Umsetzung eines BOS-Meldeempfängers auf Softwarebasis mittels Java und FFT. Inklusive auszugsweisem Programmiercode für Clientkomponente

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Vorgeschichte
1.2 Grundgedanke dieser Diplomarbeit

2 Die BOS und ihr Funksystem
2.1 Definition BOS
2.2 Das Funknetz der BOS
2.3 Die analoge Alarmierung
2.3.1 Notwendigkeit und Anwender
2.3.2 Definition und Geschichte
2.3.3 5-Ton-Folgeruf
2.3.4 Alarmierungsverfahren
2.3.5 Anwendung und Praxis
2.3.6 Pro und Kontra analoge Alarmierung

3 Unterstützungsansätze und Spezifikation
3.1 Unterstützungsansätze
3.2 Spezifikation
3.2.1 Grundeigenschaften
3.2.2 Fachkonzept und Funktionsmodell
3.2.3 Organisationskonzept
3.2.4 Anwendungsanalyse

4 Analyse des Audiosignals
4.1 Grundlagen
4.2 A/D-Umsetzung
4.3 Das Abtasttheorem
4.4 Analyse der Abtastwerte
4.4.1 Zählen der Nulldurchgänge der Niederfrequenz
4.4.2 Analyse des Frequenzspektrums
4.5 Diskrete Fouriertransformation
4.6 Fast-Fouriertransformation
4.7 Leckeffekt und Fensterung

5 Konstruktion
5.1 Modularisierung
5.1.1 Komponenten
5.1.2 Serverkomponente
5.1.3 Clientkomponente
5.1.4 Hilfskomponente
5.2 Prozessorganisation
5.2.1 Prozessorganisation Server
5.2.2 Prozessorganisation Client
5.3 Auswahl Programmiersprache
5.4 Datenmanagement
5.5 Netzwerkprotokoll

6 Programmierung in Java
6.1 Klasse BOSLS-SoundDecoder
6.2 Klasse BOSLS-SoundsuccessionDecoder1
6.2.1 Kontrolle der Tonlänge
6.2.2 Zusammenstellung der Ruftonfolge
6.3 Klasse BOSLS-Spectrum
6.4 Klasse BOSLC-Display
6.5 Nicht realisierte Funktionalitäten
6.5.1 Threads und gemeinsamer Speicherbereich
6.5.2 Clientschwund
6.5.3 Fehlerbehandlung

7 Programmbeschreibung
7.1 Systemanforderungen
7.2 BOSL-Server
7.3 BOSL-Client
7.4 Externe Anwendungen

8 Schlusswort und Ausblick

A Auszugsweiser Programmiercode
A.1 Server
A.1.1 BOSLS_SoundDecoder.java
A.1.2 BOSLS_SoundsuccessionDecoder1.java
A.1.3 BOSLS_SoundsuccessionDecoder2.java
A.1.4 BOSLS_Spectrum.java
A.2 Client
A.2.1 BOSLC_SoundsuccessionHandling.java
A.2.2 BOSLC_SoundsuccessionAction.java
A.2.3 BOSLC_Display.java

Tabellenverzeichnis

2.1 ZVEI Tonzuordnung

2.2 Länderzuordnung zur Ruftonfolge

2.3 Beispiel Vergabe Ruftonfolge

4.1 Bit-reversed-Ordering

5.1 Ebenen der Modularisierung

5.2 Konfigurationsdateien

5.3 Schlüsselwörter Netzwerkprotokoll

Abbildungsverzeichnis

2.1 Aufbau einer Ruftonfolge nach ZVEI

2.2 Aufbau der Alarmierungsverfahren

2.3 Funkmeldeempfänger Feuerwehr Zeulenroda

3.1 Grundaufbau Unterstützungssystem

3.2 Funktionsmodell

3.3 Organisationskonzept

4.1 Abtasttheorem

4.2 Ablaufschema Frequenzanalyse

4.3 Ablaufschema FFT

4.4 Signalabtastung und Sprungstelle

4.5 Leckeffekt

4.6 Fensterung der Eingangsfolge

4.7 Ablaufschema Frequenzanalyse mit Fensterung

5.1 Komponenten des Unterstützungssystems

5.2 Module der Serverkomponente

5.3 Klassendiagramm Serverkomponente

5.4 Module der Clientkomponente

5.5 Klassendiagramm Clientkomponente

5.6 Sequenzdiagramm Serverkomponente

5.7 Sequenzdiagramm Clientkomponente

5.8 Datenbasis 2

5.9 Datenbasis 3

5.10 Netzwerkprotokoll der Anwendungsschicht

6.1 Ablaufschema Tonanalyse

6.2 Zusammenhang DSP-Breite und Ruftonfolge

7.1 Hauptfenster des Servers

7.2 Einstellungsbereich des Servers

7.3 Hauptfenster des Clients

7.4 Logbuch des Clients

7.5 Einstellungsbereich des Clients

7.6 Telnetanwendung

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Kapitel 1 Einleitung

1.1 Vorgeschichte

Nach einer Beschlussfassung der Bundesregierung im Jahr 2000, sollen die deutschen Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben (BOS) im Jahr 2006 ein neues Funksystem bekommen. Dieses neue Funksystem soll das derzeitige überholungsbedürftige analoge Funksystem ablösen.

Seit dieser Beschlussfassung sind zahlreiche Ausschüsse ins Leben gerufen worden, um die zukünftigen Anforderungen der BOS bei der Systemauswahl berücksichti- gen zu können. In einem Pilotprojekt, im Länderdreieck Aachen, wird derzeit ein Systemstandard der ETSI getestet (TETRA 25), welcher den Anforderungen der BOS am meisten gerecht wird. Dabei handelt es sich um ein Funksystem, was mit dem GSM-Funksystem der Mobiltelefonanbieter verglichen werden kann.

Die innere Struktur und das Zusammenspiel der deutschen Behörden und Organi- sationen mit Sicherheitsaufgaben sind weltweit einmalig. Diese Struktur soll auch nach der Einführung des neuen Funksystems erhalten bleiben. Aus diesem Grund muss das neue Funksystem den Anforderungen der polizeilichen Behörden, der Feuerwehr, dem Katastrophenschutz, sowie dem Rettungsdienst gerecht werden. Diese Vorgaben konnten im Aachener Pilotprojekt bis auf einen Punkt eingehalten werden.

Der ETSI-Standard (TETRA 25) berücksichtigt keine Funkalarmierung. Nur durch eine Änderung des Standards oder durch eine sehr aufwendige und kostspielige Anpassung der Endgeräte könnte dieser fehlende Punkt beseitigt werden. Eine Abänderung des TETRA 25 Standards für die deutsche BOS geht zu Lasten der internationalen Interaktion der TETRA 25 Funksysteme und scheidet somit aus.

Eine Anpassung bzw. Modifikation der Endgeräte für die zu alarmierenden Einsatzkräfte der Behörden¹ ist sehr aufwendig und wegen der geringen Abnahme unwirtschaftlich.

Aufgrund dieser ungeklärten Umstände gibt es nun die Überlegung das neue Funksystem vorerst nur für die polizeilichen Behörden in Deutschland einzuführen, da sich TETRA 25 bestens für diese Aufgaben eignet. Die Eingliederung der Feuerwehr und des Rettungsdienstes in das digitale System soll nach und nach geschehen. Wobei bis dahin ein Lösungsansatz zur Realisierung einer Alarmierung dieser Einsatzkräfte gefunden werden soll. Bis zu diesem Zeitpunkt wird die Alarmierung über das bestehende System fortgeführt.

