Digital Audio Broadcasting (DAB). Aufbau, Übertragung und Empfang

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abkürzungen

1 Einführung

2 Das analoge Übertragungssystem im Hörrundfunk
2.1 Die Entwicklung des Hörrundfunks in Deutschland
2.2 Das analoge UKW-Verfahren

3 Einführung in Digital Audio Broadcasting (DAB)
3.1 Geschichte von DAB
3.2 DAB im Überblick

4 Aufbau von DAB – Codierung
4.1 Quellencodierung – MUSICAM
4.2 Kanalcodierung – Forward Error Correction (FEC)
4.3 Modulationscodierung
4.3.1 Digitale Modulationsverfahren
4.3.2 Das Mehrträgerverfahren – COFDM

5 Aufbau von DAB – Datenstruktur und Datendienste
5.1 Datenstruktur
5.2 Datendienste: PAD und Non-PAD

6 Übertragung und Frequenzbereiche eines DAB-Signals
6.1 Übertragungskapazität und Multiplexstruktur
6.2 Übertragungsmodi
6.3 Abstrahlung eines DAB-Signals
6.4 Frequenzbereiche

7 Empfang und Sendernetze
7.1 Empfang eines DAB-Signals
7.2 Empfangsgeräte
7.3 Sendernetze, Programme und Senderstandorte

8 Vor- und Nachteile von DAB

9 Zusammenfassung und Ausblick

10 Anhang
10.1 Sendeplan der ersten Radiosendung vom Vox-Haus Berlin
10.2 Schrittfolge der Digitalisierung
10.3 Fehlerschutzlevel des UEP
10.4 Fehlerschutzprofil EEP
10.5 PTY-Codes (Auszug)
10.6 Empfangsgebiet in Baden-Württemberg Kanal 12B

Literaturverzeichnis

Quellenverzeichnis der Abbildungen

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Codierungsverfahren

Abbildung 2: Rahmen des quellcodierten DAB-Signals

Abbildung 3: Fehlerschutz bei DAB

Abbildung 4: Unequal Error Protection eines DAB-Audio-Frames

Abbildung 5: Reflexionen und Mehrwegeausbreitung

Abbildung 6: QPSK-Signalkonstellation und Data Bits mit Phasenänderung

Abbildung 7: DAB-Rahmen

Abbildung 8: DAB-Datenstruktur

Abbildung 9: DAB-Datenstruktur beim Pocket Mode

Abbildung 10: DAB-Sendeseite

Abbildung 11: DAB-Frequenzblöcke im Kanal 12

Abbildung 12: Übertragungs- und Empfangssystem bei DAB

Abbildung 13: DAB-Empfangsgeräte

Abbildung 14: DAB-Versorgung in Deutschland (2007)

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Datenrate bei DAB-Programmen

Tabelle 2: DAB-Kanalkapazität in Abhängigkeit des Protection Levels

Tabelle 3: DAB-Übertragungsmodi

Tabelle 4: Frequenzraster VHF und L-Band

Tabelle 5: Senderstandorte Baden-Württemberg

Abkürzungen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einführung

„Achtung, Achtung! Hier ist Berlin, Vox-Haus!“^[1], mit diesen Worten begann am 29. Oktober 1923 die erste Rundfunksendung in Deutschland.^[2] Ein neues Zeitalter brach an: Das Radio als Massenmedium. Seitdem gewinnt der Hörfunk kontinuierlich an Bedeutung. Ein Grund dafür ist, dass er einem raschen Wandeln unterliegt und dadurch stets jung geblieben ist. Seit dem Einzug der Digitaltechnik in den 80er Jahren, wurden nach und nach neue Möglichkeiten zur Speicherung und Übertragung von Daten (z.B. Musik), wie z.B. die CD, DVD, Mp3-Player und i-Pod entwickelt, so dass man immer und überall Musik hören und Daten abrufen kann.

