10. November 2010

Übertragung grosser Datenmengen

Während Sensorsignale oder Türöffnungsbefehle noch einigermassen verständlich durch das Medium Luft gesendet werden können, wird es bei akustischen Daten doch etwas komplexer. Natürlich senden Radio und TV ihre (analogen) Daten seit Jahrzehnten durch die Luft und diese werden mit besserem oder weniger gutem Empfang auch wieder eingefangen. Digitalisierte Daten können aber im Endeffekt für Text-, Bild-, Audio- oder Videoinformationen stehen, und ist ein Weg gefunden, der diese digitalisierten Daten zuverlässig und mit einem geringen Fehleranteil durch die Luft transportiert, so sind gegenüber der analogen Datenübertragung doch wieder einige Vorteile geschaffen.

Übertragung grosser Datenmengen

DAB-Tuner im Autoradio oder wie hier als mobiler Empfänger zur Nachrüstung versprechen einen guten Empfang bei einer hohen Soundqualität

VON ANDREAS LERCH

Bevor Musikdaten als Radioinformationen digital durch den Äther geschickt werden konnten, mussten diese Daten erst einmal in seriöser Art und Weise digitalisiert werden können. Dies geschah erst in den 70er-Jahren des letzten Jahrhunderts. 1979 brachten Sony und Philips die ersten Musik-CDs auf den Markt.

Schall

Schall pflanzt sich durch wellenförmige Druckschwingungen der Luft fort. Dieser Effekt ist vergleichbar mit den kreisförmigen Wellen, welche sich im Wasser bilden, wenn ein Stein hineingeworfen wird. Die Wellen dehnen sich durch den flüssigen Aggregatszustand des Wassers immer weiter aus, bis die Energie durch Reibung in Wärme umgewandelt worden ist.
Ein einfaches Schwingungssignal zeigt Bild 2. Die sinusförmige Schwingung (2a) kann im Bereich von ca. 16 bis 20000 Hz gehört werden. Die glatte Schwingungsform ohne Ecken und Kanten hört sich aber durchaus synthetisch oder eher «langweilig» an. Was verändert sich am Signal, wenn der Ton von einer Geige, einer Gitarre, einem Saxophon oder einer Trompete stammt? Wenn auf allen Ins­trumenten die gleiche Tonhöhe intoniert wird, stimmen ja die Frequenzen, also die Anzahl der periodischen Signale (zwei Halbwellen ergeben eine Periode) überein. Bild 2b zeigt eine weitere Schwingung, welche jetzt über Ecken und Kanten verfügt. Diese weisen auf den speziellen Klang und auf das Instrument hin.

Digitalisierung

Wenn alle Schwingungssignale rund und regelmässig wären, müsste ein Analogsignal an einigen Punkten gemessen werden und die Digitalisierung wäre grundsätzlich kein Problem. Mit den Unregelmässigkeiten, welche die Klangfarben ausmachen, wird die Digitalisierung komplexer und das analoge Signal muss gefiltert und so für die Digitalisierung vorbereitet werden. Die schnelländernden Signalanteile simulieren eine zu hohe Frequenz und müssen aus diesem Grund mit einem Filter «geglättet» werden (Bild 2c/d). Im Analog/Digital-Wandler entsteht danach aus dem analogen Drucksignal ein digitales Wort. So werden in genau gerasterten Zeitabständen die momentanen Druck- oder durch Mikrofone in Spannung umgewandelte Werte gemessen und gespeichert. Der Zeitabstand wird Samplingrate genannt und beträgt bei der Audio-CD 44.1 kHz. Pro Sekunde wird das Tonsignal 44100 mal gemessen, analysiert und der Wert gespeichert. Mit dieser Samplingrate kann eine Tonhöhe bis 22050 Hz noch gerade korrekt wiedergegeben werden, da jede Periode mindestens zweimal oder jede Halbwelle einmal analysiert und gespeichert werden muss.

Dynamik

Dass damit natürlich die Musik noch nicht zu Ende ist, weiss jeder Musikhörer. In der Musik gibt es laute und leise Stellen, so wie es bei der Autofahrt schnelle und langsame Abschnitte gibt. Sowohl beim Autofahren wie beim Musikhören wird dabei von der Dynamik gesprochen.
Die Dynamik wird in der digitalisierten Musik mit Wortbreiten angegeben. Bei einer lauten Musikstelle ist das Wort breiter (z.B. 16 Bit), bei einer leisen Musikstelle vielleicht nur 4 Bit.
Damit sind die wichtigsten Musikparameter zusammengefasst, die digitalen Wörter definiert und die Audio-CD könnte gebrannt werden.
Beim Abspielen müssen die digitalen Worte selbstverständlich wieder zurückverwandelt und analogisiert werden. Dafür ist der D/A-Wandler im CD-Gerät verantwortlich.