Ein weiterer Punkt der Beschlussfassung der Bundesregierung regelte die finanzi- elle Struktur, wonach die einzelnen Bundesländer für die Kosten der Einführung aufkommen sollen. Aufgrund der angespannten Finanzlage und ungeklärter De- tails wurde die Einführung in vielen Bundesländern auf unbestimmte Zeit ausge- setzt.

Das analoge Funksystem wird somit mittelfristig im Allein- oder Paralleletrieb fortbestehen.

1.2 Grundgedanke dieser Diplomarbeit

Nationale Funksysteme können nicht von heute auf morgen umgestellt werden, da sie zu viele Bereiche tangieren. Ebenso können technische Innovationen in einem so trägen System kaum berücksichtigt werden. Es kommt hier und da zwar zur Einführung von neuen Gerätschaften, an der Grundtechnik wird sich während der Laufzeit allerdings nur sehr wenig ändern.

Da das analoge Funksystem zu Zeiten entwickelt wurde, zu denen es noch keine Computertechnik - wie wir sie heute kennen - gab, konnten viele Integrationsansätze bei der Einführung dieser Funktechnik auch nicht berücksichtigt werden. Welche Möglichkeiten jedoch die moderne EDV-Technik bei der Interaktion mit dem analogen Funksystem der BOS bieten kann, soll mit dieser Diplomarbeit anhand eines Beispielprogramms beschrieben werden.

BOS-Lauscher (BOSL) ist ein Programm mit dessen Hilfe analoge Alarmaussendungen der BOS erkannt und digital weiterverarbeitet werden. Dadurch können die analogen Signale in ein Medium überführt werden, welches die uneingeschränkte Weiterverarbeitung und Nutzung der gewonnenen Daten ermöglicht. Durch diesen Ansatz können die Anwender der alten Funktechnik bei ihrer Aufgabenbewältigung erheblich unterstützt werden.

Die grobe Funktionalität von BOSL lässt sich durch folgende Stichpunkte beschreiben:

- Einfache Anbindung an das analoge Funksystem
- Erkennen analoger Signale und Umwandlung dieser in digitale
- Uneingeschränkte Verarbeitung der Signale auf digitaler Ebene
- Unterstützung der Anwender des analogen Funksystems

Die folgenden Kapitel kommentieren einzelne Etappen des Entwicklungsprozesses, angefangen bei der detaillierten Untersuchung des bestehenden Systems, über die Entwicklung von Lösungsansätzen in der Spezifikation, zur Konstruktion und Im- plementierung der Softwarelösung. Aufgrund des gewaltigen Projektumfangs muss jedoch auf eine umfassende Beschreibung verzichtet werden. Die Gesamtstruktur und der Entwicklungsaufwand lassen sich jedoch sehr gut erkennen.

Kapitel 2 Die BOS und ihr Funksystem

2.1 Definition BOS

Unter der Abkürzung BOS versteht man alle deutschen Behörden und Organisationen, welche mit Sicherheitsaufgaben betraut sind. Dazu zählen:

- die Polizei der Länder:
- Landespolizei (LP)
- Schutzpolizei
- Autobahnpolizei
- Kriminalpolizei
- Bereitschaftspolizei (BePo)
- Grenzpolizei (GP)
- Polizeiverwaltungsamt (PolVA)
- Landesamt für Verfassungsschutz (LfV)
- Landeskriminalamt (LKA)

- die Polizei- und Katastrophenschutzbehörden des Bundes:
- Bundesgrenzschutz (BGS)
- Bundeskriminalamt (BKA)
- Bundesamt für Verfassungsschutz (BfV)
- Wasser- und Schifffahrtspolizei (WSP)

- die Bundeszollverwaltung (BZV)

- die Feuerwehren
- Freiwillige Feuerwehren (FF)
- Berufsfeuerwehren (BF)
- Werksfeuerwehren (WF)

- das Technische Hilfswerk als Organisation des Bundes (THW)

- die Katastrophenschutzbehörden der:
- Länder
- Gemeinden, Gemeindeverbände und kreisfreien Städte
- privaten Organisationen des Katastrophenschutzes
- Betreiber von Rettungshubschraubern
- Deutscher Automobil-Club (ADAC)
- Deutsche Rettungsflugwacht (DRF)
- Luftrettungsstaffel -SAR- der Bundeswehr
- private Luftrettungsunternehmen

- die privaten und öffentlichen Hilfsorganisationen:
- Deutsches Rotes Kreuz (DRK)
- Arbeiter-Samariter-Bund (ASB)
- Johanniter-Unfall-Hilfe (JUH)
- Malteser-Hilfsdienst (MHD)
- Deutsche Lebensrettungsgesellschaft (DLRG)
- Deutsche Gesellschaft zur Rettung Schiffsbrüchiger (DGzRS)
- Bergwacht (BW)
- private Rettungsunternehmen

Die Bundeswehr, als Komponente des Bundes für die Sicherung und Verteidigung der Bundesrepublik, zählt nicht zu den BOS.

Der Sinn dieser Zusammenfassung der oben aufgeführten Behörden und Organi- sationen unter dem Begriff BOS liegt im Zusammenspiel dieser bei der Bewäl- tigung ihrer Aufgaben begründet. In einem Hilfeleistungsfall - zum Beispiel bei einem Wohnungsbrand - werden in der Regel mehrere Organisationen zum Einsatz kommen. Die Feuerwehr ist für die Rettung von Personen sowie für die Brand- bekämpfung zuständig.¹ Der Rettungsdienst übernimmt die ärztliche Versorgung und Betreuung der geretteten Personen und die polizeilichen Behörden sichern währenddessen die Einsatzstelle und nehmen zum Schluss die Brandursachenermittlung auf.

Um bei einem solchen Szenario die reibungslose Interaktion und Kommunikation der Behörden zu sichern, muss es einheitliche Absprachen und Regelungen geben. Dabei geht es nicht um die Festlegung der Aufgaben der beteiligten BOS. Zur Überschneidung von Kompetenzen wird es in der Regel nicht kommen.² Durch die Zusammenfassung der BOS soll vielmehr das gegenseitige Ergänzen und der uneingeschränkte Informationsaustausch in allen Situationen gefördert werden.

Deutschland gewichtet den Informationsaustausch der BOS sehr hoch und sichert als Konsequenz den dazugehörigen Behörden und Organisationen gemeinsame Kommunikationsnetze und -mittel zu. Darunter versteht man insbesondere:

- einheitliche Funkfrequenzbereiche
- reservierte Standleitungen im öffentlichen Telefonnetz
- vorgeschriebene Modulationsarten
- genormte Gerätschaften (Funkgeräte)
- genormte Alarmierungsverfahren
- einheitliche Betriebs- bzw. Dienstvorschriften

BOS definiert somit nicht nur die dazugehörigen Behörden und Organisationen, sondern auch deren Verbund in einem gemeinschaftlichen Kommunikationssystem.

Das heißt natürlich nicht, dass „Jeder Jeden hört“. Somit wäre ein Chaos bei einem Nachrichtenaustausch vorprogrammiert. Die einzelnen BOS verständigen sich über getrennte Kommunikationswege (Funkfrequenzen). Im Bedarfsfall ist es jedoch für jede Organisation sofort möglich - ohne technischen Aufwand - den Kontakt zu einer beliebigen BOS herzustellen.

In den meisten anderen Ländern betreiben die einzelnen Organisationen jeweils eigene Funk- und Kommunikationsnetze. Ein Informationsaustausch zwischen zwei unterschiedlichen Behörden kann dabei nur indirekt über die jeweiligen Leitstellen erfolgen.

