Audio-Verarbeitung im Rundfunk

Es ist schon lange her, daß im Studio ein Mikrofon stand, das über (analoge) Kabel und (analoge) Verstärker direkt mit dem Sender verbunden war. Der nächste Schritt war dann die analoge Speicherung von Audio-Signalen, wodurch dann auch andere Sendungen als nur Life-Übertragungen möglich wurden.

Heute ist das "analoge Zeitalter" im Rundfunk vorbei. Audio-Signale werden nur noch digital verarbeitet und auch digital gespeichert.

• Digitalisierung bedeutet zuerst eine Entnahme von Stichproben (oder Stützwerten) aus dem kontinuierlichen Signal, die zu äquidistanten Zeitpunkten zu erfolgen hat. Dies ist dann ein (in der Amplitude) analoges aber Zeit-diskretes Signal. Ist die entsprechende Abtastfrequenz f_A höher als das Doppelte der höchsten in dem Audio-Signal vorkommenden Frequenz f_max  
  (f_A > 2f_max), so kann gemäß einem Theorem von Shannon das originale analoge Signal exakt wieder zurückgewonnen werden.
• Der zweite Schritt ist die Quantisierung der Amplituden der Stützwerte. Da nur endlich viele Quantisierungsstufen gewählt werden, hat man nun ein digitales Signal.
• Der dritte Schritt ist die Darstellung der jeweiligen Quantisierungsstufen, was üblicherweise mit Bits und Bytes geschieht. Beispielsweise sind das N=16 Bit bei einer CD für jeden Stützwert.

Die zu übertragende Datenrate für eine CD (in Stereo) ist damit f_A * N * 2 = 44100*16*2 Bit/sec = 1,4112 MBit/sec. Die notwendige Bandbreite für die Übertragung wird dadurch größer als 1,5 MHz bei maximaler Verrundung der Bits (die dann keine Rechteck-Form mehr haben). Das ist die Breite des gesamten Mittelwellen-Bandes!

Aus den Zahlenwerten ist zu erkennen, daß die Datenraten zu reduzieren sind, wenn im Rundfunk eine Digitalübertragung (oder eine digitale Speicherung von Audiosignalen) sinnvoll angewendet werden soll. [Das ehemalige "Digitale Satelliten Radio, DSR" hatte eine ähnlich hohe Datenrate von 44100*14*2 Bit/sec =1,2348 MBit/sec, weshalb es auch nicht "überlebt" hat.]

Datenraten reduzieren kann man entweder "verlustfrei", wobei redundante Teile weggelassen werden, die anschließend weider zurückgewonnen werden können, wie z.B. bei der ZIP-Archivierung. Die Reduktionsfaktoren sind dabei meist mäßig.

Man kann aber auch Datenraten "verlustbehaftet" reduzieren, wobei dann irrelavante Teile (auch noch) weggelassen werden, wodurch viel größere Reduktionsraten entstehen. Man bekommt aber anschließend das Original nicht wieder zurück.

Das kann man sich logischerweise nur dann erlauben, wenn der Empfänger der Nachricht (hier also das Ohr) das nicht merkt. Die Kunst der Audio-Kompressionsverfahren besteht aber genau darin.

Beim Rundfunk wird ein Audio-Kompressionsverfahren nach MPEG Layer 2 (MPEG moving pictures expert group) angewendet, das die Eigenschaften des Ohrs ausnutzt. 

Bei den UKW-FM Sendern wird meist zusätzlich ein weiteres Verfahren eingesetzt, das die Dynamik reduziert und die Phasenlagen aller Obertöne so dreht, daß ein geringer Crestfaktor des Signals entsteht.

In der Anlage wird auf die einzelnen Punkte näher eingegangen.

1 Einleitung
1.1 Kompressionsverfahren
1.1.1 Kompression bei Telefon–Signalen
2 MPEG Audio–Kompressionsverfahren
2.1 Eigenschaften des Gehörs
2.1.1 Verdeckung bei Dauersignalen
2.1.2 Vor– und Nach–Verdeckung
2.1.3 Lautheit und Tonheit
2.1.4 Frequenz–Gruppen
2.1.5 Skalen der Basilarmembran
2.2 MPEG–Audio–Kompression
2.2.1 MPEG 2 Audio–Codierung
3 Kaskadierung von Strecken mit MPEG–Codierung
4 Audioprocessing am UKW–Sender

Audio im Rundfunk (PDF 514 KB)

Zu Lautstärke und  Lautheit

Für RM Mitglieder: Wie wir hören Test-CD für Digitalisierung und Datenreduktion

MfG DR

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