Auch der Hörfunk wandelte sich dadurch. Man suchte nach Möglichkeiten einer digitalen Übertragungsform und entwickelte dabei – neben DRM (Digital Radio Mondiale) und Hörfunk über Satellit – den terrestrischen Hörfunk DAB – Digital Audio Broadcasting. Als Referenz in der Audioqualität gilt die Compact Disk (CD). Erste Begegnungen mit der DAB-Technologie eröffneten sich auf Messen und Ausstellungen. Heute wird DAB unter dem Namen Digital Radio vermarktet und beinhaltet sowohl lokale als auch regionale Sender.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der digitalen Hörfunktechnik DAB. Ausgehend von Ausführungen zu der Geschichte des Hörrundfunks in Deutschland, sowie einem Einblick in die analoge UKW-Technik, wird die technische Umsetzung von DAB beschrieben. Dabei fungieren die Kriterien Aufbau, Übertragung und Empfang als Hauptbestandteil der Arbeit. Im Zuge dieser Kriterien wird auf die Probleme und Hindernisse in der Entwicklung und technischen Umsetzung von DAB, sowie deren Lösung eingegangen. Abschließend wird Bezug zu Senderstandorten und Sendernetzbetreiber in Deutschland und Baden-Württemberg genommen. Zur akustischen Ergänzung und Veranschaulichung dieser Ausführungen ist beiliegend eine CD zu finden, die an der entsprechenden Stelle im Text mit Verweis der Tracknummer abgespielt werden kann. Die Erkenntnisse dieser Arbeit sollen vor allem der Förderung des Bekanntheitsgrades von Digital Radio dienen, sowie einen tiefergehenden Einblick in die technischen Hintergründe geben.

2 Das analoge Übertragungssystem im Hörrundfunk

2.1 Die Entwicklung des Hörrundfunks in Deutschland

Der Meilenstein für die weltweite Entwicklung des Hörrundfunks wurde vor über 120 Jahren (1887) durch die Entdeckung der elektromagnetischen Wellen des Physikers Heinrich Hertz gelegt.^[3] „Das Zeitalter der Übertragung von Audiosignalen für Rundfunkzwecke begann [in Deutschland erst] im Jahre 1923 mit dem Mittelwellenrundfunk (AM).“^[4] Am 29. Oktober 1923 wurde die erste Sendung des Unterhaltungsrundfunks vom VOX-Haus in Berlin ausgestrahlt.^[5] Zu diesem Zeitpunkt arbeitete man mit „250W Sendeleistung auf 400m“^[6] Übertragungsweg. Eine flächendeckende Versorgung für das Berliner Stadtgebiet war somit nicht möglich. Daher lag seit Beginn der Entwicklung dieses neuen Mediums das Hauptaugenmerk auf der Verbesserung der Hörrundfunkversorgung.

„Bereits 1924 betrug die Reichweite der Mittelwellensender […] mehr als 100 km.“^[7] Durch den Reichweitengewinn wurde die Koordination der Sendefrequenzen erforderlich.^[8] Deutschland wurden im Wellenplan von 1926 23 Frequenzen zugesprochen, die jedoch bei weitem nicht ausreichten, aufgrund dessen die ersten technischen Versuche für den Gleichwellenbetrieb unternommen wurden.^[9]

Während der NS-Zeit unterlag der Hörrundfunk einer strengen Diktatur und wurde zu Propagandazwecken eingesetzt ^[10], weshalb „nach Ende des zweiten Weltkrieges […] Deutschland nur noch wenige Mittelwellenfrequenzen zugeteilt [wurden], womit eine flächendeckende Versorgung unmöglich wurde.“^[11] Um diesen Nachteil auszugleichen, wurde 1949 erfolgreich an Vorkriegsversuche mit Ultrakurzwellen (UKW) angeknüpft, wodurch die ersten westdeutschen Städte über den qualitativ besseren Hörfunkservice – nämlich UKW – verfügten. „Bereits 1954 gab es in der BRD eine flächendeckende Versorgung mit je zwei UKW-Programmen.“^[12] In den 70er Jahren folgte dann schließlich auch die DDR. Seitdem „strahlen die meisten der öffentlich-rechtlichen Landesrundfunkanstalten vier bis fünf UKW-Programme aus. Hinzugekommen sind noch die Senderketten der landesweiten und lokalen privaten Anbieter.“^[13]

Die Digitaltechnik hielt in den 80er Jahren ihren Einzug in den Hörfunk. Eine wichtige Neuerung im Zuge dessen war im Jahre 1988 die Einführung des Radio-Data-Systems (RDS). Durch RDS wurde nicht nur die Kennzeichnung von Verkehrsdurchsagen ermöglicht, sondern auch das Informationsspektrum um „für die Empfängerbedienung nützliche Informationen […], zum Beispiel Sendernamen, Programmart […], Radiotext, aber auch digital kodierte Verkehrsmeldungen im Traffic Message Channel (TMC)“^[14] erweitert.

