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Birgit Janner
Digitaler Aufschwung für Kurz-, Mittel- und Langwelle

Kurz-, Mittel- und Langwellensender - früher ein unverzichtbares Kommuni-kationsmittel - kämpfen heute meist mit schwindenden Hörerzahlen. Die Digitalisierung soll hier Abhilfe schaffen und die bisher schlechte Übertragungsqualität verbessern, denn Potential ist da: Immerhin können derzeit mehr als zwei Milliarden Geräte AM-Rundfunk empfangen.

Bild 1. Die Raumwellenausbreitung der Kurzwelle und die damit verbundenen Reflexionen an der Ionosphäre sorgen am Empfagsort für Überlagerungen ("Fading", Schwund) und damit für eine schlechte Qualität der Audio-Signale.

Kurzwellensignale werden kaum am Boden entlang (als "Bodenwellen"), sondern als "Raumwellen" übertragen. Eine große Rolle spielt also die Ionosphäre, an deren Schichten sie unterschiedlich reflektiert werden. Die Folge: Ein Signal wird in mehrere Pfade aufgespalten ("Mehrwegeausbreitung", Bild 1). Diese Pfade unterscheiden sich durch unterschiedliche Laufzeiten ("Delay Spread") und, da die Ionosphäre ständigen Änderungen unterworfen ist, auch durch unterschiedliche Frequenzverschiebungen ("Doppler-Spread").

Momentane Qualität lässt zu wünschen übrig

An jedem Empfänger treffen also mehrere Signale ein. Im Idealfall verstärken sie sich, im schlimmsten Fall löschen sie sich gegenseitig zeitweise aus: Letzteres Phänomen ist dem Kurzwellenhörer als "Schwund" bekannt.

Mittel- und Langwellensignale werden vor allem über Bodenwellen übertragen. Schwund spielt hier eine geringere Rolle, dafür wird das Signal schneller abgeschwächt, die Sendestationen benötigen höhere Sendeleistungen. Besonders nachts treten auch Überreichweiten auf und zwei Programme sind gleichzeitig zu hören. Das ist natürlich nichts für heutige, an CD-Klangreinheit gewöhnten Ohren. Und so mögen die ersten Rundfunkprogramme noch eine Sensation gewesen sein - ihre Qualität lockt im digitalen Zeitalter fast nur noch Zuhörer an, die auf diese Programme angewiesen sind.

Ein neuer Standard: DRM

Auf analogem Weg gibt es nur sehr eingeschränkte Möglichkeiten, die schlechte Qualität zu verbessern. Die bestehende Frequenzaufteilung sowie die niedrigen Kanalbandbreiten (9 bzw. 10 kHz), vorgegeben durch die Regulierungsbehörde ITU, stehen dem entgegen.

Bild 2. Das Grundprinzip von DRM: Ein analoges Audio-Signal wird digitalisiert, wobei ein Quell-Encoder die hohe Datenrate reduziert. Das Signal wird schließlich Hochfrequenzträgern aufmoduliert und per Funk übertragen. Der Empfänger wandelt das analoge Signal in ein digitales zurück und decodiert es.

Der Einzug von Digitalisierung und Audio-Kompressionsverfahren in den Bereich des Rundfunks ließen die als altertümlich verschrienen Frequenzen in einem neuen Licht erscheinen. Rundfunkanbieter suchten nach Möglichkeiten, ihre Sender ohne großen Aufwand umzurüsten und dabei die bestehenden Kanalbandbreiten beizubehalten. Denn auch wenn die Programme derzeit unrentabel sind: Sie einzustellen hieße, die begehrten Frequenzen zu verlieren. Endgerätehersteller sahen auch einen neuen Markt. 1998 entstand daher ein Konsortium aus mittlerweile 72 Rundfunkanbietern, Geräteherstellern, Netzwerkbetreibern und Forschungseinrichtungen, das einen weltweiten Standard für Lang-, Mittel- und Kurzwelle schaffen wollte: "Digital Radio Mondiale", kurz DRM.

