Zur "Lebensdauer" von Übertragungsverfahren im Rundfunk

Anläßlich der Abschaltung der Langwellensender von Deutschlandradio zum 31. Dezember 2014 werden hier einige grundsätzliche Überlegungen ausgeführt.

Warum sind beim Rundfunk analoge Übertragungsverfahren so langlebig, während digitale Verfahren dagegen ziemlich kurzlebig sind, wie zahlreiche Beispiele gezeigt haben?
Diese Frage stellt sich im Zusammenhang mit den aktuellen Abschaltungen von Rundfunksendern in den Langwellen- Mittelwellen- und Kurzwellen-Bereichen, sowie den (immer wieder) angekündigten Abschaltungen des UKW-Bereichs

Hierzu zunächst einige physikalische Überlegungen.

Da man aufgrund des (sonst notwendigen) technischen Aufwandes weder Audiosignale noch Videosignale in deren eigenem Frequenzbereich übertragen kann, müssen zur Übertragung Audio- und Video-Signale einer hochfrequenten Trägerschwingung aufgeprägt (moduliert) werden. Die Art und Weise sowohl der Modulation, als auch der (ggf. notwendigen) Vor-Verarbeitung der (allgemein gesprochen) Nachrichtensignale (anläßlich der Modulation) begründet die Unterschiede, die sich schließlich in der Lebensdauer der Übertragungsverfahren bemerkbar machen.

Grundsätzliches zur Modulation

Ein hochfrequentes Trägersignal ist grundsätzlich eine (einzelne) Cosinusschwingung. u_T(t) = A cos(ωt + φ)
Zum Zwecke der Modulation kann das Nachrichtensignal u_N(t) das Trägersignal an genau 3 Stellen beeinflussen.
1. A → A(u_N(t)) : Amplituden-Modulation (AM)
2. ω → ω(u_N(t)) : Frequenz-Modulation (FM)
3. φ → φ(u_N(t)) : Phasen-Modulation (PM)

Bezüglich des Trägersignals gibt es keine weiteren Möglichkeiten der Einwirkung. Zudem zeigt eine genauere Analyse, daß Frequenz- und Phasen-Modulation sehr eng mit einander „verwandt“ sind.
(Ein Phasen-Modulator liefert eine Frequenz-Modulation, wenn das Nachrichtensignal zuvor durch einen Tiefpaß (genauer: Integrierer) geschickt wird. Anwendung fand das bei den frühen UKW-Sendern nach dem Armstrong-Verfahren.)

Analoge Audio-Übertragung (AM oder FM)

Bei der analogen Audio-Übertragung (AM Rundfunk im LMK Bereich oder FM Rundfunk im UKW Bereich) wurden stets die gleichen Prinzipien verwendet: Der HF-Träger wurde entweder in seiner Amplitude proportional zum (analogen) Audio-Signal beeinflußt (AM) oder er wurde in seiner (momentanen) Frequenz proportional zum (analogen) Audio-Signal beeinflußt (FM).
Die Prinzipien blieben somit stets unverändert.
Geändert hat sich „nur“ die technische Realisierung dieser Prinzipien (technischer Fortschritt), sowohl auf der Sender-Seite, als auch auf der Empfänger-Seite. Das letztere macht wohl den Reiz des Radio-Sammelns aus.
Man kann also mit dem ältesten Empfänger eine Sendung empfangen, die vom (technisch) modernsten Sender ausgestrahlt wird. Das entspricht der beim Rundfunk (bislang) stets beachteten Forderung nach Kompatibilität, wonach jegliche technische Verbesserung so gestaltet sein muß, daß bisherige Empfangsgeräte weiter verwendet werden können.
Als z.B. im UKW Rundfunk die Stereo-Übertragung eingeführt wurde, konnten bisherige Empfänger (wie zuvor schon auch) das Summensignal empfangen. Das heißt, für bisherige Empfänger hat sich de facto nichts verändert. Oder anders ausgedrückt, ihre Lebensdauer war durch  die Einführung von Stereo nicht beendet.
Das Gleiche gilt für die Einführung des Radio-Daten-Service (RDS) im UKW Bereich, wodurch sich keinerlei Störung der bisherigen Übertragung ergeben durfte.
Aufgrund von RDS ist der UKW Rundfunk tatsächlich ein hybrider Dienst, analog und digital.