Die technische Entwicklung im Hörrundfunk wurde und wird ständig vorangetrieben. Der mehrfach erweiterte Frequenzbereich, der mittlerweile nahezu weltweit auf 87,5 bis 108 MHz standardisiert wurde, ist in Deutschland seit 1996 uneingeschränkt nutzbar. Heute, im Jahr 2009, gibt es bereits drei Übertragungssysteme (Satellit, Kabel, Terrestrik), sowie weitere Nutzungswege wie Internetradios und Podcasts.

2.2 Das analoge UKW-Verfahren

Die analoge Übertragung setzt sich zusammen aus der Produktion des Tons, dem Sendesignal, der Ausstrahlung und dem Empfang dieses Signals. Dabei wird zwischen der Amplitudenmodulation (AM), die in der Lang-, Mittel- und Kurzwellentechnik zum Einsatz kommt und der Frequenzmodulation (FM), die bei der UKW- (Ultrakurzwelle) Technik verwendet wird, unterschieden.^[15]

„UKW erlaubt als einziges analoges terrestrisches Medium die Übertragung von Radioprogrammen in Hifi-Stereoqualität und bietet eine Reihe nützlicher Zusatzfunktionen, begonnen bei RDS bis zum Radiotext an.“ ^[16] Jedoch ist die Reichweite (bei Hauptsendern ca. 100 km) sehr stark vom Senderstandort abhängig. Der Sender muss sich daher entweder auf einer natürlichen Anhöhe (Berg) befinden oder es müssen hohe Funktürme installiert werden.

Das sich Jahrzehnte lang bewährte analoge UKW-System bietet aufgrund seiner Systemtechnologie wenige Entwicklungsmöglichkeiten. „Frequenzen für neue Anbieter sind nach 50 Jahren intensiven Ausbaus nicht mehr vorhanden. Der UKW-FM-Rundfunk kann somit weder quantitativ noch qualitativ verbessert werden.“^[17]

3 Einführung in Digital Audio Broadcasting (DAB)

3.1 Geschichte von DAB

Seit der 1980er Jahre widmen sich Forscher vermehrt der Entwicklung eines digitalen Nachfolgesystems für den bis zu diesem Zeitpunkt vorherrschenden UKW-Rundfunk. Das Ziel war, ein System zu entwickeln, das störungsfreien mobilen, portablen und stationären Empfang in CD-Qualität gewährleistet. Daneben sollten vor allem Erkenntnisse über die technischen Rahmenbedingungen, sowie möglicher Nutzungsformen gewonnen werden.^[18]

Zu Beginn der 1990er Jahre wurde DAB als eine neuartige Technologie im Hörrundfunkwesen im Rahmen der europäischen Forschungsinitiative EUREKA-147 entwickelt. Das Projekt konzipiert „DAB als Hörfunksystem zur Ausstrahlung über Terrestrik (T-DAB) und Satellit (S-DAB).“^[19] „DAB setzte revolutionär auf die neuen Techniken MPEG-1- und MPEG-2-Audio und auf das Modulationsverfahren COFDM – Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex.“^[20] Nach weiterer Entwicklungsarbeit starteten im Jahr 1995 in Deutschland – pünktlich zur Internationalen Funkausstellung – die ersten DAB-Pilotprojekte.^[21] Zu dieser Zeit wurden auch die „Standards zum Digitalen Fernsehen DVB-S, DVB-C und DVB-T im Rahmen von Digital Video Broadcasting abgeschlossen,“^[22] wodurch das Zeitalter des digitalen Fernsehens eingeleitet wurde. Obwohl 1997 auf der Internationalen Funkausstellung in Berlin der Startschuss für die Markteinführung – unter dem eingängigeren Namen Digital Radio – in Deutschland fiel ^[23], ist DAB in vielen Ländern in der Öffentlichkeit relativ unbekannt. „Nur in wenigen Ländern wie z.B. in UK kann man tatsächlich von einem gewissen Erfolg von DAB im Markt sprechen.“^[24]

„Bis Mitte 1998 brachten die wichtigsten Hersteller der Unterhaltungselektronik die ersten DAB-Radios in den Handel.“^[25] Das vom Forschungsprojekt EUREKA-147 entwickelte DAB-System setzt sich von nun an in immer mehr Staaten durch. Heute ist DAB ein „auf digitaler Technologie [basierender,] […] ausgereifter, in Europa entwickelter und weltweit verbreiteter Standard für die terrestrische Übertragung von Hörfunkprogrammen.“^[26]

3.2 DAB im Überblick

Auch wenn DAB zunächst mit Hörrundfunk assoziiert wird und auch als solcher in erster Linie ausgelegt ist, werden neben „Musik und Sprache auch Texte, Bilder, Software und multimedial aufbereitete Informationen“^[27] übermittelt. Im Folgenden soll ein kurzer Überblick über DAB gegeben werden.