Das Grundprinzip: Ein analoges Audio-Signal wird digitalisiert bzw. ein bereits digitales Signal direkt eingespielt. Ein Quell-Encoder reduziert die hohe Datenrate. Das Signal wird schließlich Hochfrequenzträgern aufmoduliert und per Funk übertragen. Der Empfänger wandelt das analoge Signal in ein digitales zurück und decodiert es (Bild 2).


Problem: Nur niedrigste Datenraten sind möglich

Technischer Vergleich verschiedener Rundfunksysteme

Niedrige Kanalbandbreiten erzwingen bei begrenztem Signal-Störabstand niedrige Bitraten. Die Bandbreiten für den digitalen LMK-Rundfunk liegen zwischen 4,5 und 20 kHz, die zu übertragenden Bitraten müssen damit geringer als bei anderen digitalen Rundfunksystemen sein (Tabelle): Typisch sind 24 kbit/s für einen 9 kHz breiten Mittelwellen- und 21 kbit/s für einen 10 kHz breiten Kurzwellen-Kanal.

Auf einem Kanal können gleichzeitig bis zu vier Audio- oder Datenströme übertragen werden. Die Datenraten werden dadurch sehr klein, denkbar sind allerdings zweisprachige Sendungen (vorwiegend mit Sprache) oder die Übertragung von Datendiensten, beispielsweise Musiktiteln oder Verkehrsinformationen. Stereo-Rundfunk ist ebenfalls möglich: entweder durch Bündelung zweier Kanäle oder als so genanntes Low-complexity-Stereo in einem Kanal. Bei letzterem wird ein Mono-Signal codiert und mit Stereo-Zusatzinformationen sehr geringer Datenrate versehen. Das Verfahren stammt von der schwedisch-deutschen Firma Coding Technologies (www.codingtechnologies.com) und soll sich für Datenübertragungsraten ab etwa 20 kbit/s eignen.

AAC: Der MP3-Nachfolger als Audio-Codierverfahren

Bild 3. SBR (Signal Bandwidth Replication) ist eine Methode zur Bandbreitenerweiterung: Dabei werden zusätzlich zum codierten Audio-Signal Informationen über die Hüllkurve des uncodierten Zeitsignals übertragen. Durch die höhere Audio-Bandbreite wird die Qualität vergleichbar mit heutigem FM-Rundfunk.

Eine gute Audio-Qualität ist bei derart niedrigen Bitraten nur mit leistungsfähigen Audio-Kompressionsverfahren möglich. Der DRM-Standard sieht MPEG-4 AAC+SBR als Audio-Coder vor. AAC (Advanced Audio Coding) ist der Nachfolger von MP3 (MPEG-2 Layer 3), gilt aber als etwa doppelt so effizient. SBR (Signal Bandwidth Replication) ist eine Methode zur Bandbreiten-Erweiterung, die als Ergänzung zu anderen Audio-Codern dient (Bild 3). Dabei werden zusätzlich zum codierten Audio-Signal Informationen über die Hüllkurve des uncodierten Zeitsignals übertragen. Der Empfänger kann mit Hilfe dieser Information das Signal harmonisch erweitern. Durch die höhere Audio-Bandbreite wird die Qualität vergleichbar mit heutigem FM-Rundfunk.

Für diese Zusatzinformation sind etwa 2 kbit/s nötig. Bei Bitraten über 20 kbit/s soll nach dem DRM-Standard SBR verwendet werden. Bei niedrigeren Datenraten entscheidet der Rundfunkanbieter. SBR ist, wie auch Low-complexity Stereo, eine Entwicklung der Firma Coding Technologies.

