungsstufe entspricht. Dabei kommt es zu Abweichungen zum ursprünglichen Signal und Verzerrungen beim Ausgangssignal.

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