Analoge Video-Übertragung

Während ein (analoges) Audio-Signal eine „eindimensionale“ Zeitfunktion darstellt, ist eine optische Information zunächst „zweidimensional“ (Breite * Höhe). Aus technischen Gründen (Aufwand) muß diese Information mit Hilfe eines „eindimensionalen“ Signals übertragen werden. Das geht natürlich nicht „verlustfrei“, was bedeutet, daß tatsächlich nur ein kleiner Teil der ursprünglichen Information übertragen wird.
Das das überhaupt zufriedenstellend funktioniert, liegt daran, daß sich das Auge „täuschen“ läßt. Hier kommt also ein neuer Gesichtspunkt hinein: Es braucht nichts übertragen zu werden, das der „Empfänger“ sowieso nicht bemerkt oder vermißt. (Von diesem Prinzip machen alle digitalen Übertragungsverfahren reichlich Gebrauch, wie noch zu erläutern ist.)
Bereits beim frühen Kino wurde bekanntlich der „Nachleucht-Effekt“ des Auges (bzw. der dahinter liegenden Auswertung im Gehirn) ausgenutzt. Wenn die einzelnen Bilder nur in genügend rascher Zeitfolge gezeigt werden, hat man den Eindruck eines kontinuierlichen Verlaufs – und dabei sitzt man die meiste Zeit tatsächlich im Dunkeln.
Dieser „Stroboskop-Effekt“ ist also ein wesentliches Prinzip auch bei der Video-Übertragung per Funk. Da aber das Bild hierbei nicht zweidimensional übertragen werden kann, muß es in einzelne Zeilen aufgelöst werden, die hinter einander zu übertragen sind. Das muß nun insgesamt so schnell erfolgen, daß wiederum der Eindruck eines kontinuierlichen Verlaufs entsteht.
Aufgrund der Tatsache, daß die Video-Übertragung vom Grundsatz her „verlustbehaftet“ ist, gibt es einige Freiheitsgrade bei der Festlegung, wie groß diese Verluste sein können – damit der Fernsehzuschauer die Übertragung rein technisch noch akzeptiert. Folglich entwickelte sich im Laufe der Zeit regional (und Länder-spezifisch) eine bunte Palette von analogen Fernseh-Normen.
Aber auch beim analogen Fernsehen wurde (innerhalb jedes dieser Systeme) auf Kompatibilität geachtet, als man von der schwarz-weiß zur Farb-Übertragung überging, so daß die bisherigen S/W Geräte weiterhin verwendet werden konnten.

Digitale Audio-Übertragung

Sieht man ab von der ISDN Übertragung beim Telefon, so beginnt die digitale Audio-Übertragung mit der Einführung der CD. Rein formal ist eine solche CD tatsächlich auch ein „Übertragungs-Medium“ (auf welchem die Signale in „eingefrorenem“ Zustand „übertragen“ werden können).
Auf der CD sind die Audio-Signale als Abtastwerte (in 16 Bit Auflösung) gespeichert. Nach Shannon ist diese Abtastung dann verlustfrei, wenn die Abtastfrequenz f_A größer als die doppelte Grenzfrequenz des Audio-Signals gewählt wird. (f_A = 44,1 kHz) Die Quantisierung aufgrund der Bit-Auflösung stellt im Prinzip einen „Verlust“ dar, der sich jedoch nur in einem praktisch nicht mehr wahrnehmbaren Rauschen auswirkt.

