Puls-Code-Modulation

• Bei Sprachcodecs in der Kommunikationstechnik, z. B. beim G.711-Standard.
• In der Videotechnik für digitale Videosignale nach dem Standard ITU-R BT 601.
• In der Audiotechnik bildet PCM die Basis für Digitalaudio-Anwendungen, deren bekannteste die Compact Disc ist.

Abbildung 1: Abtastung, Quantisierung und Codierung des in Rot dargestellten ursprünglichen Signalverlaufes bei einer PCM mit 4 Bit.

Die Umsetzung erfolgt in folgenden Schritten:

1. Abtastung des analogen Signals mittels Pulsamplitudenmodulation (PAM) mit einer zeitlich konstanten Abtastrate. Dabei wird aus dem zeitkontinuierlichen Signalverlauf eine zeitdiskrete Signalfolge gebildet. Zur Erhaltung der Information in der zeitdiskreten Folge ist die Erfüllung des Nyquist-Shannon-Abtasttheorems notwendig. Dies bedeutet, dass die Abtastrate mehr als doppelt so groß sein muss, wie die im Signalverlauf höchste vorkommende Frequenzkomponente ist.
2. Danach erfolgt eine Quantisierung auf diskrete Werte mit endlich vielen Stellen. Die Quantisierung ordnet einem bestimmten Wertebereich ein bestimmtes Symbol zu. Das Symbol ist typischerweise eine Zahl, die für einen Amplitudenbereich steht.
3. Erzeugung des Digitalsignals durch Codierung der einzelnen Symbole. In vielen praktischen Anwendungen wird bei der PCM der Binärcode gewählt.

In elektrischen Schaltungen wird der erste Schritt in Form einer Sample-and-Hold-Schaltung (SH) und die Schritte zwei und drei in Form von Analog-Digital-Umsetzern (ADU) realisiert. In manchen Analog-Digital-Umsetzern ist der SH bereits als Funktionseinheit integriert.

Die Anzahl der möglichen Quantisierungsstufen ${\displaystyle n}$ ergibt sich bei dem Binärcode aus der Anzahl ${\displaystyle z}$ der Bits, die ein Codewort aufweist: ${\displaystyle n=2^{z}}$. Die Zahl der Quantisierungsstufen bestimmt wesentlich das Quantisierungsrauschen. Je größer die Quantisierungsstufen werden, das heißt je kleiner ${\displaystyle n}$ ist, desto größer ist der entstehende Fehler. In Abbildung 1 ist eine PCM mit einer Dynamik von nur 4 Bit dargestellt, wobei der Fehler deutlich sichtbar ist. In vielen Anwendungen wird zur Quantisierung eine Dynamik von 8 bis zu 24 Bit gewählt.

Die Quantisierung kann linear oder nichtlinear erfolgen.

Bei der Differential Pulse Code Modulation (DPCM) wird nicht jeweils der ganze binär codierte Wert gespeichert, sondern im einfachsten Fall nur die Differenz zum vorherigen Wert. Dieses Vorgehen erlaubt geringere Wortbreiten und damit eine höhere Kompression. Die so genannte Deltamodulation stellt dabei einen Sonderfall der DPCM dar, wo die Abtastrate soweit gesteigert wird, bis die Quantisierung auf nur noch 1 Bit reduziert ist und die Differenz eines Abtastwertes nur noch 1 Bit ausmacht. Die Deltamodulation stellt die Vorstufe zur Delta-Sigma-Modulation dar, welche beispielsweise bei höherwertigen AD-Umsetzern zur Rauschformung und zur Minimierung des Quantisierungsrauschen Anwendung findet.

Bei der Adaptive Differential Pulse Code Modulation (ADPCM) wird zur Datenreduktion die Skalierung der Quantisierungsstufen flexibel gestaltet und abhängig vom Signalverlauf angepasst (adaptiert). Dabei schätzt der Algorithmus zur Codierung, wie der nächste Wert aussehen könnte (dieser Vorgang wird auch als Prädiktion bezeichnet), und passt so die Skalierung an. Übertragen wird die Differenz zum geschätzten Wert. Je nach Verfahren kann dabei eine Vorwärts- oder Rückwärtsprädiktion eingesetzt werden, welche die Grundlage zum Linear Predictive Coding (LPC) darstellt.

Entscheidende Beiträge für die Entwicklung der Puls-Code-Modulation waren die Veröffentlichungen von Claude Shannon über die Kanalkapazität gestörter Nachrichtenkanäle und von Karl Küpfmüller über die Systemtheorie der elektrischen Nachrichtenübertragung.[1]

PCM wurde in den 1930er Jahren unter anderem von den Bell Labs sowie von Alec Reeves entwickelt, der 1938 ein Patent über ein PCM-System mit Samplingrate von 8000 bits pro Sekunde erhielt.[2] Die erste Anwendung erfolgte ab 1943 in einem verschlüsselten Telefonsystem namens SIGSALY. In den 1960er Jahren entwickelten Techniker der japanischen Rundfunkgesellschaft NHK Aufnahmegeräte auf PCM-Basis mit Videoband als Trägermedium. Das japanische Plattenlabel Nippon Columbia war bestrebt, die Qualität der analogen Magnetbandaufzeichnungen zu verbessern und mietete ein Aufnahmegerät von NHK, um Testaufnahmen durchzuführen und entwickelte anschließend ein eigenes Aufnahmegerät. Auch bei der BBC wurden Anfang der 1970er Jahre PCM-Geräte entwickelt.[3]

1971 wurde unter dem Label Denon die erste Aufnahme veröffentlicht, die mit dem PCM-Verfahren digital aufgenommen wurde, ab 1972 folgten Werke klassischer Musik mit europäischen Interpreten (Mozarts Streichquartette KV 421 und 458 mit dem Smetana-Quartett). 1974 erfolgte mit Bachs Musikalischem Opfer (Paillard Chamber Orchestra) die erste PCM-Produktion in Europa. Als 1982 der Marktstart der CD erfolgte, hatte Denon bereits 400 Digitalaufnahmen zur Verfügung.[3]

• Karl-Dirk Kammeyer: Nachrichtenübertragung. 4., neu bearbeitete und ergänzte Auflage. Vieweg + Teubner, Wiesbaden 2008, ISBN 978-3-8351-0179-1.

Commons: Pulse-code modulation – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• PCM, Pulse Code Modulated Audio – Library of Congress (englisch)
• Digital Show & Tell – Video zu den Grundlagen der digitalen Abtastung (24 Minuten, englisch)

1. Gerhard-Helge Schildt: Grundlagen der Impulstechnik. Verlag Teubner, 1987, ISBN 351906412X.
2. BBC Radio 4: Digital Sound, 27. März 2011, abgerufen am 10. März 2013.
3. Thomas Fine: The Dawn of Commercial Digital Recording, in ARSC Journal XXXIX, 2008 (PDF; 5,7 MB)