AAC eignet sich nicht für die Codierung von Sprache bei sehr niedrigen Bitraten. Gerade bei weltweiten Rundfunkprogrammen stehen aber oft Nachrichten mehr im Vordergrund als Musik. Für den Bereich von etwa 6 bis 14 kbit/s sieht der DRM-Standard deshalb den Sprach-Encoder MPEG CELP (Code-book Excited Linear Prediction) vor, für sehr niedrige Bitraten, beispielsweise 2 kbit/s, den Sprach-Encoder MPEG HVXC (Harmonic Vector eXitation Coding).

Multiplexing und Scrambling

Wie bereits erwähnt, enthält ein Kanal bis zu vier Audio- oder Datenströme. Diese werden zum so genannten Main Service Channel (MSC) zusammengesetzt ("Multiplexing"). DRM sieht zusätzlich zwei Informationskanäle vor, die an dem Multiplexer vorbeigehen: Der Fast Access Channel (FAC) enthält Informationen über die Signalbandbreite und ähnliche Parameter, die den Empfänger in die Lage versetzen, mit der Decodierung zu beginnen. Der Service Description Channel (SDC) enthält Angaben über die Decodiervorschrift des MSC sowie alternative Empfangsmöglichkeiten der gleichen Daten. Konstante Datenfolgen, lauter Nullen beispielsweise, würden das Spektrum des HF-Signals verformen. Ein Scrambler ("energy dispersal") verhindert diesen unerwünschten Effekt bei allen Kanälen, indem er die Bits mit einer Pseudozufallsfolge multipliziert. Eine beliebige Bitfolge wird dabei "verwürfelt".


Pluspunkt: Robust gegen Mehrwegeempfang

Bild 4. Durch Laufzeitunterschiede im Ausbreitungsweg kann ein Signal mit einer Verzögerung eintreffen. Ist diese größer als die Dauer eines Symbols, wirkt es sich vollständig als Störsignal aus ("Intersymbol-Interferenz", links): Es enthält nur Informationen, die zum vorhergehenden oder noch früheren Symbolen gehören. Ist der Laufzeitunterschied dagegen geringer als die Dauer eines Symbols, so wirkt ein Teil des verzögerten Signals als Störung, der andere Teil überlagert sich konstruktiv oder destruktiv zum direkt empfangenen Signal (rechts).

Bei DRM erfolgt die Signalübertragung mit Hilfe vieler nebeneinanderliegender modulierter Träger. Das Verfahren heißt COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing) und kombiniert OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) mit Multi-Level Coding (MLC), einem Kanal-Codierverfahren.

Warum ein Mehrträgerverfahren? - Das Problem liegt in der Mehrwegeausbreitung. In jedem Pfad werden Folgen so genannter Symbole übertragen, die der Empfänger auswertet. Angenommen, ein Symbol n wird über zwei Pfade mit unterschiedlicher Laufzeit empfangen. Um dieses Symbol n zu demodulieren, untersucht der Empfänger die gesamte empfangene Information, die sich auf das Symbol n bezieht, also sowohl den direkt empfangenen Pfad als auch das verzögerte Signal. Trifft das zweite Signal mit einer Verzögerung ein, die länger als die Dauer eines Symbols ist, wirkt es sich vollständig als Störsignal aus ("Intersymbol-Interferenz"): Es enthält nur Informationen, die zum vorhergehenden oder noch früheren Symbolen gehören (Bild 4).

Bild 5. Geringfügige Intersymbol-Interferenzen vermeidet man durch Einfügen eines so genannten Guard-Intervalls. Dabei wird der Endabschnitt eines Symbols kopiert und dem Symbol vorangestellt. Der Demodulator im Empfänger wertet diesen Bereich nicht aus.

Beträgt der Laufzeitunterschied dagegen weniger als die Dauer eines Symbols, so wirkt ein Teil des verzögerten Signals als Störung, der andere Teil überlagert sich konstruktiv oder destruktiv zum direkt empfangenen Signal (Bild 4).

Die Symbolrate muss daher so klein werden, dass der "Delay Spread" nur einen geringen Teil der Symboldauer beträgt. Die Symbolrate, die ein einzelner Träger übertragen kann, ist damit begrenzt. Die Information auf mehrere Träger aufzuteilen, liegt nahe.