2.2 Das Funknetz der BOS

Den Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben werden in Deutsch- land mehrere Frequenzbereiche - über das gesamte Frequenzspektrum verteilt - zugesichert. Die wichtigsten Frequenzbereiche bzw. -bänder für die regionale Kom- munikation sind:

- das 4-m-Band
- das 2-m-Band und
- das 70-cm-Band.

Die Frequenzbereiche sind in mehrere Kanäle unterteilt. Jedem Kanal werden zwei Frequenzen zugeordnet. Eine aus dem Unterband und eine aus dem Oberband. Somit kann über die Kanäle Gegensprechen (Vollduplex) betrieben werden. Als Modulationsart wird Frequenzmodulation (FM) verwendet.

Im 4-m-Band finden die „normalen“ Funkgespräche statt. Darunter versteht man die Kommunikation unter den Einsatzkräften und die Verbindung zwischen den Kräften und deren Leitstelle. Ebenso wird im 4-m-Band die analoge Alarmierung der Einsatzkräfte realisiert.

Das 2-m-Band ist für die Einsatzstellenkommunikation gedacht. Außerdem werden hier kleine, meist örtliche Funkverkehrskreise errichtet. In Ballungszentren wird das 2-m-Band auch für die digitale Alarmierung nach dem Schema des POCSAG- Codes verwendet. Das 70-cm-Band ist ein „Hilfsband“. Hier kommunizieren die Relaisstellen für den Gleichwellenfunk der einzelnen Funkverkehrsbereiche des 4- m-Bandes untereinander. Vereinzelt sind im 70-cm-Band auch Datenfunkanwen- dungen der BOS zu beobachten.

2.3 Die analoge Alarmierung

In diesem Abschnitt soll die analoge Alarmierung der BOS etwas näher betrachtet werden, da auf ihr das im Rahmen dieser Diplomarbeit entwickelte Programm - BOSL - basiert. Für tiefgründigere Informationen empfehle ich die Bücher: [BOS1, BOS2, BOS3].

2.3.1 Notwendigkeit und Anwender

In einem Kommunikationsnetz können sich alle Teilnehmer eines Kanals unter- einander hören und verständigen. Bei einer großen Kanalbelegungsrate kann dies allerdings für die Beteiligten sehr lästig werden. Jeder Teilnehmer muss ständig und konzentriert den Sprechfunkverkehr verfolgen, um sich bei einem für ihn be- stimmten Anruf sofort melden zu können. Außerdem werden somit die Teilnehmer mit Informationen versorgt, die sie entweder nicht benötigen, oder nicht bekom- men sollten.

Bei den polizeilichen Behörden greifen diese Argumente nur teilweise. Auf eine Alarmierung wird hier in der Regel verzichtet, da alle diensthabenden Beamten unmittelbar mit einem Funkgerät ausgestattet sind und ständig miteinander kommunizieren. Anders sieht es bei den nichtpolizeilichen BOS aus. Hier ist die Einsatzfrequenz nicht so hoch wie bei den Polizeilichen. Ein ständiges Mithören wäre hier sehr belastend und aus datenschutzrechtlichen Gründen sehr bedenklich, gerade bei einer Freiwilligen Feuerwehr.

Die Einsatzkräfte tragen hier kleine Taschenempfänger³ bei sich. Diese Geräte sind von der Größe her wesentlich leichter zu Handhaben und kosten auch einiges weniger als herkömmliche BOS-Funkgeräte. Kommt es zu einem Einsatzfall, dann kann die Leitstelle - je nach Lage - eine bestimmte Person oder Personengruppe innerhalb kürzester Zeit über die analoge Alarmierung erreichen.

2.3.2 Definition und Geschichte

Als analoge Alarmierung bezeichnet man ein Selektivrufverfahren, mit welchem innerhalb eines Funknetzes einzelne Teilnehmer gesondert gerufen und angespro- chen werden können. Dabei werden jedem Teilnehmer bzw. Funkempfänger Ruf- nummern zugeordnet. Die einzelnen Ziffern einer Rufnummer werden durch ver- schieden hohe Töne (Tonfrequenzen) dargestellt. Diese Tonfrequenzen werden in- nerhalb einer definierten Zeitspanne über Funk ausgesendet. Sobald ein Funkemp- fänger seine Rufkombination in Form dieser Tonfrequenzen erkennt, signalisiert er den Alarm.

Bis 1979 wurde in Deutschland ein 3-Ton-Selektivrufverfahren verwendet. Bei die- sem Verfahren bestand eine Rufkombination aus 3 Ziffern. Daraus konnten 1000 Adressen für die Alarmierung der Einsatzkräfte gebildet werden. Aufgrund der ge- ringen Adressierungsmöglichkeit wurde 1975 das 5-Ton-Selektivrufverfahren ein- geführt. Seit 1979 ist nur noch diese Alarmierungsform der analogen Alarmierung bei den BOS zulässig.

2.3.3 5-Ton-Folgeruf

Bei dem 5-Ton-Folgeruf besteht eine Rufnummer bzw. Ruftonfolge aus 5 Stellen. Jeder Stelle können die Ziffern 0 bis 9 zugeordnet werden. Somit ergibt sich für die Ruftonfolgen eine Kombinationsreihe von 00000 bis 99999, das sind 100 000 Adressierungsmöglichkeiten.

Jede Ziffer aus der Rufnummer steht für einen bestimmten Sinuston. Die Zuordnung der Ziffern zu den Tonfrequenzen erfolgt nach einem Schema des Zentralverbandes der Elektroindustrie (ZVEI) und wurde in der DIN IEC 489, Teil 6, Anhang P, 9.4, Gruppe D geregelt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2.1: ZVEI Tonzuordnung

Die Tonlängen der Einzeltöne betragen 70 ± 15 ms. Bei der Aussendung einer Ruftonfolge werden die einzelnen Sinustöne aneinandergereiht und auf die Trägerwelle der eingestellten Sendefrequenz aufmoduliert. Als Modulationsart nutzt man die Frequenzmodulation.

Folgen innerhalb der Rufnummer zwei gleiche Ziffern aufeinander, so erhält die erste Ziffer die entsprechende Sinusfrequenz, die zweite stattdessen eine Wiederholungsfrequenz (W) von 2600 Hz. Einer ggf. dritten gleichen Ziffer wird wieder die normale Sinusfrequenz zugeordnet (siehe Abbildung 2.1). Würde man auf die Wiederholungsfrequenz verzichten, so entstünde bei zwei gleichen aufeinander folgenden Ziffern ein Ton von 140 ms. Ein Funkmeldeempfänger könnte eine solche Ruftonfolge nicht richtig auswerten.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.1: Aufbau einer Ruftonfolge nach ZVEI

2.3.4 Alarmierungsverfahren

Grundlegend unterscheidet man bei der Anwendung der 5-Ton-Alarmierung zwischen zwei Alarmierungsverfahren, die sich im Aufbau jedoch sehr ähneln. Zum einen bezeichnet man die Alarmierung von Führungs- und Einsatzkräften als stillen Alarm, die Ansteuerung von Sirenen als lauten Alarm.

In beiden Alarmierungsverfahren wird die Ruftonfolge nach der ersten Aussen- dung aus Sicherheitsgründen ein weiteres mal ausgesendet. Danach folgt bei der lauten Alarmierung ein 5 Sekunden langer Doppelton. Erst nachdem eine Sirene die richtige Ruftonfolge und den Doppelton ausgewertet hat, löst sie den Alarm aus.