Komprimierung

Die CD-ROM kann auf diese Weise mit ihrer Speicherkapazität etwas mehr als eine Stunde Musik speichern. Dies war im Anfang eine tolle Verbesserung gegenüber der Schallplatte. Dazu konnten die Stücke auf Knopfdruck vorgewählt und zum Teil sogar vorprogrammiert werden. Mit der Zeit sind die Ansprüche wieder gestiegen – einerseits bei den Qualitätsansprüchen, andererseits bei der Abspiellänge.
Beides konnte jedoch nicht unter einen Hut gebracht werden. Mit der Datenkompression ist es gelungen, ein Musikstück mit weniger Speicherbedarf abzuspeichern. Durch spezielle Analyseverfahren wird dabei der Klang «entschlüsselt» und in sinnvolle Bestandteile zerlegt. Das können beispielsweise bestimmte Frequenzbereiche sein. Deren Lautheit und zeitliche Veränderung kann mit anderen Frequenzbändern verglichen werden. Zum Schluss kann dazu ein intelligenter Algorithmus bestimmen, ob ein bestimmtes Frequenzband zur Abbildung des Klanges in diesem Moment wirklich nötig ist oder nicht.
Mit derartigen Mitteln können die notwendigen von den überflüssigen (redundanten) Datenwörtern getrennt und die Datenmenge kann verkleinert werden. Dies gelingt bei kleinen bis kaum merklichen Klangverfälschungen. Dabei sind die Kompressionsprogramme ständig verbessert worden.
Seit der Entwicklung von MP3 Ende der 80er-Jahre wurde die Ausgabequalität stetig verbessert. Eine MP3-Datei mit einer Bitrate von 128 kBit klang damals noch sehr bescheiden. Die versprochene CD-ähnliche Qualität wurde damals noch nicht erreicht. Aktuelle Hörtests mit Bitraten von 48 kBit und 64 kBit zeigen, dass bei diesen niedrigen Bitraten heute bereits eine Qualität erzielt werden kann, die für den Einsatz in portablen Geräten oder für Webradio ausreichen.

Daten durch die Luft

Sind die akustischen Daten einmal aufbereitet, um durch den Äther versendet zu werden, stellt sich die Frage, wie grosse Datenmengen geschickt werden können, damit sie auch ankommen und vom Empfänger decodiert werden können. Zwei Verfahren werden zum Verschicken der digitalen Audiodaten eingesetzt: HD-Radio und DAB.
HD-Radio heisst High Definition Radio und ist für den Sender eine kostengünstige und ausbaufähige Hybridvariante (Bild 3). Neben dem analogen Radiosignal werden auf der gleichen UKW-Wellenlänge im über- und untergeordneten Bereich, also neben den analog gesendeten Radiodaten, die gleichen Daten noch einmal digital gesendet. Neben den digitalen Radiodaten können dem Signal noch einige weitere Informationen mitgegeben werden.
Wird das Signal durch einen konventionellen UKW-Tuner empfangen, werden die digitalen Anteile vom Tuner nicht verstanden und fallengelassen. Ist der Tuner hingegen digital­tauglich, können diese Daten zusätzlich gelesen und als Informationen dem Radiohörer weitergegeben werden.

DAB

Beim Digital Audio Broadcast (DAB) ist die ganze Ausstrahlung viel komplizierter, da mit einem Mehrträgerverfahren gearbeitet wird.
Bis anhin genügten für die Datenübertragungen die Einträgermodulationsverfahren. Mittels Amplituden-, Frequenz- oder Phasenmodulation (vgl. «AUTO&Technik» 9/2010) werden die Daten einem sinusförmigen Träger aufmoduliert. Verschiedene Sender, welche zwar die gleichen Sendungen ausstrahlen, senden auf verschiedenen Frequenzen, und so muss der Automobilist, wenn er unterwegs ist, ständig wieder den neuen, aktuellen Sender bzw. dessen Frequenz im Radio einstellen. Elektronische Hilfseinrichtungen automatisieren diese Sucheinrichtung heute.
Dadurch sind die von Radiosendern benutzbaren Frequenzen langsam alle vergeben. Aus diesem Grund wird das digitale Radio über ein Mehrträgerverfahren ausgesendet. Die digitalen Informationen werden in einem Frequenzband nicht über einen Träger (=Sender) sondern über viele Unterträger ausgesandt. Der Empfänger kann also seine Daten von verschiedenen Sendern empfangen, decodieren und dann zusammenbauen. Natürlich ist dazu ein aufwändiger Fehlerschutz erforderlich. Das COFDM-System (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex) ist ein heute gängiges Sicherungsverfahren für Anwendungen wie Digitales Radio (DAB) oder Digitales Fernsehen (DVB-T), aber auch für ADSL, WLAN usw.
Bei COFDM werden die Informationen auf die vorhandenen Unterträger aufgeteilt, wobei jedem vorher ein entsprechender Fehlerschutz zugeordnet wurde.
Die zu übertragenden Informationen mit hoher Datendichte werden auf mehrere Teildatenströme mit niedriger Datenrate aufgeteilt. Als Vergleich kann im Strassenverkehr eine grosse Transportlast (z.B. eine Maschine) statt auf ein Auto, auf mehrere Autos aufgeteilt werden. Diese verschiedenen Autos müssen unterschiedliche Farben haben und numeriert sein, damit die verschiedenen Maschinenteile auch wieder in der richtigen Reihenfolge zusammengesetzt werden können. In dieser Art können die Informationen auf mehreren Unterträgern zum Empfänger gesendet werden, welcher sie zwischenspeichert, in der richtigen Reihenfolge zusammensetzt und dann dem Verstärker weiterleitet. So wird es sogar möglich, mehrere Sendungen auf dem gleichen Kanal zu senden, der DAB-Empfänger wird dann in der Lage sein Radio DRS 1 von DRS 2 zu trennen.
Die Technik, welche bei DAB eingesetzt wird, funktioniert in anderen technischen Bereichen gut. Die Frage, warum sich DAB nicht besser durchsetzen kann, muss gestellt werden. Im Auto würde der Empfang durch das Mehrträgersystem verbessert.

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