Bei DAB handelt es sich um ein digitales Übertragungssystem, bei dem die Übertragungskapazität zwischen 0,8 und 1,65 MBit/s liegt. Die Signale werden stets in Blöcken übertragen, die sechs bis acht Hörfunkprogramme mit sowohl programmabhängigen (PAD) als auch programmunabhängigen Datendiensten (Non-PAD) beinhalten.^[28] Darüber hinaus wird eine Quellencodierung der Audiosignale nach dem MUSICAM- (Masking Pattern Adapted Universal Subband Integrated Coding and Multiplexing-) Prinzip vorgenommen, um eine effektive Übertragung zu gewährleisten, sowie Fehlerkorrekturverfahren (Kanalcodierung) angewandt, die eine problemlose terrestrische Übertragung ermöglichen und optimale Empfangsqualität am Endgerät gewährleisten.^[29]

Bei der Sendung werden alle Angebote (Audio, PAD, Non-PAD) in einem DAB-Multiplex zusammengefasst, das als Modulationssignal für das Übertragungsverfahren COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex) dient. Anschließend wird das Signal auf die Sendefrequenz umgesetzt und ausgestrahlt.

Bei DAB besteht die Möglichkeit, die Bitraten für die Audiosignale und Datendienste den jeweiligen Erfordernissen anzupassen, so dass ein dynamisches Bitraten-Management möglich ist. DAB wurde speziell für den Frequenzbereich ^[30] von 30 MHz bis 3 GHz entwickelt und wird europaweit bei der terrestrischen Ausstrahlung im VHF-Band III und dem L-Band gesendet, sowie per Satellit.

4 Aufbau von DAB – Codierung

Der Grundbaustein für die digitale Übertragung im Rundfunk wurde mit der Entdeckung von Silizium im Jahre 1823 durch J. J. Berzellus gelegt. Mit der Erfindung des Gleichrichtereffekts (1874, Ferdinand Braun) und des Transistors (1947, Bardeen/Brattin/Shockley) wurde die Entwicklung der Halbleitertechnik ^[31] vorangetrieben und die Voraussetzungen der digitalen Übertragungswege mittels Glasfaserkabel und Satellit gelegt.^[32] Die Basis zur Übertragung, Speicherung und Verarbeitung von Nachrichten bildet die Codierung. Digital Audio Broadcasting baut auf drei Codierungsverfahren auf: ^[33]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Codierungsverfahren

4.1 Quellencodierung – MUSICAM

Digitale Daten werden in immer größer werdendem Umfang übertragen und gespeichert. Dabei ist das Datenvolumen der entscheidende Kostenfaktor. Durch die Quellencodierung, die die Datenmenge verlustfrei reduziert, kann sowohl die zur Übertragung benötigte Rechenleistung gesenkt werden, als auch die Kosten.

Mit Hilfe der Quellencodierung soll aus einem analogen Eingangssignal ein für DAB verwendbares digitales Signal gewonnen werden, das daraufhin mit dem MUSICAM-(Masking pattern adapted Universal Subband Integrated Coding And Multiplexing) Verfahren datenreduziert wird, um das auf diese Weise erzeugte Signal mit der Kanalcodierung fehlerschützen zu können.

Die Quellencodierung erfordert ein unkomprimiertes analoges Eingangssignal mit der Abtastfrequenz 48 kHz und eine Quantisierung von 16 Bit pro Abtastwert.^[34] Damit ergibt sich bei einem Stereoprogramm ein Datenstrom von 1536 kbit/s (48 kHz · 16 Bit · 2). Um die analogen Ausgangssignale für DAB nutzen zu können, müssen diese zunächst in eine Reihe digitaler Momentanwerte umgewandelt werden, um sie daraufhin in den digitalen Informationseinheiten 0 und 1 darstellen zu können. „Je mehr Momentanwerte vom analogen Ausgangssignal gewonnen werden, umso exakter entspricht das digitale Ebenbild dem analogen Original.“^[35] Die Quantisierung der analogen Signale ist ein zweidimensionaler Prozess, der sowohl auf die Signalpegel (u) als auch auf die Zeit (t) Bezug nimmt.^[36] Die Umwandlung erfolgt in drei Schritten:

[...]

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^[1] http://www.dra.de/online/hinweisdienste/wort/1998/oktober29.html#hoerzitat (eingesehen am 06.06.09).