Die Funkmeldeempfänger der Führungs- und Einsatzkräfte beachten dagegen den Doppelton nicht. Sie schalten bereits nach dem Erkennen der richtigen Ruftonfolge den Lautsprecher ein. Währenddessen bei der lauten Alarmierung nach der Ton- folgewiederholung ein Doppelton gesendet wird, ertönt bei der stillen Alarmierung ein Kanalbelegton bzw. Weckton auf der Alarmierungsfrequenz. Dieser Weckton ertönt im Lautsprecher der Einsatzkräfte und signalisiert somit den Alarm. Den genauen Aufbau der beiden Alarmierungsverfahren zeigt die Abbildung 2.2.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.2: Aufbau der Alarmierungsverfahren, oben die stille Alarmierung, unten die laute Alarmierung

Moderne Funkmeldeempfänger benötigen den Weckton nicht mehr, da sie sel- ber nach dem Empfang einer programmierten Ruftonfolge⁴ einen entsprechenden Alarmton generieren und diesen über den eingebauten Lautsprecher ausgeben.

Der Weckton kann aber auch als eine Art Kanalbelegton angesehen werden. Dieser verhindert, dass zwischen der Tonfolgewiederholung und dem Abschluss der Alarmierung - der Sprachdurchsage der Leitstelle - eine andere Funkstation den Kanal durch ein Gespräch blockiert.

2.3.5 Anwendung und Praxis

Die 5-Ton-Alarmierung bietet 100 000 Adressierungsmöglichkeiten pro Übertra- gungsmedium (z. B. Funkkanal). Da aber im 4-m-Band für alle BOS nur ca. 150 Kanäle zur Verfügung stehen, nutzen mehrere Organisationen unterschiedlicher Bundesländer Kanäle gemeinsam. Bei einer uneinheitlichen Adressvergabe pro Kanal kann es bei Überreichweiten zu starken gegenseitigen Störungen kommen. Aus diesem Grund wird der Adressraum zu Gunsten einer bundeseinheitlichen Adressvergabe aufgeteilt.

Die erste Stelle der Ruftonfolge kennzeichnet das Bundesland. Da für 16 Bundesländer nur 10 Ziffern zur Verfügung stehen, werden manche Ziffern - je nach Größe und Lage des Bundeslandes - doppelt vergeben (siehe Tabelle 2.2). Die zweite Stelle kennzeichnet Regierungsbezirke oder Leitstellenbereiche innerhalb eines Bundeslandes. Hier obliegt die Vergabe dem jeweiligen Land und richtet sich nach landesspezifischen Kriterien. Die letzten drei Ziffern werden dann nach einem Schema an die Stadt- und Landkreise verteilt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2.2: Länderzuordnung zur 1. Stelle der Ruftonfolge

In der Regel stehen pro Kanal ca. 1000 Adressen zur Verfügung. Aufgrund die- ses eingeschränkten Adressraumes kann nicht jeder Einsatzkraft eine persönliche Ruftonfolge zugeordnet werden. Die Zuordnung erfolgt hier nach einsatztaktischen Gesichtspunkten.

Kleine Ortschaften haben nur eine Adresse. Erfolgt eine stille Alarmierung auf diese Adresse, so ertönt der Funkmelder des zuständigen Wehrleiters, welcher in der Regel als einziger im Ort einen besitzt (z. B bei der Übermittlung von Informationen). Bei einem Brandfall wird die laute Alarmierung verwendet. Der Wehrleiter bekommt den Einsatzbefehl über seinen FME mitgeteilt, zeitgleich läuft im Ort die Sirene an und alarmiert die restlichen Einsatzkräfte.

In großen Ortschaften bzw. Städten werden dem Stadtbrandinspektor und des- sen Stellvertreter oder dem Wehrleiter personenbezogene Ruftonfolgen zugeord- net. Weitere Ruftonfolgen werden jeweils für Einsatz-Klein, Einsatz-Mittel und Einsatz-Groß vergeben. Je nach Qualifikation haben die Einsatzkräfte die ent- sprechenden Rufnummern auf ihren FME programmiert (siehe Tabelle 2.3 und Abbildung 2.3). Eine Alarmierung über Sirene erfolgt hier nur noch in Ausnah- mefällen, da in der Regel jeder Kamerad einen Funkmeldeempfänger besitzt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2.3: Zuordnung der Ruftonfolgen im Leitstellenbereich Gera am Beispiel

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.3: Programmierung von FME’s am Beispiel der Feuerwehr Zeulenro- da

Die letzte Zeile der Tabelle 2.3 zeigt eine weitere Anwendungsmöglichkeit bei der Rufnummernvergabe, sie wird als Gruppenruf bzw. 10er-Ruf bezeichnet. In diesem Fall wertet der FME nur die ersten 4 Stellen der 5-Ton-Folge aus und signalisiert bei Übereinstimmung den Alarm. Bei der Feuerwehr Zeulenroda besitzen ausge- wählte Führungskräfte diesen Gruppenruf und werden somit über alle Ereignisse in den Ortsteilen informiert. Diesen Gruppenruf gibt es auch in der Form des 100er- oder 1000er-Rufes.

2.3.6 Pro und Kontra analoge Alarmierung

Die analoge Alarmierung wird im 4-m-Band mit dem Gleichwellenfunksystem rea- lisiert und ist somit ein sehr schnelles Alarmierungsverfahren. Innerhalb von zwei Sekunden kann kanalweit eine Adresse alarmiert werden. Danach erfolgt die obli- gatorische Sprachdurchsage der Leitstelle, welche die Einsatzkräfte über alle Um- stände informiert.

Da nach der Alarmierung die FME - für eine programmierbare Zeit - den gesamten Sprechfunkverkehr des Kanals über den eingebauten Lautsprecher ausgeben, bleibt die Einsatzkraft stets auf dem Laufenden. Außerdem kann bei Führungskräften der FME so programmiert werden, dass diese den Sprechfunkverkehr bei Bedarf ständig verfolgen können.

Der wesentliche Nachteil der analogen Alarmierung ist der geringe Adressraum. Große Bundesländer wie Nordrhein-Westfalen träumen von einer solchen Rufnum- mernvergabe wie sie in Thüringen (siehe Tabelle 2.3) realisiert werden kann.

Aufgrund der Tatsache, dass für die analoge Alarmierung das bestehende Gleich- wellenfunksystem des Sprechfunkverkehrs genutzt wird, kann es zu wechselseitigen Störungen kommen. Ein langes Funkgespräch zweier Teilnehmer kann eine not- wendige Alarmierung erheblich verzögern. Außerdem kommt es durch die ständi- gen Alarmaussendungen auch zur Einschränkung des Sprechfunkverkehrs. Diese Argumente erfordern daher äußerste Funkdisziplin von den beteiligten Sprech- funkteilnehmern.

Um die genannten Nachteile zu kompensieren wurde ein weiteres Alarmierungs- verfahren für die BOS eingeführt - die digitale Alarmierung -. Sie beruht auf dem POCSAG-Code und wird im 2-m-Band realisiert. Bei diesem Verfahren wird der Einsatzbefehl in Textform auf das Display des DME übertragen, zu vergleichen mit dem EURO-Call-, Scall-, oder Skyper-Anwendungen. Allerdings ist die digi- tale Alarmierung keine wirkliche Alternative, da sie Probleme hervorruft, die bei der Analogen nicht auftraten. Der Einsatz der beiden Systeme muss daher stark abgewogen werden.

