S2M / PCM30 (ISDN)

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.

Bei ISDN kommt die PCM-Technik für die Signalübertragung zum Einsatz. Speziell für Primärmultiplexanschlüsse kommt die PCM30-Technik mit 30 Nutzkanälen zum Einsatz.

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 4.000 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 PCM30-Übertragungssystem in Europa
  • 15-Segment-Kennlinie des µ-law für das PCM24-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 10.000 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 PCM30-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 3.400 Hz
Abtastfrequenz 8 kHz
Anzahl der Abstastwerte pro Fernsprechsignal 8.000 pro Sekunde
Dauer eines Pulsrahmens (1/8000/s) 125 µs
Anzahl der Bits eines Codewortes 8 Bit
Bitrate eines Fernsprechkanals 8.000/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 8.000/s × 256 Bit = 2.048 kBit/s = 2,048 MBit/s 8.000/s × 193 Bit = 1.544 kBit/s = 1,544 MBit/s

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