Funktechnik: digital vs. analog

Funktechnik: digital vs. analog

Marc Henshall | May 13, 2015

Seit geraumer Zeit bietet  der Markt digitale Funkstrecken. Doch wo liegt denn der Unterschied zu  ihren analogen Kollegen und welche Vorteile (aber auch Nachteile)  ergeben sich durch diese „neue“ Technologie?

Analoge Funksysteme arbeiten mit der Frequenzmodulation (FM). Dabei  wird die Frequenz des Hochfrequenzträgers mit dem Audiosignal moduliert.  D. h. die Trägerfrequenz „driftet“ im Rhythmus des Audiosignals ständig  nach oben und unten ab (siehe Bild). Bei der Funk-Übertragung können  nun Störungen auf das Signal einwirken. Das HF-Signal wird verrauscht,  was sich bei der Demodulation wiederum durch ein verrauschtes  Audio-Signal bemerkbar macht.

Bei einem digitalen Funkmikrofon wird das analoge Audiosignal der  Mikrofonkapsel erst digitalisiert. D. h. das kontinuierliche Signal wird  mit einem bestimmten Takt (44,1 oder 48 kHz) und Bit-Tiefe (16 oder 24  bit) abgetastet. Damit liegt das Audiosignal digitalisiert in „1“ und  „0“ vor. Nun müssen diese 1er und 0er auf das Trägersignal aufmoduliert  werden. Drei Größen der Trägerfrequenz können beeinflusst werden:

ASK – Amplitude Shift Keying: 1 bedeutet hohe Amplitude, 0 k(l)eine Amplitude

FSK – Frequency Shift Keying: 1 bedeutet hohe Frequenz, 0 niedrige Frequenz

PSK – Phase Shift Keying: 0 bedeutet positive Phase, 1 invertierte Phase

In der Praxis kommt die die PSK am häufigsten vor (wie auch bei  dem ULX-D Funksystem). Dabei wird aber die Phase üblicherweise in mehr  als nur zwei Phasenlagen eingeteilt. Bei der 4PSK werden 4 Phasenlagen  genutzt.

Machen wir mal ein Beispiel, damit das ganze etwas greifbarer wird.  Wir nehmen das 8bit Wort 10110001 und teilen es in die 4 Bestandteile:  10, 11, 00, und 01. Damit haben wir schon alle 4 Möglichkeiten die  auftreten können. Nun weisen wir den 4 Möglichkeiten den Phasenwinkel  zu:

00 -> 45°

01 -> 135°

10 -> 225°

11 -> 335°

Bei der FSK (die beim GLX-D Funksystem genutzt wird) kann man diese  ebenfalls in mehrere Bits zusammen fassen. Wie oben nehmen wir wieder  zwei bits zusammen und kommen so auf die 4FSK:

00 -> 1/4 f

01 -> 2/4 f

10 -> 3/4 f

11 -> 4/4 f

(Diese Frequenzaufteilung gilt nur zur Veranschaulichung. Die Frequenzsprünge liegen bei wenigen kHz.)

Bei der Übertragung des PSK oder FSK Signals treten natürlich  ebenfalls Störungen auf. Im folgenden Bild wird dies bei der FSK plus  Rauschen angedeutet. Der Empfänger erkennt aber die Phasenlage bzw. die  Frequenz des Signals und reproduziert daraus die digitalen Daten. Das  Rauschen wird dadurch nicht mit empfangen.  

Das im Empfänger demodulierte (digitale) Signal ist also eine  100%-ige Reproduktion des gesendeten Signals. Das führt zu einem  störungsfreieren,  besseren Audio-Signal als bei der analogen  Signalübertragung und dies ist unabhängig von der Reichweite bzw. Stärke  des empfangenen Funk-Signals. Ein passender Vergleich des analogen  Funksystems ist das Radio Hören im Auto. Im Sendebereich ist ein  rauschfreier Empfang möglich. Wird aber der Sendebereich verlassen, wird  das Audiosignal mehr und mehr verrauscht – bis letztendlich nur noch  Rauschen vorhanden ist. Genau so verhält sich ein analoges Funksystem.

Bei der digitalen Übertragung tritt eine Beeinflussung des  Audiosignals bei höherer Reichweite nicht auf. Erst wenn der Empfang  derart schlecht ist, dass die Phasenlage bzw. der Frequenzunterschied  nicht mehr erkannt wird (bzw. die eingebaute Fehlerkorrektur die  verlorenen bits nicht wieder berechnen kann) beeinträchtigt dies die  Klangqualität – allerdings in der Form, dass gar nichts mehr zu hören  ist. Auch in dieser Hinsicht ist also eine digitale Funkstrecke  „digital“. Entweder gutes Audiosignal – oder gar kein Audiosignal.  Dazwischen gibt es nichts.