Bild 6. Ein analoges HF-Signal von 10 kHz Bandbreite setzt sich aus etwa 200 Trägern zusammen, die einen konstanten Abstand haben.

Geringfügige Intersymbol-Interferenzen vermeidet man durch Einfügen eines so genannten Guard-Intervalls. Dabei wird der Endabschnitt eines Symbols kopiert und dem Symbol vorangestellt. Der Demodulator im Empfänger wertet diesen Bereich nicht aus (Bild 5). Dieses Verfahren kostet zwar etwas Bandbreite, da sich die Symboldauer vergrößert, andererseits ist der Empfänger aber einfacher zu bauen, da die Anforderungen an einen Kanalentzerrer sinken. Liegt der Delay Spread über der Länge des Guard Intervalls, so kommt es im Empfänger zu einer Verschlechterung des Signal-Rausch-Abstandes. Die Länge des Guard-Intervalls sowie weitere Parameter von Multiplex, Kanalcodierung und OFDM hängen von der Art der Ausbreitung ab, ebenso die genaue Anzahl der Träger. Der DRM-Standard unterscheidet daher verschiedene "Robustness Modes" (A bis D), in denen Trägerabstand und Guard-Intervall unterschiedlich kombiniert werden (beim Mode A ist die Nutzsymboldauer 24 ms, das Guard-Intervall 2,66 ms lang; im Modus D beträgt die Dauer des Nutzsymbols nur noch 9,33 ms, das Guard-Intervall ist hier schon 7,33 ms lang).

Bild 7. Bei 64 QAM werden auf jeden Konstellationspunkt des Trägers sechs Bits aufmoduliert.

Ein analoges HF-Signal von 10 kHz Bandbreite setzt sich aus etwa 200 Trägern zusammen, die einen kon-stanten Abstand haben (Bild 6). Die digitale Information wird zunächst mit einen Fehlerschutz versehen, aufgeteilt und dann auf die einzelnen Träger moduliert. Grundlage für Aufteilung und Fehlerschutz ist eine so genannte hierarchische Modulation. Für die Modulation der einzelnen Träger wird QAM (Quadratur-Amplitudenmodulation) verwendet, ein Verfahren, das die Amplitude und Phasenlage der einzelnen Träger moduliert. Der Standard sieht 16 QAM und 64 QAM vor (Bild 7), auf jeden Konstellationspunkt des Trägers werden somit vier bzw. sechs Bits aufmoduliert. Am Empfänger können je nach Qualität der Übertragung die Punkte - die Träger - in der komplexen Ebene von ihrer Idealstellung abweichen: Das Signal wird verfälscht.

16 QAM ist aufgrund der so genannten größeren euklidischen Distanz zwischen den Punkten in der Signalkonstellation robuster als 64 QAM. Erkauft wird dies selbstverständlich mit einer niedrigeren Datenrate bei gleicher HF-Signalbandbreite. Für stark gestörte Kanäle kann auch eine QPSK-Modulation verwendet werden, jedoch schließt der Standard dieses für den Main Service Channel aus.


Die Superframe-Struktur

Die Übertragung erfolgt bei DRM in einer Rahmenstruktur ("Frames", s. Bild 8), die aus solchen Symbolen zusammengesetzt sind. Träger, die über einen gewissen Zeitraum betrachtet werden, bezeichnet man als Zellen. Alle Zellen eines Zeitraums werden als Symbol bezeichnet. Diese Symbole werden für die Übertragung zu Frames fester Länge zusammengesetzt.

Bild 8. Die Superframe-Struktur bei DRM: Für die Übertragung müssen Main Service Channel (MSC), Fast Access Channel (FAC) und Service Description Channel (SDC) zu einem Multiplex-Gebilde zusammengesetzt werden.

Für die Übertragung müssen Main Service Channel, Fast Access Channel und Service Description Channel zu einem Multiplex zusammengesetzt werden. Das erfolgt im OFDM Cell Mapper.