Ein weiterer Nachteil, der aber beiden Verfahren anhaftet, liegt im finanziellen Bereich. Die Alarmempfänger sind zwar um ein Vielfaches günstiger als Sprech- funkgeräte, kosten aber dennoch zwischen 200 und 600 Euro. Eine Sirenenanlage kostet sogar bis zu 4000 Euro. Ein Großteil der Gemeinden kann sich daher nur auf die nötigsten Anschaffungen beschränken. Geld für zusätzliche Gerätschaften zur Alarmüberwachung bzw. Protokollierung ist in der Regel nicht vorhanden.

Gerade hier setzt das im Rahmen dieser Diplomarbeit entwickelte Programm - BOSL - an, welches kostenlos den Gemeinden zur Verfügung gestellt werden kann.

Kapitel 3 Unterstützungsansätze und Spezifikation

3.1 Unterstützungsansätze

Bei der analogen Alarmierung gibt es eine Vielzahl an zusätzlichen Gerätschaften die dieses Alarmierungsverfahren sicherer machen und der alarmierenden Leitstelle oder Einsatzkraft Routineaufgaben abnehmen können. Dazu zählen unter anderem

- Alarmdrucker,
- Einsatzprotokollierer,
- Sprachaufzeichner,
- Referenzempfänger, sowie
- Tor- und Türsteuerungen.

Leider können sich viele Stadt- und Gemeindeverwaltungen diese optionalen Aus- rüstungsgegenstände aufgrund der geschilderten Situation nicht leisten. Somit be- schränken sie sich auf den Einsatz der gesetzlich vorgeschriebenen Mindestaus- stattung.

Hier liegt es nahe eine Unterstützungsmöglichkeit zu initiieren, welches mit einfa- chen Mitteln realisiert und auf vorhandene Gerätschaften aufgebaut werden kann. Da auch bei den BOS inzwischen EDV-Systeme vorgehalten und verwendet wer- den, können diese in der Regel problemlos mit kleinen Zusatzaufgaben vertraut werden. Gerade durch den Einsatz von leistungsfähigen Rechnern können komplexe Vorgänge - die vor Jahren noch aufwendige Hardware erforderten - durch Computerprogramme simuliert und realisiert werden.

Somit sollte es eigentlich möglich sein das Rechnersystem mit dem ebenfalls vorhandenen Funksystem zu koppeln und die Funktionalität der oben genannten Gerätschaften mittels Computerprogrammen zu realisieren.

Daraus lassen sich folgende Szenarien ableiten:

- Ein Computerprogramm erkennt die alarmierten Ruftonfolgen und proto- kolliert diese in einer Datei. Bei Bedarf lassen sich die gesammelten Daten ausdrucken.
- Nach erkannter Ruftonfolge gibt ein Computerprogramm Steuersignale zum automatischen Öffnen der Ausfahrtstore über eine Schnittstelle am EDV- System aus.
- Eine Software kann den Leitstellendisponenten die erfolgreiche Aussendung einer Ruftonfolge quittieren. (Referenzempfänger)
- Zur Einsatzdokumentation wird die Sprachdurchsage der Leitstelle nach einer Alarmierung in eine Audio-Datei auf dem PC gespeichert.
- Eine Führungskraft einer Stützpunktfeuerwehr erhält eine computergenerierte Übersicht über alle alarmierten Einsatzkräfte und kann bei Bedarf weitere Kräfte sofort nachfordern.
- Ein Computerprogramm erkennt die alarmierten Ruftonfolgen und sendet diese über das Internet oder Intranet wiederholt aus.

Unzählige weitere Szenarien lassen sich aus den genannten ableiten. Die Umset- zung und Weiterverarbeitung durch Computerprogramme ist nahezu grenzenlos. Eine Möglichkeit der Realisierung zur Unterstützung der BOS bei der analogen Alarmierung behandelt die folgende Spezifikation, auf deren Basis BOSL entstan- den ist.

3.2 Spezifikation

3.2.1 Grundeigenschaften

Es soll ein softwarebasierendes Unterstützungssystem für die analoge Alarmierung der BOS entwickelt werden, welches die vorhandenen Komponenten sinnvoll integriert. Die Anbindung des Funksystems an das EDV-System soll dabei über eine definierte Schnittstelle erfolgen und ohne großen technischen und finanziellen Aufwand realisierbar sein.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.1: Der Grundaufbau des Unterstützungssystems

Das Unterstützungssystem soll des Weiteren folgende Grundeigenschaften aufwei- sen:

1. Es soll offene und definierte Schnittstellen für Weiterentwicklungen und Ergänzungen haben. Individuelle Benutzeranforderungen sollen umsetzbar sein.
2. Es soll auf allen verwendeten Betriebssystemen der BOS betrieben werden können.
3. Die Funkalarmierung darf durch dieses System zu keiner Zeit eingeschränkt werden.
4. Das Resultat der Datenverarbeitung soll zeitnah dem Benutzer präsentiert werden. Aktionen sollen ohne wesentliche Verzögerung ausgeführt werden.
5. Die Bedienung des Systems soll einfach und intuitiv durch klare und über- sichtliche Strukturen möglich sein. Fehleingaben der Benutzer sollen ent- sprechend erkannt und behandelt werden.

3.2.2 Fachkonzept und Funktionsmodell

Das Fachkonzept beschreibt aufbauend auf den erläuterten Grundeigenschaften die zu realisierenden Funktionen aus der Sicht des zukünftigen Anwenders, welche durch folgende Punkte eindeutig definiert werden. Grundfunktionen:

Ruftonfolgenauswertung. Die von der alarmierenden Leitstelle über Funk aus- gesendeten Ruftonfolgen werden von einer definierten Schnittstelle aufge- nommen und mittels eines softwarebasierenden Prozesses ausgewertet.

Ruftonfolgenanzeige. Jede Ruftonfolge steht für eine bestimmte Funktion oder für ein Ereignis. Ausgewertete Ruftonfolgen werden mit einer vordefinierten Beschreibung versehen und dem Benutzer zur Anzeige gebracht. Der Be- nutzer erkennt somit die alarmierte Ruftonfolge und die dahinter stehende Funktion.

Protokollierung. Erkannte Ruftonfolgen werden mit einem Zeit- und Datums- stempel versehen und in einer übersichtlichen Form dem Benutzer angezeigt. Bei Bedarf kann dieser die Daten ausdrucken oder speichern.

Alarmierung. Erkennt die Software bestimmte Ruftonfolgen, welche vorher de- finiert werden können, so führt sie eine festgelegte Aktion zur Signalisierung des Alarmes aus.

Netzwerkfähigkeit. Ausgewertete Ruftonfolgen können zur Weiterverarbeitung über ein Netzwerk versendet werden.

Administration. Um die genannten Funktionen sowie deren Zusammenspiel kon- figurieren zu können benötigt die Softwarelösung mehrere Administrations- möglichkeiten.

Der Grundaufbau der Softwarelösung wird als Server-Client-Architektur realisiert. Somit können die Punkte 1 und 2 der Grundeigenschaften am besten berücksich- tigt werden.

Die Serverapplikation übernimmt dabei im groben die Auswertung der Ruftonfolgen sowie die Administration der Benutzer- und Systemdaten. Erkannte Ruftonfolgen schickt der Server via Netzwerk an definierte Benutzer (Clients).

Die Clientapplikationen nehmen mit dem Server über eine definierte Netzwerk- verbindung Kontakt auf und werden über jede Alarmaussendung informiert. Der Clientbenutzer kann die Funktionalität des Clients genau definieren. Die Anzeige der Ruftonfolge, Protokollierung und Alarmierung wird über den Client realisiert.

