Pulse-Code-Modulation

Pulse-Code-Modulation,

 

Abkürzung PCM [englisch, pʌlskəʊdmdjʊ'leɪʃn], grundlegendes Verfahren für die digitale Klangspeicherung (Compact Disc, Compact Disc, Digital Audiotape, HD-Recording, Klangsynthese, Sampling). Nach einer festgelegten Norm werden analoge Audiosignale in digitale Werte umgewandelt. Dies geschieht durch die Abtastung einer Schallwelle in minimalen Zeitabständen (Abtastfrequenz, Sampling Rate, Quantisierung). Ein A-D-Wandler formt die bis zu 48000 Messwerte (Proben, Samples) pro Sekunde in digitale Größen um, die im internen Speicher eines Computers bzw. Samplers oder auf einem externen Speichermedium (z. B. Tonband, Digital Recording) abgelegt werden. Bei Verwendung eines 16-Bit-Prozessors ist die digitale Darstellung von 65.536 Amplitudenwerten möglich. Die Speicherung des kontinuierlichen Audiosignals erfolgt somit als binär kodierte Folge von Momentaufnahmen des Amplitudenverlaufs. Dieses Verfahren ähnelt im Prinzip der Filmaufzeichnung, bei der gleichfalls dynamische Vorgänge in einer Folge von statischen Einzelbildern festgehalten werden. Mit einer Bildfrequenz von 25 Hz gelingt es, harmonische Bewegungsabläufe darzustellen. Für die Audiotechnik sind jedoch um ein Vielfaches höhere Frequenzen erforderlich. Nach dem von Claude Elwood Shannon (* 1916, ✝ 2001) aufgestellten Abtasttheorem lässt sich jedes analoge Signal auf digitaler Grundlage originalgetreu reproduzieren, wenn die Abtastfrequenz mindestens doppelt so groß ist wie die höchste zu übertragende Frequenz. D. h., dass für die optimale Speicherung und Wiedergabe von Musik im gesamten menschlichen Hörbereich (20 Hz bis 20 kHz) eine Abtastfrequenz von 40 kHz Voraussetzung ist. In der Praxis (Compact Disc) nutzt man 44,1 kHz. Um die bei der Reduzierung komplexer, nicht periodischer Schallereignisse auf einzelne Messwerte auftretenden Verfälschungen (Vereinfachung des Kurvenverlaufs) so gering wie möglich zu halten, wird das Signal in zeitlicher Versetzung mehrfach ausgewertet (Oversampling). Beim Soundsampling richtet sich die Abtastfrequenz nach der Art des zu speichernden Tonsignals. Die Rückverwandlung der digitalen Information in eine Schallwelle erfolgt mithilfe eines D-A-Wandlers. Dabei werden die im internen Speicher befindlichen Werte ausgelesen (Sampling) bzw. die auf einem externen Medium enthaltenen Daten permanent als Audiosignal reproduziert (Compact Disc, Digital Audiotape). Der Vorteil diese Verfahrens liegt in der Vermeidung jeglicher störender bzw. qualitätsbeeinträchtigender Faktoren (Rauschen und Aussetzer beim Tonband, Knistern bei der Schallplatte), indem beim Auslesen des digitalen Signals grundsätzlich nur die zwei Zustände der binären Kodierung erkannt und alle anderen Erscheinungen ignoriert werden. Durch spezielle Verfahren der Fehlererkennung lassen sich innerhalb einer bestimmten Datenanordnung sogar unvollständige oder verstümmelte Informationen ausgleichen bzw. rekonstruieren.