Eine weitere wichtige Option eines digitalen Funksystems ist die  Möglichkeit das Signal zu verschlüsseln. Gerade in abhörkritischen  Anwendungen wie Vorstands-Sitzungen wird dies immer wieder gefordert.  Manches digitale System wie das ULX-D bietet eine AES256  Verschlüsselung, die als absolut sicher gilt. Damit ist ein  abhörsicheres Signal gewährleistet und Empfänger erkennen „ihr“  Trägersignal wodurch auch ein eventuelles Übersprechen von anderen  Kanälen verhindert wird.

Ebenfalls kann ein digitaler Empfänger Trägerfrequenzen von  Intermodulationen unterscheiden. Somit kann eine wesentlich höhere  Kanalanzahl erzielt werden. Sehr interessant in dieser Hinsicht ist der  „HD-Modus“ der ULX-D Systeme. Hier können die einzelnen Trägerfrequenzen  in einem festen Raster von 125 kHz eingestellt werden. Dies wäre für  analoge Funksysteme der absolute „worst case“, denn in diesem Fall  würden Übersprechungen der einzelnen Kanäle auftreten. In diesem  HD-Modus können also in einem TV Kanal von 8 MHz 63 Kanäle untergebracht  werden. Allerdings wird hier auch die Sendeleistung reduziert – und  damit die Reichweite auf etwa 30 m begrenzt. Darüber hinaus steigt auch  die Latenz.

Und hier sind wir bei den Nachteilen eines digitalen Funksystems  angelangt: die Latenz. Insbesondere die Rückwandlung eines digitales  Signals in ein analoges benötigt Zeit. Bei unkritischen Anwendungen –  wie beispielsweise bei Freisprecheinrichtungen mittels Bluetooth –  werden durchaus Latenzen von 200 ms erreicht. Diese Latenz ist natürlich  viel zu hoch für Musikanwendungen – oder auch Videoanwendungen bei  denen Lippensynchronität erforderlich ist. Deswegen muss bei digitalen  Funksystemen auf eine möglichst geringe Latenz geachtet werden.

Das Hochwertige ULX-D System weist eine Latenz von 2,9 ms (3,2 ms im  HD-Modus) auf und das GLX-D System, je nach Modus, von 4 ms bzw. 7,3 ms.  Diese Verzögerungen sind so gering, dass sie im üblichen Live-Betrieb  nicht auffallen. Erst wenn Latenzen von über 10 ms auftreten wird dies  vom menschlichen Gehör wahrgenommen. Bei vielen Wandlungen in der  Signalkette summieren sich diese Latenzen auf – und das kann dann  insbesondere bei Verwendung von In-Ear Monitoring doch mal eine  kritische Grenze erreichen. Um eventuelle weitere Wandlungen zu  vermeiden, bietet ULX-D gleich eine DANTE Schnittstelle, um das digitale  Audio in die Signalkette zu integrieren.

(Anmerkung: auf Latenz reagieren Musiker recht unterschiedlich. Was  für den einen schon ein „No Go“ ist wird von anderen noch nicht einmal  wahr genommen.)

Eingemachtes:

Bei den üblichen 48 kHz wird also 48000 mal pro Sekunde das  Mikrofon-Signal „gemessen“. Die Bit-Tiefe gibt an wie viele  „Rasterungen“ zwischen dem leisesten Signal und dem lautesten Signal  liegen. Bei 24 Bit sind das 2^24 also  16.777.216.

Das leiseste Signal ist: 000000000000000000000000

Das lauteste Signal ist: 111111111111111111111111

Bei einer Abtastfrequenz von 48 kHz und Bit-Tiefe von 24 bit bekommen  wir also: 48.000 * 24 = 1152000 bit pro Sekunde. Dies führt zu einem  sehr hohen Datenstrom was zu einer sehr hohen Bandbreite des  Frequenzspektrums  führen würde und damit zu einer geringen Anzahl  kompatibler Kanäle. Deswegen werden die Daten bei digitalen Funksystemen  komprimiert. Das kennen wir sehr gut aus der der Welt von mp3 und Co.  Doch welches Kodierungsverfahren nun genau in welcher Funkstrecke steckt  – das ist natürlich Betriebsgeheimnis. Nur so viel: „Hearing is  believing“

Marc Henshall

Marc forms part of our Pro Audio team at Shure UK and specialises in Digital Marketing. He also holds a BSc First Class Hons Degree in Music Technology. When not at work he enjoys playing the guitar, producing music, and dabbling in DIY (preferably with a good craft beer or two).