Um anderen Anwendungen ebenfalls die Möglichkeit einzuräumen mit dem Server zu kommunizieren, wird die Netzwerkverbindung genau spezifiziert. Als Übertragungsprotokoll ist TCP/IP (RFC791, RFC1060, RFC793) zu verwenden.

Der Administrator des Servers hat die Möglichkeit Statusmeldungen und Nachrichten an alle angeschlossenen Benutzer zu versenden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.2: Grundfunktionen der Unterstützungssoftware

Ein Serverrechner kann zugleich ein Clientrechner sein. Die Kommunikation soll dabei über die Localhostadresse erfolgen.

Weder Server noch Client benötigen eine programminterne Zugangskontrolle. Die- se kann durch das Benutzermanagement auf Betriebssystemebene durchgeführt werden.

3.2.3 Organisationskonzept

Die Anwender der Softwarelösung werden in Administratoren und Benutzer unter- schieden. Jeder Benutzer, der Zugriff auf das Betriebssystem der Serverinstallation hat und somit direkt auf die Serveranwendung zugreifen kann, ist ein Administra- tor.

Administratoren verwalten den Server. Sie können das Aussehen und das Ver- halten der einzelnen Serverkomponenten bestimmen. Die Systemanpassung an das Funksystem und die Netzwerkeinstellungen werden ebenfalls von Ad- ministratoren durchgeführt. Eine Zugangskontrolle wird durch das Betriebs- system realisiert. Administratoren verfügen über einen gültigen Benutzerac- count und können sich somit am Betriebssystem des Server-Rechners anmel- den.

Benutzer bedienen den Client. Dazu können sie alle erforderlichen Einstellungen ohne Einschränkungen am Client vornehmen. Die Zugangskontrolle wird auch hier über das Login des Betriebssystems realisiert.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.3: Organisationskonzept und Benutzerschnittstellen

Alle Clientrechner müssen für eine erfolgreiche Netzwerkkommunikation mit dem Server, diesem bekannt sein. Der Administrator kann die zulässigen Clientadressen in einer Liste definieren.

3.2.4 Anwendungsanalyse

Die Anwendungsanalyse beschreibt den Ist-Zustand und liefert detaillierte Informationen über die beteiligten Systeme. Da im Abschnitt 2.3 der theoretische Hintergrund des Alarmierungsverfahrens bereits erläutert wurde, sollen hier die Hardwarekomponenten näher betrachtet werden.

Die Endgeräte des Funksystems (Funkgeräte) sind in jeder Feuerwehreinsatzzentrale - in welcher die Softwarelösung vorwiegend zum Einsatz kommen kann - mehrfach vorhanden. Da diese Funkgeräte einer strengen technischen Richtlinie entsprechen, können bestimmte Schnittstellen als gegeben vorausgesetzt werden. Dabei gibt es mehrere Möglichkeiten die Niederfrequenz (NF) aus einem Funkgerät zu entkoppeln und diese dem EDV-System zuzuführen. An den Funkgeräten ist sogar eine Schnittstelle vorhanden (NATO-Buchse), mit deren Hilfe die Funkgeräte über TTL-Steuersignale ferngesteuert werden können.

Die Ausrüstung der Feuerwehreinsatzzentralen mit Rechnertechnik ist sehr unter- schiedlich, da es hierzu keine klaren Vorgaben gibt. Aus diesem Grund sollte die Softwarelösung ein möglichst breites Spektrum abdecken. Sowohl die Funktechnik, als auch die Rechnertechnik stehen in den einzelnen Feuerwehreinsatzzentralen im Dauerbetrieb.

Für die Verbindung der beiden Systeme wird die aus dem Funkgerät entkoppelte Niederfrequenz verwendet. Diese kann - ggf. galvanisch getrennt - der Soundkarte des Rechnersystems zugeführt werden. Eine andere Möglichkeit der Verbindung besteht in der Pegelanpassung der NF mittels HamCom-Modem und der Zuführung des angepassten Signals zur seriellen Schnittstelle der EDV-Anlage. Die Verbindung über die Soundkarte ist zu bevorzugen.

Kapitel 4 Analyse des Audiosignals

4.1 Grundlagen

Die ausgesendete Ruftonfolge sowie die zu übertragende Sprache sind analoge Signale, welche mittels Frequenzmodulation (FM) auf eine Trägerfrequenz zur Funkübertragung aufmoduliert werden. Ein Empfänger trennt die aufmodulierten Signale von der Trägerfrequenz wieder und gibt diese über den Lautsprecher aus. Diese Signale werden auch als Niederfrequenz (NF) - mit einem Frequenzbereich von 0 bis 20 000 Hz - bezeichnet. Bei den Empfängern der BOS liegt sie nicht nur am Lautsprecher, sondern auch an den nach Außen führenden Schnittstellen an.

Unter dem Punkt „Auswertung der Ruftonfolge“ ist die Untersuchung der Niederfrequenz auf das Vorhandensein einer Ruftonfolge, sowie das Dekodieren (Erkennen der Adresse) der entdeckten Tonfolge zu verstehen.

Um eine softwarebasierende Auswertung zu ermöglichen, müssen die analogen Signale in ein digitales Format umgewandelt werden. Diese Umwandlung (A/D- Umsetzung oder A/D-Wandlung) übernimmt die Soundkarte des Rechners.

4.2 A/D-Umsetzung

Die Niederfrequenz - auch Audiosignal genannt - besteht aus wert- und zeitkontinuierlichen elektrischen Signalen. Mittels Abtastung und Quantisierung können diese in wert- und zeitdiskrete (digitale) Signale umgewandelt werden. Bei der Abtastung werden zwei Parameter als wichtig betrachtet:

1. Die Abtastfrequenz (Häufigkeit der Abtastungen pro Sekunde)
2. Die Wortlänge bzw. Abtasttiefe (Zahlendarstellung der Amplituden des di- gitalen Signals)

Soundkarten besitzen A/D-Umsetzer mit einer einstellbaren Abtastfrequenz von 5 000 bis 44 100 Hz und einer Abtasttiefe von 8 oder 16 Bit. Bei der Auswahl der Abtastfrequenz für die A/D-Umwandlung ist darauf zu achten, dass das analoge Signal nicht unter- bzw. überabgetastet wird.

4.3 Das Abtasttheorem

Ein analoges Audiosignal wird bei der A/D-Umwandlung in ein digitales über- führt. Dies geschieht mit Hilfe einer Abtastung, bei der das analoge Signal zu bestimmten Zeitpunkten betrachtet wird und die dabei ermittelten Amplituden- werte nach einer Quantisierung in einem Datenformat abgespeichert werden. Je kürzer die Zeitintervalle sind, desto besser kann das analoge Signal appoximiert werden.

Unter Quantisierung ist der Vorgang zu verstehen, bei dem der Amplitudenbetrag des Audiosignals einer Abtastung mit dem Wertebereich der Amplitude - welcher in Intervalle unterteilt ist - verglichen wird und als Ergebnis in einem dem Rechner bekannten Datenformat vorgehalten wird. Diese gesamte A/D-Umwandlung wird von der Soundkarte übernommen, wobei die Zeitintervalle der Soundkarte in Form einer Frequenz (Abtastfrequenz oder Samplingrate) mitgeteilt werden.

