DPCM und ADPCM

Die Skalierung wird in kurzen Zeitintervallen neu angepasst. Die Skalierung der Quantisierungsstufen ist flexibel, das heißt es werden zum Beispiel nicht immer 5 Bit für den Differenzwert benutzt, sondern wenn der Lautstärkeunterschied sehr gering ist, vielleicht nur 3 Bit. Dieses Vorgehen erlaubt geringere Speicherwortbreiten (weniger Bits) und damit eine höhere Kompression.Beim DPCM (Differential PCM) wird nicht jeweils der ganze binär codierte Wert gespeichert, sondern nur die Differenz zum vorherigen. ADPCM steht für Adaptive Differential Pulse Code Modulation und bezeichnet ein verbessertes Verfahren zur Datenreduktion gegenüber PCM. Dabei schätzt der Algorithmus, wie der nächste Wert aussehen könnte, passt die Skalierung an und speichert die Differenz zum geschätzten Wert. Dies bedeutet eine weitere Datenreduktion.

Grundprinzip

Das analoge Signal wird mit einer bestimmten Frequenz in zeitgleichen Abständen abgetastet. Vorher müssen gemäß dem Shannonschen Abtasttheorem mit einem Tiefpass zu hohe Oberwellen vom Signal herausgefiltert werden.

Das dadurch entstehende Störgeräusch bezeichnet man als Quantisierungsrauschen, welches aber nicht unbedingt hörbar sein muss und mit steigendem Quantisierungsgrad abnimmt. Aus Wirtschaftlichen Gründen wird die Anzahl der Quantisierungsstufen auf ein Maß beschränkt, das für eine gute Übertragung notwendig ist. Aus jedem quantisierten Abtastwert wird ein Codewort berechnet, das die Amplitudeninformation beInhaltet. Das PAM-Signal wird nun mit einem AD-Wandler quantisiert; dazu werden die Amplitudenwerte in eine begrenzte Zahl von Quantisierungsstufen ( =Samplingtiefe) eingeteilt.Es entsteht ein pulsamplitudenmoduliertes Signal (PAM) mit zunächst beliebig vielen Amplitudenwerten. Aus der zeitlichen Folge der Codeworte wird ein Digitalsignal erzeugt. Die Anzahl der möglichen Quantisierungsstufen n ergibt sich aus der Anzahl z der Bits, die ein Codewort hat. (n = 2^z). Bei einem Fernsprechkanal werden 256 Stufen benutzt, ein Codewort hat 8 Bit, die Abtastfrequenz beträgt 8 KHz
Bei der Rückumwandlung deckt sich das Signal nicht mehr mit dem Ausgangssignal, da es in endlich viele Quantisierungsstufen eingeteilt wurde.

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Es wurden 3 Bit zur Auflösung der Amplitudenwerte genutzt (n = 2³ = 8 unterschiedliche Amplitudenwerte, entsprechend der "Schritte" 0 bis 7) (siehe Diskussion).Zum Bild: T ist die Periodendauer der Abtastfrequenz (siehe Frequenz; f ^-1 = T folgt aus f = 1 / T), T_Bit die Übertragungsdauer von einem Bit. Der Zusammenhang zwischen Abtastfrequenz und T_Bit ist für die Übertragung des Signals nicht zwingend.

Dieser Nachteil kann allerdings mit Hilfe unterschiedlicher Modulationsverfahren für digitale Signale (fast) wieder wettgemacht werden.Der Vorteil der PCM liegt in der Störungstoleranz der Übertragung, es muss beim Empfänger durch die binäre Codierung lediglich zwischen einem High- und Low-Signal (0 und 1) unterschieden werden können. Der Nachteil ist ein hoher Bedarf an Bandbreite zur Übertragung.

Im Extremfall kann hier ein solches Signal entweder komplett verschwinden, oder in regelmässigen Zeitintervallen schweben. Praktisch ist jedoch kein idealer Tiefpass möglich, so dass die erreichte Bandbreite in der Praxis geringer als die Nyquistbandbreite ist.Die Nyquistbandbreite gilt nur für den theoretischen Fall eines idealen Tiefpasses. Diesen Tiefpass durchläuft das digitale Signal, um Oberwellen (siehe Fourieranalyse) zu filtern und die Bandbreite zu begrenzen. Außerdem werden Signale näher der halben Abtastrate nicht mehr gut übertragen, solange sie nicht optimal mit den Abtastzeitpunkten zusammenfallen. Bei Sprache und Musik tritt dieser Effekt allerdings nur selten in Erscheinung, da dort in den hohen Frequenzbereichen eher rauschartige Signale (Frikale, Schlagzeug) zu Finden sind.