^[2] Rundfunk bezeichnet die Übertragung von Informationen (z.B. Bilder, Ton, Text) über elektromagnetische Wellen an die Öffentlichkeit. Zum Rundfunk gehören sowohl der Hörrundfunk (Radio) als auch das Fernsehen. Im Folgenden wird der Begriff 'Rundfunk' stets in Verbindung mit Hörrundfunk verwendet.

^[3] Vgl. Manfred Kühn: Der digitale terrestrische Rundfunk. Grundlagen, Systeme und Netze, Heidelberg/München/Landsberg/Berlin 2008, S. 1.

^[4] Walter Fischer: Digitale Fernsehtechnik in Theorie und Praxis. MPEG-Basiscodierung, DVB-, DAB-, ATSC-Übertragungstechnik, Messtechnik, Berlin/Heidelberg 2006, S. 455.

^[5] Vgl. Kühn, S. 2 und CD Track 1. Der Sendeplan der ersten Rundfunksendung vom 29.10.1923 ist im Anhang, Kapitel 10.1, zu finden.

^[6] Thomas Riegler: Meilensteine des Rundfunks. Daten und Fakten zur Entwicklung des Radios und Fernsehens, Baden-Baden 2006, S. 18.

^[7] Kühn, S. 2.

^[8] Vgl. ebd.

^[9] Vgl. ebd und CD Track 2.

^[10] CD Track 3 und CD Track 4.

^[11] Benjamin Wendt: Die Zukunftsperspektive von Digital Audio Broadcasting (DAB) in Mitteldeutschland im Spiegel der Entwicklung des europäischen Digitalradio-Marktes, Diplomarbeit, Hochschule Mittweida (FH), Mittweida 2007, S. 20.

^[12] Thomas Lauterbach: Digital Audio Broadcasting. Grundlagen, Anwendungen und Einführung von DAB, Feldkirchen 1996, S. 18.

^[13] Ebd. und CD Track 5.

^[14] Ebd., S. 19.

^[15] Vgl. Wolf Siebel / Günter Lorenz: Rundfunk auf UKW, Meckenheim 1991, S. 163.

^[16] Thomas Riegler: Digital-Radio. Alles über DAB, DRM und Web-Radio, Baden-Baden 2004, S. 35.

^[17] Kühn, S. 227.

^[18] Vgl. Henner Faehndrich: DAB-Pilotprojekt Baden-Württemberg. Abschlussbericht, Stuttgart 1998, S. 21. CD Track 6.

^[19] Wendt, S. 28. CD Track 7.

^[20] Fischer, S. 455. Siehe zu COFDM Kapitel 4.3.2.

^[21] Am 25. August 1995 startete das DAB-Pilotprojekt in Baden-Württemberg (Stuttgart). Vgl. Faehndrich, S. 38.

^[22] Fischer, S. 455.

^[23] Das Bundeskabinett beschloss am 17.12.1997 die Initiative Digitaler Rundfunk, mit Beteiligung von Bund, Ländern, Industrie und Verbrauchern.

Vgl. Dirk Höcker: Digital Audio Broadcasting (DAB), Würzburg 2004, S. 12. CD Track 8.

^[24] Fischer, S. 455.

^[25] Höcker, S. 12.

^[26] Thomas Riegler: DAB. Das neue digitale Radio, Baden-Baden 2005, S. 9.

^[27] Ebd.

^[28] Zu den Datendiensten siehe Kapitel 5.2.

^[29] Vgl. Wendt, S. 28. Zur Quellencodierung siehe Kapitel 4.1 und zu COFDM siehe Kapitel 4.3.2.

^[30] Zum Frequenzbereich siehe Kapitel 6.4.

^[31] Die Halbleitertechnik ist ein Teilgebiet der Elektrotechnik und befasst sich mit der Herstellung mikroelektronischer Bauelemente und mikroelektronischer Baugruppen (elektronische Schaltungen) aus Halbleitermaterialien. Unter einem Halbleiter versteht man einen Festkörper (z.B. Silizium), den man hinsichtlich seiner elektrischen Leitfähigkeit sowohl als Leiter als auch als Nichtleiter betrachten kann.

^[32] http://www.elektronik-kompendium.de/sites/grd/1011021.htm (eingesehen am 22.06.09).

^[33] Vgl. ebd., S. 30.

^[34] Vgl. Kühn, S. 229.

^[35] Riegler: DAB, S. 13.

^[36] Vgl. Kühn, S. 55.