Das erste digitale Übertragungsverfahren im Rundfunk (Digitaler Satelliten Rundfunk, DSR) verwendete tatsächlich ein Verfahren, das dem auf der CD sehr ähnlich war. Dieses wurde seinerzeit von der Telekom als Betreiber des Satelliten stark beworben. Praktisch jede Firma, die „etwas auf sich hielt“ produzierte einen DSR Empfänger. Und in der Tat, der Empfang, d.h. die Qualität des empfangenen Audio-Signals, war hervorragend. Viele Audio-Enthusiasten schafften sich eine (damals recht teure) DSR Empfangsanlage an.
Nur, an einem schönen Neujahrsmorgen war die DSR Übertragung plötzlich und unangekündigt zu Ende. Die Telekom verhökerte den Satelliten an die Schweden. Die Besitzer eines DSR Empfängers sahen sich düpiert. Das DSR System hatte eine Lebensdauer von ca. 3 Jahren. Die DSR Empfänger wurden also bereits nach kurzer Zeit museumsreif.

Grundsätzliches zur digitalen Modulation

Auch bei digitaler Modulation gibt es bezüglich des HF Trägers keine anderen Möglichkeiten, diesen zu modulieren, als bei analogen Modulationen, nämlich in seiner Amplitude und Phase (bzw. Frequenz).
Der eigentliche Unterschied besteht in der Art des modulierenden Signals. Dieses besteht aus digitalen Symbolen, bzw. im einfachsten Fall aus Bits. Grundsätzlich sind digitale Symbole verrundete Impulse. Die Form dieser Impulse ist immer gleich.(cos²) Verändert wird nur die Amplitude der Impulse und/oder deren Phasenlage. Dadurch entsteht ein in der Amplitude und in der Phase modulierter HF Träger. Amplitude und Phase der Impulse bestimmen die einlaufenden Bits des digitalen Signals, wobei jeweils n = 2, 3 ,4,  oder 5 Bits des einlaufenden Datenstromes dann zu 4, 8, 16 oder 32 wertigen Symbolen zusammen gefaßt werden. (Was sich dann im Namen der digitalen Modulation wieder findet, z:B.: 4PSK, 8PSK, 16QAM, 32 QAM) Diese Zuordnung zwischen Datenbits und Symbolen sind in Tabellen festgelegt. Entsprechend werden im digitalen Empfänger gemäß den erkannten Symbolen wieder die zugehörigen Bits aus den auch hier vorhandenen Tabellen ausgelesen. Anschließend kann dann mit Hilfe eines D/A Wandlers wieder (im einfachsten Fall) das NF Audio-Signal gewonnen werden.

Bei digitaler Übertragung bestehen also große Freiheitsgrade bezüglich der Festlegung der Symbole. Die Auswahlkriterien werden i.a. durch technische Randbedingungen festgelegt. Das sind z.B. erforderliche Sendeleistung oder notwendige Übertragungsbandbreite.

Übertragungsbandbreite ist ein knappes und teures Gut, wie aus den Versteigerungen der Mobilfunk-Frequenzen hinlänglich bekannt ist. Wenn also Bandbreite gespart werden kann, ist das ein meistens hinreichender Grund dafür, ein bislang vorhandenes Übertragungsverfahren zu verlassen. Genau das ist z.B. mit DSR passiert.

Zur Quell-Codierung

Für eine digitale Übertragung muß ein analoges Signal zunächst abgetastet und quantisiert werden. Das ist von der CD her bekannt. Aber nun kommt neu hinzu, daß man alles, was das Ohr nicht „hört“, erst gar nicht überträgt. Dieser Prozeß des definierten Weglassens von „irrelevanter“ Information wird mit Quell-Codierung bezeichnet. Hierzu war erforderlich, die Eigenschaften des Gehörs zu erforschen und dann geeignete (mathematische) Modelle zu entwickeln, mit deren Hilfe alles aus einem Audio-Datenstrom eliminiert werden kann, was „das Ohr“ nicht wahrnimmt.

Die zugehörigen Modelle werden (im Laufe der Zeit) immer besser (MP3, AAC,...) und der resultierende Datenstrom des Audiosignals dadurch immer geringer. In der Folge lassen sich bei gegebener Bandbreite des HF Signals immer mehr Programm-Kanäle gleichzeitig übertragen. Das hat aber dann zur Folge, daß (wieder einmal) der Standard für eine digitale Übertragung geändert wird und alle bisherigen Empfangsgeräte damit unbrauchbar werden.
Bei den digitalen Verfahren besteht in aller Regel keine Kompatibilität. Es wird einfach vorausgesetzt, daß die Teilnehmer sich (klaglos) neue Geräte anschaffen. (Wie sie es vielleicht beim Computer ja bereits gewohnt sind.)