Da die gewonnenen Abtastwerte das analoge Signal nur appoximieren, aber nicht eindeutig wiedergeben können, gehen bei der A/D-Umwandlung bestimmte Frequenzanteile verloren (siehe Abbildung 4.1).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4.1: Herleitung des Abtasttheorems mittels zwei Schwingungen unterschiedlicher Frequenz. Die hochfrequente Schwingung kann bei gegebener Abtastung nicht von der niederfreuenten unterschieden werden.

Aus dieser Erkenntnis resultiert das Abtasttheorem welches besagt, dass die Abtastfrequenz bei der A/D-Umwandlung mindestens doppelt so hoch sein muss, wie die höchste auftretende Frequenz, der zu untersuchenden Frequenzen (fsampling ≥ 2·fmax.Ton). Da bei der Abtastung Quantisierungsfehler auftreten können, die die A/D-Umwandlung zusätzlich beeinflussen, sollte die Abtastfrequenz etwas höher gewählt werden, als es das Theorem mindestens vorschreibt.

Bei der 5-Ton-Alarmierung der BOS entspricht die höchste auftretende Frequenz der Ziffer W mit 2600 Hz. Eine Abtastfrequenz von 6000 Hz reicht somit bei der Auswertung der Ruftonfolgen völlig aus. Höhere Abtastungen führen nur zu unnötigen Speicherverbrauch und längeren Rechenzeiten.

4.4 Analyse der Abtastwerte

Zur Untersuchung der Abtastwerte (digitalisierte Niederfrequenz) auf das Vorhandensein einer Ruftonfolge gibt es folgende grundlegende Ansätze.

4.4.1 Zählen der Nulldurchgänge der Niederfrequenz

Eine Ruftonfolge setzt sich aus 5 aufeinander folgenden Tönen zusammen. Jeder Ton besteht dabei aus einer Sinusschwingung mit einer genau definierten Frequenz und einer bestimmten Dauer. Somit lässt sich von jedem Ton die Anzahl der Nulldurchgänge der Sinusschwingung berechnen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die gesamten Abtastwerte werden in Abschnitte aufgeteilt. Jeder Abschnitt enthält die Abtastwerte einer bestimmten Zeitdauer. Dabei sollte diese mindestens kleiner sein, als die Hälfte der Dauer des zu dekodierenden Sinustones.

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Treten innerhalb eines Abschnittes die dafür berechneten Nulldurchgänge (Wech- sel von negativen Amplitudenwert zu Positiven und umgekehrt) auf, so wurde der entsprechende Ton für den Zeitabschnitt erkannt. Wenn alle Abschnitte des Sinustones die dafür berechneten Nulldurchgänge enthalten, konnte der gesamte Sinuston eindeutig dekodiert werden.

Die Abtastfrequenz muss hier mindestens doppelt so hoch sein wie die zu untersuchende Sinusfrequenz (siehe Abschnitt 4.3), da sonst einige Nulldurchgänge der Schwingung übersprungen werden.

Ein großer Nachteil bei diesem Ansatz ist, dass das zu untersuchende niederfre- quente Signal sehr sauber sein muss. Das heißt, es dürfen keine Störschwingungen, aufgrund schlechter Funkübertragung oder anderer Einflüsse, dem Nutzsignal an- haften. Diese Störungen bewirken eine „Verschmierung“ des Nutzsignals was zur Folge hat, dass Nulldurchgänge entweder nicht erkannt, oder zu viele gezählt wer- den.

Da es bereits bei geringen Störungen zu einer verhältnismäßig starken Verschmie- rung kommt, kann eine sichere Dekodierung nicht gewährleistet werden. Für die Auswertung der Ruftonfolgen der BOS ist dieser Ansatz somit nicht brauchbar.

4.4.2 Analyse des Frequenzspektrums

Ein anderer Ansatz liegt in der Berechnung des Frequenzspektrums der empfangenen Niederfrequenz. Dabei werden alle erkannten Frequenzen ihrem Anteil nach in einem Diagramm (Spektrum) gewichtet. Ist in diesem Spektrum die Frequenz des gesuchten Sinustones mit einem entsprechenden Anteil vertreten, so konnte sie eindeutig identifiziert werden (siehe Abbildung 4.2).

Verschmierte Signale liefern hier ein breites Spektrum mit vielen Frequenzanteilen. Das Nutzsignal mit der entsprechenden Sinusfrequenz lässt sich jedoch problemlos erkennen. Eine sichere Dekodierung ist somit auch bei gestörten Nutzsignalen möglich.

Ein Nachteil bei diesem Verfahren ist der relativ hohe Rechenaufwand, welcher Dank einschlägiger Algorithmen erheblich minimiert werden kann.¹ Moderne Personalcomputer sind mittlerweile in der Lage eine „Echtzeitberechnung“ des Frequenzspektrums durchzuführen.

Dieser Ansatz ist aufgrund der genannten Eigenschaften sehr gut zur Auswertung der Ruftonfolgen der BOS geeignet und wird daher in den folgenden Abschnitten näher betrachtet.

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Abbildung 4.2: Vereinfachtes Ablaufschema einer Frequenzanalyse

4.5 Diskrete Fouriertransformation

Die diskrete Fouriertransformation (DFT) ist das bekannteste Verfahren zur Frequenzbereichsdarstellung bzw. Kurzzeit-Spektralanalyse eines Audiosignals.

Die DFT transformiert die Abtastwerte einer Zeitfolge (Zeitbereich) in den Spektralbereich (Frequenzbereich). Dabei werden die Werte in den Raum der komplexen Zahlen überführt. Durch die Betrachtung der realen und imaginären Anteile mit Hilfe eines Frequenzfensters - welches durch einen komplexen Drehoperator der Kreisfrequenz aufgespannt wird - lassen sich die Beträge der enthaltenen Frequenzen berechnen. Es entsteht dabei ein diskretes Spektrum. Die berechneten Beträge sind die Fourierkoeffizienten der Transformation. Da diese bei reellen Funktionen symmetrisch sind, reicht die Hälfte der Fourierkoeffizienten zur Darstellung des Frequenzspektrums aus. Die Beträge (Amplituden) müssen dann natürlich noch um den Faktor 2 angepasst werden.

Die Gleichung der DFT lautet:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Zur Berechnung der DFT mittels mathematischer Befehle einer Programmierspra- che wird die oben genannte Gleichung - welche sich in Polarform befindet - in die kartesische Form umgerechnet. Dazu benutzt man die eulerschen Formeln:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Als Ergebnis erhält man zwei DFT-Gleichungen, wobei die Erste den Realteil und die Zweite den Imaginärteil der Berechnung widerspiegelt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Für die Berechnung eines Spektralwertes X[n] sind N Durchläufe (Summierungen) mit jeweils mehreren Rechenoperationen nötig. Bei der Berechnung des gesamten Frequenzspektrums sind somit N² Durchläufe erforderlich.

Eine Stelle einer Ruftonfolge kann aus 11 Ziffern (0,1 . . . 9, W) bestehen, wobei jede Ziffer für einen bestimmten Sinuston steht. Um ein abgetastetes Audiosignal zu dekodieren sind somit maximal 11 · N Durchläufe der DFT erforderlich.

Ein Schema zur schnelleren Berechnung der DFT ist die schnelle Fouriertransfor- mation (FFT). Die FFT - welche im folgenden Abschnitt näher betrachtet wird - beseitigt Redundanzen die bei jedem Durchlauf der DFT entstehen. Der Radix- 2-FFT-Algorithmus benötigt zur Berechnung des gesamten Frequenzspektrums N ·ld(N) Durchläufe. Somit ermittelt dieser Algorithmus bei N < 2¹¹ das gesam- te Frequenzspektrum, währenddessen die normale DFT 11 Spektralwerte daraus errechnet.

