Technik: Pulse Code Modulation (PCM) DVD Audio- Die Basis für Mehrkanal-Codecs und für DVD Audio

Die Mehrkanal-Audio-Codecs wie DTS oder Dolby Digital und auch Meridian Lossless Packing (MLP) bei DVD Audio greifen als digitale Basis auf lineare Pulse Code Modulation-Samples (PCM) zurück. Damit ist die Analog-/Digital-Wandlung via PCM sozusagen Basistechnologie für alles Folgende. Das PCM-Verfahren erfasst zu bestimmten Zeiten den Momentanzustand des analogen Ausgangssignals – also keine 1:1-Übernahme des Ursprungssignals, was dazu führt, dass das Signal nicht völlig unverfälscht und originalgetreu wiedergegeben wird. Aber die Zeitabstände, in denen die Erfassung des analogen Signals vorgenommen werden, können beliebig kurz gewählt werden, was dazu führt, dass eine immer exaktere Reproduktion des analogen Ausgangssignals möglich wird. Dies ist allerdings mit immensem technischen Aufwand verbunden. Man unterscheidet zwischen einer Zeit- und einer Wertquantisierung: Wie man sich schon denken kann, legt die erste Größe die Häufigkeit fest, mit der das analoge Signal abgetastet wird. Von der CD her geläufige Zahlen für das PCM-Signal sind hier 44,1 kHz. Dies bedeutet, wie schon oben in den Erläuterungen zu Tabelle 1 erklärt, 44100mal pro Sekunde ein neuer Abtastwert gewonnen wird. Die DVD Video arbeitet mit 48kHz. In diesem Zusammenhang von fundamentaler Wichtigkeit ist das sogenannte Abtasttheorem des Mathematikers Shannon, welches besagt:

Mit einer bestimmten Abtastfrequenz ist es nur möglich, ein Nutzsignal zu kodieren, welches keine höheren Anteile als die Hälfte der Abtastfrequenz enthält – ansonsten treten schwerwiegende Fehler auf

Das heißt konkret: Ohne Probleme sind bei der herkömmlichen Audio-CD 44,1 kHz : 2 = 22,05 kHz möglich, bei der Video-DVD 48 kHz:2 = 24 kHz. Nun kommt die Wertquantisierung ins Spiel. Sie ist eine Messgröße, die besagt, wie exakt die einzelnen Abtastungen des Analogsignals in einen digitalen Code übernommen werden.  Diese Genauigkeit der Abtastungen wird in „Bits“ festgehalten: So größer der Bit-Wert, umso genauer die Abtastung. Sind es bei der herkömmlichen Audio-CD 16 Bit, so sind bei DVD Video und DVD Audio 24 Bit möglich, was einer Steigerung um 50 Prozent gegenüber der CD gleichkommt. Noch eindrucksvoller wird alles, wenn man die technische Bedeutung der beiden Bit-Zahlen mit hinzunimmt: 16 Bit ist eine binäre Zahl mit 16 Stellen. Binäre Zahlen können pro Stelle nur zwei Werte enthalten: Eine „0“ oder eine „1“.

Binäres Zahlensystem und natürliche Zahlen (Beispiele)

0	0
1	1
2	10
3	11
4	100
5	101
6	110
7	111
8	1000
9	1001
10	1010

Eine 16-stellige Binärzahl kann, in dezimaler Schreibweise ausgedrückt, einen Wertebereich von 0 bis 65535 enthalten:

0	0000000000000000
65535	1111111111111111

Somit wird ein vorher kontinuierlich verlaufendes Audiosignal in 65535 Stufen unterteilt. Bei jeder erfolgten Abtastung bekommt das analoge Signal eine Zuordnung zu einer dieser Stufen. Bei 24 Bit Auflösung ständen 16,7 Millionen Stufen zur Verfügung – ein großer Forschritt zur exakten tonalen Wiedergabe. Problem der PCM-Samples ist allerdings, dass sie immens speicherintensiv  sind – erst weiter umgewandelt kommen sie auf die DVD.

30. Mai 2001

Autor: Carsten Rampacher