In den meistbenutzten Übertragungsmodi A und B besteht ein Transmission Frame aus 15 OFDM-Symbolen und besitzt eine Dauer von 400 ms. Je drei dieser Transmission Frames bilden einen Superframe. Der Fast Access Channel ist in jedem Frame in den Symbolen 2 bis 14 enthalten, der Main Service Channel in allen Symbolen, mit Ausnahme der Symbole 0 und 1 zu Beginn eines Superframes. Diese beiden Symbole enthalten nur die Daten des Service Description Channel. Der Inhalt des Service Description Channel ist auf maximal 16 Blöcke begrenzt und wird spätestens dann wiederholt.

Fehlerschutz nach Maß

Das "C" in COFDM steht für das "Coded" des Kanal-Codierverfahrens, in diesem Fall des so genannten "Multilevel-Coding". Kanal-Coder fügen dem Datenstrom redundante Informationen hinzu, die der Empfänger zur Rekonstruktion eines fehlerhaft übertragenen Signals nutzt.

Grundsätzlich könnten alle Datenbits mit derselben Redundanz versehen werden (Equal Error Protection, EEP). Realität ist allerdings: Die Störanfälligkeit von Audio-Codern, die im Rundfunkbereich zum Einsatz kommen, hängt davon ab, in welchem Bereich des Bitstroms der Fehler auftritt. Im Main Service Channel kann der RundGrundsätzlich könnten alle Datenbits mit derselben Redundanz versehen werden (Equal Error Protection, EEP). Realität ist allerdings: Die Störanfälligkeit von Audio-Codern, die im Rundfunkbereich zum Einsatz kommen, hängt davon ab, in welchem Bereich des Bitstroms der Fehler auftritt. Im Main Service Channel kann der Rundfunkbetreiber daher Bereiche wählen, die stärker geschützt sein sollen als andere (Unequal Error Protection, UEP). Diese Daten werden im vorderen Teil eines Frames untergebracht.

Grundlage dieses Schutzes ist ein Faltungscode. Pro Datenbit wird dabei eine gewisse ganzzahlige Anzahl an Redundanzbits hinzugefügt. Damit sind jedoch nur Code-Raten (Eingangsdaten zu Ausgangsdaten) von 1/2, 1/3, 1/4 usw. möglich. Andere Raten erzielt man durch so genannten "punktierten Faltungscode": Aus dem bereits codierten Bitstrom werden nachträglich Bits entfernt. Die gewünschten Code-Raten bewegen sich zwischen 0,5 und 0,8, wobei der niedrigere Wert aufgrund der schwierigeren Ausbreitungsbedingungen für Kurzwellen-Übertragungen benötigt wird.

Das UEP-Verfahren ist nur für den Main Service Channel und nur für den AAC- und CELP-Encoder vorgesehen. HVXC-Coder sowie Fast Access Channel und Service Description Channel können nur durch Equal Error Protection geschützt werden.


Keine Ausfälle trotz kurzzeitigen Fadings

Die Ionosphäre verändert sich ständig - und mit ihr das Signal, das übertragen wird. Demzufolge kommt es ständig zu unterschiedlichen Signalüberlagerungen. Im DRM-System ist deshalb ein Interleaver vorgesehen, der den Main Service Channel schützt. Interleaver "verschachteln" Bitfolgen über einen größeren Abschnitt des Bitstroms. Kurzzeitige Störungen ("Burst"-Fehler) werden dadurch über einen längeren Abschnitt des Datenstroms verteilt und können somit vom Kanal-Coder leichter korrigiert werden.

Der Interleaver kann allerdings nur begrenzt gegen zeit- und frequenzselektives Fading schützen. Bei Kurzwellen-Übertragungen liegt sein Wir-kungsbereich bei etwa 2,4 s. Bei Lang- und Mittelwellen-Frequenzen sind die Ausbreitungsbedingungen weniger schwierig: Hier werden kürzere Interleaver mit einem Wirkungsbereich von etwa 0,8 s verwendet.