Digitale Audioübertragung terrestrisch

Als (eigentlich abschreckendes) Beispiel kann das DAB (Digital Audio Broadcast) System betrachtet werden. Der Start von DAB war in den '90er Jahren. Damals gab es noch nicht einmal einen geeigneten Frequenzbereich. Mit Mühe und Not wurde der Fernsehkanal 12 dafür frei gemacht und zusätzlich ein Frequenzband im L-Band (bei 2,7 GHz). Nach damaligem Standard hätte ein DAB Empfänger sowohl 213 MHz, als auch 2,7 GHz empfangen müssen. Als Audiocodierverfahren diente Musicam vom IRT. Die Telekom machte wieder große Werbung dafür und verlangte ca. 10 Jahre lang keine Gebühren von den Programmanbietern, so lange das Verfahren „im Probebetrieb“ war. Tatsächlich wurde aber anläßlich jeder IFA angekündigt, daß nun aber der Regelbetrieb aufgenommen würde.
Schwung kam in DAB erst hinein, als das gesamte Fernsehband 3 (ca. 175MHz – 223MHz) aufgrund der Digitalisierung des Fernsehens frei wurde und ein effektiveres Audiocodierverfahren entwickelt war. Das nennt sich nun DAB+. Leider ist das wieder nicht mehr kompatibel zum ursprünglichen DAB, so daß die frühen DAB Empfänger auch schon Museumsreife erlangt haben.

Jetzt wird darüber spekuliert, daß nach einer „Simulcastphase“ bis 2025, wo UKW FM und DAB+ parallel laufen sollen, das (analoge) UKW FM abgeschaltet werden soll. Schau'n wir mal, ob bis dahin nicht vielleicht ein DAB++ oder ein DAB+++ (mit noch effektiverer Audiocodierung) erfunden wurde und die heutigen DAB+ Geräte einen Platz im Museum finden werden. Oder garantiert jemand dafür, daß der DAB+ Standard nicht mehr verändert werden wird?

Digitale Fernsehübertragung terrestrisch

Aufgrund der Video-Codierung (MPEG) war es möglich, die digitalen Video-Signale so weit zu komprimieren, daß in das Frequenzband eines früheren analogen TV-Kanals nun (je nach Kompressionsgrad) 4 bis 6 digitale Fernsehkanäle passen. Das ist als DVB-T (Digital Video Broadcast Terrestrial) bekannt. Die (nicht kompatible) Umstellung von analoger zu digitaler TV Übertragung ging „ohne Aufschrei“ der Bevölkerung von statten. Das hatte einen ganz einfachen Grund.

• Sehr viele TV Teilnehmer hatten eine Satellitenanlage, waren also davon nicht betroffen.
• Ebenfalls viele Teilnehmer nutzten einen Kabelanschluß. Und die Kabelbetreiber versprachen, im Kabel nach wie vor die Programme analog einzuspeisen.
• Nur ein einstelliger Prozentsatz der Zuschauer nutze noch analogen terrestrischen Empfang. Diese waren von der Umstellung betroffen. Aber die mußten nur eine (vergleichsweise preiswerte) Settop-Box für DVB-T beschaffen. Und sie hatten den Vorteil, daß pro ehemaligem analogen Kanal nun i.d.R. 5 Programme digital empfangbar waren.

