Puls-Code-Modulation (englisch Pulse-Code Modulation, kurz PCM) ist das grundlegende Verfahren, analoge Signale in digitale Signale umzuwandeln. Es arbeitet in drei Schritten: Abtastung (zeitdiskret), Quantisierung (wertdiskret) und Codierung (Binärwort je Abtastwert). PCM steckt im Telefonfestnetz, auf der Audio-CD und in unzähligen digitalen Übertragungssystemen.
Die drei Schritte der PCM
Bei der Abtastung wird der Augenblickswert des analogen Signals in festen Zeitabständen gemessen. Nach dem Abtasttheorem muss die Abtastfrequenz mehr als doppelt so hoch sein wie die höchste im Signal vorkommende Frequenz, sonst geht Information verloren. Die gemessenen Werte werden anschließend auf eine endliche Anzahl von Stufen gerundet (Quantisierung) und jede Stufe als Binärzahl codiert – daraus entsteht der digitale Datenstrom.
Telefonnetz: Das klassische PCM-Beispiel
Im Telefonfestnetz wird die Sprache bandbegrenzt und mit 8 kHz abgetastet. Jeder Abtastwert wird in 256 Stufen quantisiert (8 Bit), wodurch ein Gespräch eine Datenrate von 64 kbit/s erzeugt. Damit leise und laute Signale ähnlich gut klingen, wird die Quantisierung nichtlinear gemacht (Kompandierung nach A-law beziehungsweise μ-law). Mehrere solcher 64-kbit/s-Kanäle bündelt der Zeitmultiplex zum PCM30-System (E1) mit 2,048 Mbit/s – die Basis der digitalen Leitungsvermittlung.
Audio: PCM auf der CD und im PC
Die Audio-CD speichert Musik als PCM mit 44,1 kHz Abtastrate und 16 Bit Auflösung pro Kanal; bei zwei Kanälen (Stereo) ergibt das rund 1411 kbit/s. Auch unkomprimierte Audioformate am Computer (WAV, LPCM bei Blu-ray/HDMI) sind PCM. Werden PCM-Daten über IP-Netze transportiert, spricht man von VoIP – der Codec G.711 überträgt die klassischen 64 kbit/s-Sprachproben als Paketvermittlung.
Eigenschaften und Grenzen
- Vorteil: digitales Signal ist rauschunempfindlich, regenerierbar und beliebig kopierbar, ohne Qualität zu verlieren.
- Nachteil: Die Quantisierung erzeugt ein Grundrauschen; mehr Bit pro Abtastwert verringern es, kosten aber Bandbreite.
- Die Abtastrate bestimmt den übertragbaren Frequenzbereich, die Bittiefe den Dynamikumfang (Störabstand).
Abgrenzung
PCM ist eine Pulsmodulation, bei der der codierte Wert als Binärwort vorliegt – anders als bei der Puls-Amplitudenmodulation (PAM), die nur die Impulshöhe variiert. Gegenüber einer Übertragung mit Fehlerschutz ist PCM nur der erste Schritt: Werden die PCM-Bits über einen gestörten Kanal geschickt, schützt erst die Kanalcodierung beziehungsweise Vorwärtsfehlerkorrektur die Daten.
Verwandte Grundlagen: Zeitmultiplex, Kanalcodierung, Vorwärtsfehlerkorrektur.