Ein zusätzlicher Schutz gegen Kanalstörungen ("Schwund") ist die Kanalentzerrung mit Hilfe von Pilotzellen. Pilotzellen sind Zellen, die im OFDM-Übertragungsframe mit be-wusst ausgewählten Phasen und Amplituden moduliert werden. Sie "informieren" den Receiver über den Beginn eines Signals, dienen zur Frequenz- und Zeitsynchronisation und werden benutzt für Frame- und Kanalschätzung sowie für die Identifikation des Übertragungsmodus. Wie schon bei der "Unequal Error Protection" gilt auch hier: Ein größeres Verhältnis von Pilotzellen zu Daten erlaubt eine bessere Kanalschätzung zu Lasten der Nutzdatenrate.

Anschließend werden die Zellen auf ein Zeit-Frequenz-Raster aufgebracht (Cell Mapping) und das OFDM-Signal generiert. So wird eine robuste und störunempfindliche Übertragung in den engen 9- oder 10-kHz-Kanälen möglich. Das Verfahren baut für die Zukunft vor: Sollten die Regulierungsbehören einmal größere Bandbreiten erlauben, können die Signalparameter so gewählt werden, dass eine effektive Ausnutzung gewährleistet ist.

Erste Erfolge sind bereits da

Bild 9. Das "FhG-Software-Radio", eine Software-Lösung für einen handelsüblichen PC, dem ein analoger Kurzwellenempfänger der Firma AOR (Typenbezeichnung: AR 7030) vorgeschaltet ist.

Nach längeren Feldtests fanden auf der letzten Internationalen Funkausstellung in Berlin die ersten Live-Übertragungen statt. An verschiedenen Ständen wurde dabei erstmalig das "FhG-Software-Radio" vorgeführt, eine Software-Lösung für einen handelsüblichen PC, dem ein analoger Kurzwellenempfänger der Firma AOR (Typenbezeichnung: AR 7030) vorgeschaltet ist (Bilder 9 und 10).

Skeptiker konnten sich im fahrenden Auto davon überzeugen, dass der Standard sich auch für den Mobilempfang eignet. Das European Telecommunications Standards Institute (ETSI) veröffentlichte kurz nach der Funkausstellung den technischen Standard (TS 101 980).

Der Weg in die digitale Welt

Ein Standard setzt sich erst dann durch, wenn alle davon etwas haben. Das DRM-Gremium hat versucht, das zu berücksichtigen: Programmanbieter können ihre Sendeanlagen umrüsten und die bestehende Kanalstruktur beibehalten. Neben der größeren Reichweite machen auch die Sendekosten die Umstellung attraktiv: Die Sendeleistung kann auf ein Viertel reduziert werden und damit auch die Stromkosten.

Bild 10. Blockschaltung des "Software Radio"-Prinzips.

Zuhörer werden von der besseren Audio-Qualität, den Zusatzdiensten und den einfach bedienbaren Empfängern profitieren, die sich selbst die beste Frequenz suchen. Damit die Umstellung nicht abrupt vollzogen werden muss, sieht der Standard verschiedene Simulcast-Modes vor, also die gleichzeitige Übertragung von analogem und digitalem Programm. Das Bundesmi-nisterium für Bildung und Forschung unterstützt mittlerweile das Projekt "Radiomondo", in dem unter anderem Chipsätze für kostengünstige Empfänger entwickelt werden. Diese sollen laut DRM-Planung bis 2003 auf den Markt kommen. Denn ob der Standard sich bei den Hörern durchsetzt, wird vermutlich ein einziger Faktor entscheiden: der Preis.

Wolfgang Hascher, Elektronik Wireless 01/2002

Informationen über das Software-Radio-Prinzip und der aktuelle Newsletter des Fraunhofer-Instituts unter: www.iis.fhg.de/dab/products/drmreceiver/index.html


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