4.6 Die schnelle Fouriertransformation

Die schnelle Fouriertransformation - im englischen als Fast-Fourier-Transformation (FFT) bezeichnet - ist ein Schema zur schnelleren Berechnung der Spektralwerte mittels DFT. Dabei werden Redundanzen, die bei der DFT durch die Symmetrien in den Potenzen des Drehoperators entstehen, vermieden.

Das bekannteste FFT-Schema ist der Radix-2-Algorithmus von Cooley und Tukey. Dabei werden die Redundanzen durch eine Reduktion der Eingangswerte im Zeitbereich (DIT = decimation in time) bzw. Ausgangswerte im Frequenzbereich (DIF = decimation in frequency) beseitig. Im folgenden wird die Reduktion im Zeitbereich (DIT) näher betrachtet.

Unter Reduktion im Zeitbereich (DIT) versteht man das fortgesetzte Aufspalten der Eingangsfolge nach geraden und ungeraden Indizes bis die Teilfolgen eine Länge von 2 aufweisen. Danach wird auf die Teilfolgen der untersten Ebene die DFT angewendet. Die Ergebnisse dieser Berechnung werden in der nächst höheren Ebene als Berechnungsgrundlage verwendet. Dieses Schema wird rekursiv bis zur obersten Ebene angewendet, wobei zur zusätzlichen Optimierung die berechneten Zwischenergebnisse der Drehoperatoren wieder verwendet werden.

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Abbildung 4.3: DIT-Radix-2-FFT-Algorithmus mit Bit-reversed-Ordering

Durch eine geschickte Aufspaltung der Eingansfolge entsteht eine symmetrische Form (Butterfly-Graph), welche eine einfache und übersichtliche Berechnungs- struktur zur Folge hat. Somit kann auch eine „in-place-Verarbeitung“ erfolgen, bei der alte Rechenergebnisse einer Ebene durch neue ersetzt werden können. Dadurch wird für die Frequenzanalyse kein weiterer Speicher benötigt. Auf ein Nachsortieren der Indizes der Spektralwerte kann dann verzichtet werden, da sich diese zum Ende der Berechnung bereits an der richtigen Stelle befinden. Der Pro- grammieraufwand wird dadurch erheblich minimiert (siehe Abbildung 4.3).

Ein Verfahren zur Aufspaltung der Eingangsfolge, welches die genannten Eigen- schaften erfüllt wird als „Bit-reversed-Ordering“ bezeichnet. In der Abbildung 4.3 sind die Indizes der Eingangsfolge bereits danach geordnet. Bei diesem Verfahren werden die Indizes der Eingangsfolge auf Binärebene betrachtet und neu ange- ordnet. Der neue Index eines Eingangswertes entsteht dabei durch das Lesen der Dualzahl des alten Index von rechts beginnend, also in umgekehrter Reihenfolge (Tabelle 4.1).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 4.1: Bit-reversed-Ordering für eine Eingangsfolge der Länge N = 8

In der Praxis spielen bei der Frequenzanalyse durch die FFT nur die reellen Zeitfolgen (Abtastwerte) eine Rolle. Der Imaginärteil kann somit beim Start der Berechnung auf Null gesetzt werden.

4.7 Leckeffekt und Fensterung

Ein kontinuierliches Audiosignal wird zur Frequenzanalyse in Abschnitte einer bestimmten Länge N aufgeteilt, wobei dann für jeden Abschnitt das Frequenzspektrum mittels FFT berechnet wird. Der Idealfall bei dieser Berechnung ist, wenn die Breite der FFT (N) genau ein Vielfaches der Breite einer Schwingung der zu untersuchenden Tonfrequenz beträgt. Da dieser Idealfall bei einer kontinuierlichen Untersuchung einer Zeitfolge kaum auftritt, entstehen „Sprungstellen“ beim Übergang zur nächsten bzw. vorherigen Eingangsfolge.²

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4.4: Entstehung einer Sprungstelle bei der Abtastung eines Audiosignals. DFT-Breite = 8

Es kommt zu einer Verfälschung der Spektralfolge durch folgende Fehlerscheinun- gen:

- Es entstehen zwei Hauptlinien in der Darstellung.
- Der Betrag der Hauptlinien repräsentiert nicht den realen Frequenzanteil.
- Die Spektralkomponenten (Frequenzlinien) sind phasenverschoben und können sich dadurch überlagern.
- Das gesamte Spektrum weißt fehlerhafte Anteile auf.

Abbildung 4.5 zeigt diese Verfälschung an Hand einer Gegenüberstellung der beiden genannten Fälle. Bildlich gesehen läuft die Hauptspektrallinie aus (sie leckt), daher auch die Bezeichnung „Leckeffekt“.

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Abbildung 4.5: Darstellung des Leckeffekts anhand einer Cosinusschwingung. Links, Anzahl der Schwingungen genau ein Vielfaches der Abtastwerte. Rechts, Cosinus ist Phasenverschoben dadurch sind Schwingungen kein Vielfaches der Abtastfrequenz... Oben, Zeitfolge. Unten, Frequenzspektrum.

Bei der Analyse der Ruftonfolgen kommt es durch den Leckeffekt zu Fehlberechnungen, welche eine sichere Auswertung dieser unmöglich machen.

Durch eine „Fensterung“ der Abtastwerte kann dieser Effekt verhindert werden. Dabei werden die Flanken der Eingangsfolge durch eine Berechnung anders ge- wichtet. Die Übergänge zur vorherigen und nächsten Eingangsfolge gehen gegen Null. Es treten somit keine Sprungstellen auf, welche den Leckeffekt hervorrufen. Eine Änderung der Frequenzanteile hat die Fensterung nicht zur Folge.

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Abbildung 4.6: Durch die Überlagerung der Eingangsfolge mit einer Fensterfunk- tion können die Übergänge geklättet werden. Der Leckeffekt wird unterdrückt.

Zur Fensterung der Eingangsfolge gibt es mehrere Algorithmen mit unterschiedlichen Eigenschaften. Für die Analyse der Sinustöne einer Ruftonfolge - welche im Frequenzbereich dicht beieinander liegen - sollte die Hann-Funktion³ verwendet werden, da bei ihr die Spektrallinien relativ steilflankig ausfallen. Das HannFenster wird durch folgende Gleichung definiert.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Das vereinfachte Ablaufschema der Frequenzanalyse in Abbildung 4.2 muss nun um die Fensterfunktion erweitert werden. Die Abbildung 4.7 zeigt das neue Vorge- hen. Die programmiertechnische Umsetzung der eben erwähnten Frequenzanalyse durch die einschlägigen Algorithmen ist in der Klasse BOSLS-DspLibrary zu fin- den.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4.7: Vereinfachtes Ablaufschema der Frequenzanalyse, inklusive der Fensterung der Eingangswerte.

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¹ ca. 200 000

¹ Menschenrettung geht vor Brandbekämpfung

² Die Feuerwehr wird auch in Zukunft für die Brandbekämpfung zuständig sein.

³ Funkmeldeempfänger (FME), umgangssprachlich auch Piepser

⁴ Je nach Hersteller kann ein FME 2 bis 40 Rufnummern aufnehmen. Als Alarmtöne können WAVE-Files programmiert werden.

¹ Der Rechenaufwand um die Dekodierung im ersten Ansatz sicherer zu gestalten ist wesentlich höher.

² Der mathematische Hintergrund dazu wird in den Büchern [Math1, Math5, Math4, Math8] näher beleuchtet.

³ auch Hanning-Funktion genannt