Insgesamt war das für die Broadcaster und die Fernsehteilnehmer eine so genannte „win-win“ Situation.
Und der Staat hat auch etwas gewonnen, denn einige der höherfrequenten Fernsehkanäle konnten für sehr viel Geld an die Mobilfunkbetreiber zum Betrieb des LTE (Long Term Evolution) Netzes versteigert werden, mit dessen Hilfe schnelles Internet per Funk in ländliche Gebiete kommen soll. (digitale Dividende; „win-win-win“ Situation)

Während DVB-T sich durchaus einer größeren Anzahl von Zuschauern erfreut, ist bereits angekündigt, daß so ab 2017 DVB-T durch DVB-T2 ersetzt werden soll. DVB-T2 nutzt ein effektiveres Quell-Codierungsverfahren für Video-Signale und ist daher leider (wieder mal) nicht kompatibel mit DVB-T. Aber man sollte sich ja sowieso mindestens alle 2 Jahre einen neuen Flachbildfernseher anschaffen.

Durch die Freiheit der Wahl der Parameter bei digitalen Verfahren führt der technische Fortschritt, speziell bei den Quell-Codierungs-Verfahren (für Audio und Video), in relativ kurzen Abständen zu inkompatiblen „Verbesserungen“ der Übertragungssysteme. So lange der Käufer das klaglos mit macht, geht das ja gut.

Zur Simulcast-Periode

Die Simulcast-Periode, also der gleichzeitige Betrieb unterschiedlicher Netze für gleiche Programme, hier AM Sender und FM Sender ging von ca. 1950 bis ca. 2010, also über 60 Jahre lang. Und das, obwohl Mittel- und Langwelle hierzulande vom „normalen“ Rundfunkhörer mehr als stiefmütterlich behandelt wurden. Sicher hat hier der „Kalte Krieg“ verlängernd gewirkt.
Betrachtet man die Zeit (ca. 20 Jahre), die allein bisher für die Einführung von DAB notwendig war, dürfte eine Simulcast-Periode von ca. 10 Jahren für UKW und DAB viel zu kurz sein. Realistischer erscheint eine Periode von 30 Jahren. Der „normale“ Hörer muß auch erst davon überzeugt werden, daß er sich einen DAB+ Empfänger anschaffen soll. Schließlich ist die Empfangsqualität in der Regel auf UKW und mit DAB praktisch gleich und für Laien nicht unterscheidbar. Was bringt ihm DAB+ also an Vorteil? Vielleicht müßte er dann auch noch sein Auto entsprechend umbauen lassen, damit er aktuelle Verkehrsinformationen, die über RDS/TMC empfangen werden und in den Navi eingespeist werden, weiterhin nutzen kann? Daher ist es eher kontraproduktiv, wenn mit der „Empfehlung“ für DAB die Drohung verbunden wird, daß „per Order di Mufti“ z.B. 2025 einfach das UKW Netz abgeschaltet werden wird. 

MfG DR

Für diesen Post bedanken, weil hilfreich und/oder fachlich fundiert.

Unter dem Titel "Digital und unbeliebt" wird im Berliner Tagesspiegel anläßlich der IFA über die Bestrebungen berichtet, insbesondere des Intendanten des Deutschlandradios, Willi Steul, den DAB+ Standard quasi "mit der Brechstange" einzuführen und selbsverständlich UKW 2025 abzuschalten.

"Willi Steul, Intendant des Deutschlandradios und einer der größten Befürworter des Digitalradios, hofft auf die normative Kraft des Faktischen. Im Gegensatz zum ARD-Vorsitzenden Lutz Marmor setzt er sich für ein festes Abschaltdatum des UKW-Empfangs ein. Bis 2025 soll das analoge Radio durch DAB+ ersetzt werden."

Nun stellt sich die Frage:

• Worin besteht hierbei eine "win-win" Situation für die Hörer einerseits und die Broadcaster andererseits?

Bislang sieht das doch eher nach einer "loose -win" Situation aus: die Hörer verlieren und die Broadcaster gewinnen. 

Rein psychologisch kann man die Bestrebungen des Deutschlandradios vielleicht aus der Historie heraus noch verstehen.

Der DLF begann mit einem LW Sender. Er bekam dann im Laufe der Zeit mehrere MW Sender dazu und einen weiteren LW Sender. UKW begann ganz spät mit einem (schwachen) Sender in Bonn. Die Bestrebung des DLF, weitere UKW Frequenzen zu erhalten, gestalteten sich recht schwierig. Nicht ganz unschuldig daran ist vermutlich das wenig diplomatische Geschick eines früheren technischen Direktors des DLF, das zur Folge hatte, daß die ARD Anstalten oftmals keine Möglichkeit sahen, dem DLF bezüglich UKW Frequenzen entgegen zu kommen. Daher hat das UKW Sendernetz des DLF (bis heute) einige "weiße Flecken", besonders in Süddeutschland.

Diese "weißen Flecken" lassen sich nun durch DAB+ auffüllen (wobei DLF und Deutschlandradio Kultur nach wie vor den früheren Standard DAB nutzen, um keine Hörer zu verlieren, die nur DAB empfangen können). Der Wunsch, DAB+ zu puschen, ist aus Sicht des Deutschlandradio nachvollziebar.

Aber, noch einmal die Frage: wo bleibt der "Mehrwert" für den Radiohörer, wenn dafür UKW abgeschaltet werden soll? 

MfG DR

Für diesen Post bedanken, weil hilfreich und/oder fachlich fundiert.

Im Jahr 1990 hatte der  Deutschlandfunk nur "Frequenzen" entlang der Grenzen der (damaligen) Bundesrepublik, während im Inneren kein UKW-Empfang des DLF möglich war.

Bis 1999 hat sich die Versorgungs-Situation über UKW verbessert, jedoch gibt es immer noch große Gebiete ohne UKW-Versorgung mit den Programmen von Deutschlandradio. ("weiße Flecken")

Vergleicht man nun die bis 2013 erreichte Versorgung, so erkennt man, daß nur marginale versorgte Gebiete hinzu gekommen sind.

Karte UKW Versorgung des DLF

Karte der UKW Versorgung von Deutschlandradio Kultur

DieFarben beider Karten aus 2013 sind sehr pastellartig gehalten.Man muß daher schon genau hinsehen, um zu erkennen, daß sich seit 1999 nicht mehr viel verbessert hat.

Es ist deshalb unwahrscheinlich, daß Deutschlandradio im UKW Bereich eine komplette Flächendeckung der Bundesrepublik erreichen kann.

Folglich ist der vom Intendanten Steul geäußerter Wunsch, alle UKW Sender bis 2025 ganz abzuschalten, aus seiner Sicht durchaus verständlich. 

Die Interessenlagen anderer Broadcaster dürften sich jedoch hiervon wesentlich unterscheiden.

MfG DR

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Per Mail erhielt ich folgenden Kommentar, hier auszugsweise wiedergegeben:

.....es ist zu bezweifeln dass DRadio mehr Hörer als bisher erreichen wird wenn auf digital umgestellt ist.

....Falls er denkt dass jedes "alte" Autoradio ersetzt werden muss, ist er reif für die "Zitrone" bezüglich Umweltschutz .....

Fazit (frei nach Guglielmus dem Buschigen):

Ist dann das Radio digital
Schwindet auch die Hörerzahl
Wolln wir die zurückgewinnen
Muss sich der Intendant besinnen

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Ergänzung:

In einem Aufsatz zur Technik in der Programmzeitschrift des DLF 1991 unter der Überschrift "Hi-Fi-Klang mit Wermutstropfen: Die Ultrakurzwelle" schreibt Detlef Reiermann u.a.: 

"Im übrigen bemüht sich der Deutschlandfunk nach wie vor um ein flächendeckendes UKW-Sendernetz innerhalb der Bundesrepublik."

Bislang existiert jedoch kein "flächendeckendes UKW-Sendernetz", sondern nur ein "Flickenteppich". Die Verärgerung des Intendanten von DRadio darüber ist zwar begreiflich. Aber sollen deshalb alle anderen Broadcaster, die ihr Sendegebiet flächendeckend versorgen können,  auch für die Abschaltung von UKW sein? Oder hat etwa  jemand davon zu viel Geld?

Den Ersatz von UKW-FM durch DAB/DAB+ kann man aus Sicht des Hörers nur als "Luxus-Sanierung" bezeichnen. Für den "normalen Hörer" ergibt sich keine Verbesserung. Es wird nurteurer, weil neue Geräte angeschafft werden müssen.

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