Headends in Deutschland - AVT Audio Video Technologies GmbH

Systemintegration von DAB(+) Headends in
Deutschland
Dipl.-Ing. Wolfgang Peters, Sales Manager, AVT Audio Video Technologies GmbH
Multiplexaufbau, Zuführung, Schnittstellen, Regionalisierung am Beispiel des Bayerischen Rundfunks
Mit der wohl endgültigen Entscheidung zum Neustart von Digitalradio in Deutschland Anfang 2011
musste in kürzester Zeit eine Systemintegration und -migration der DAB(+) - Technik in die bestehende
Infrastruktur der verschiedenen Funkhäuser realisiert werden. Dabei galt es nicht nur einfach Audioprogramme zu generieren, sondern es sollte bereits von Anfang an den Hörern ein Mehrwert durch
Regionalprogramme, Daten- und Servicedienste oder z.B. DAB Surround – wie beim Bayerischen
Rundfunk - geboten werden.
Neben den inhaltlichen Anforderungen mussten darüber hinaus Lösungen für eine sichere Redundanz
aller Systemkomponenten, sowie eine Zuführung von externen Programmanbietern über eine einheitliche Schnittstelle geschaffen werden.
Rückblick - die „alte“ Infrastruktur…
Verwendung des STI-D & C Protokolls an den
Ensemble Provider übertragen.
„Alte“ Infrastruktur? Tatsächlich wird das über
16 Jahre alte DAB-System immer noch in
Deutschland von der Media Broadcast genutzt. Es ist aber abzusehen, dass die meisten
dieser Systeme in naher Zukunft durch neue
Technik ersetzt werden.
Dieser fasste alle am Ensemble beteiligten
Service Provider im Ensemble Multiplexer
zusammen und generierte daraus das komplette Multiplex-Signal. Dieses wiederum
wurde mittels des ETI-Standards (= Ensemble
Transport Interface) – ebenfalls wieder über
eine 2-Mbit/s Schnittstelle – an die Senderstandorte übertragen.
Das damalige System, welches aus einer
gemeinsamen Entwicklung von Rohde &
Schwarz, Fraunhofer Gesellschaft IIS in Erlangen und AVT entstand, setzte auf dem
damaligen Standard STI (= Service Transport
Interface) auf.
Der Service Provider – in aller Regel der Rundfunkanbieter – hat alle Dienste lokal generiert
und mittels eines Service Multiplexers zusammengefasst. Dieser Vormultiplex wurde
dann über eine 2-Mbit/s Schnittstelle unter
Wesentliches Merkmal des STI-Standards ist
und war die Möglichkeit einer dynamischen
Rekonfiguration sowie die flexible Nutzung der
zur Verfügung stehenden Kapazitäten (CU =
Capacity Units) eines Service Providers. Lediglich die Rahmenbedingungen für einen Service
Provider wurden durch den Ensemble Provider
im Service Provider Profil definiert (z.B. CUs,
mögliche FIGs, Anzahl der Services etc.). Die
Struktur seiner Dienste lag allein – abgesehen
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von medienpolitischen Regularien – im Ermessen des Service Providers (also z.B. Bitrate,
Mode etc.).
… mit alten Audiocodecs …
Beim dem alten System kamen ausschließlich
ISO/MPEG Layer 2 DAB Audioencoder zum
Einsatz. DAB+ existierte noch nicht. Aufgrund
der Bitrate, die für eine einigermaßen vernünftige Qualität notwendig war, konnten
üblicherweise nur 7–8 Audioprogramme in
einem Ensemble untergebracht werden.
… und wenig Mehrwertdiensten
Zusatzinformationen, die auch schon damals
über PAD und NPAD übertragen werden
konnten, wurden nicht oder nur sehr vereinzelt genutzt. Die Dienste „Dynamic Label“ und
„Slideshow“, bei der oftmals nur ein statisches
Bild übertragen wurde, standen für die neuen
Möglichkeiten der Datendienste. Immerhin
wurde vereinzelt die Aussendung der Traffic
Announcement Signalisierung bei Verkehrsfunkdurchsagen genutzt.
Problematisch bei der Integration der Datendienste waren neben fehlenden Inhalten,
sicherlich auch die damals zur Verfügung
stehenden Datenschnittstellen RS232 und
X.21, die zu einer exzessiven Verkabelung
führten.
Darüber hinaus waren die vorhanden Softwaretools zur DAB-spezifischen Aufbereitung der
Daten teuer und anfangs auch nicht sonderlich
leistungsfähig. Pro PAD-Kanal war z.B. ein
kompletter PC notwendig.
Alles auf null – Neustart 2011
bewusst, dass dies die letzte Möglichkeit ist,
ein Digitalradio in Deutschland zu etablieren.
Entsprechend hoch war das Interesse, alte
Fehler zu vermeiden. Ein erfolgreiches digitales Radio ist neben preiswerten und vor allem
verfügbaren Empfängern nur durch Mehrwert
möglich.
Vielfalt mit DAB+ …
Die wohl wesentlichste Innovation - wenn
auch risikoreich aufgrund fehlender Kompatibilität - gegenüber dem alten DAB-Standard
betraf die Einführung des neuen DAB+ CodierStandards, der auf dem sehr leistungsfähigen
AAC-Algorithmus basiert. Mit den Erweiterungen SBR (= Spectral Band Replication, HE-AAC
v1) und PS (= Parametric Stereo HE-AAC v2) ist
nun eine deutlich effizientere Codierung
möglich, wodurch die Anzahl der möglichen
Programme und damit die Vielfalt pro Ensemble deutlich gesteigert werden kann.
Darüber hinaus ist DAB+ robuster gegenüber
Störungen, womit eine größere Reichweite
erzielt werden kann. Am Rande des Empfangsbereich erfolgt ein abrupter Abbruch
anstelle des störenden Blubberns bei DAB.
… und neuen Mehrwertdiensten
Weiteres wichtiges Merkmal für einen Erfolg
des digitalen Radios war die Festlegung auf ein
Minimalset an Datendiensten und Service
Informationen.
Bereits seit dem Start sind die Dienste „Dynamic Label“ bzw. „Dynamic Label+“, eine echte
„Slideshow“ und die elektronische Programmzeitschrift „EPG“ (= Electronic Program Guide)
verfügbar.
Nach der Entscheidung Anfang 2011, DAB in
Deutschland einzuführen, war wohl jedem
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Darüber hinaus werden von einigen Programmanbietern die Dienste „Broadcast
Website“ und „Journaline“ angeboten.
Um DAB auch für Autofahrer interessant zu
machen, durften die von UKW bekannten
Service-Informationen wie TP (= Traffic Program), TA (= Traffic Announcement) sowie
PTy (= Program Type) nicht fehlen.
Eine durchgängige Verknüpfung zwischen DAB
und UKW wird durch das sogenannte Service
Linking garantiert. Beim Verlassen des DABEmpfangsgebietes wird automatisch auf die
richtige UKW-Frequenz umgeschaltet.
Um einen echten Mehrwert für Digitalradio im
Auto zu bieten, wird seit einiger Zeit auch
TPEG (= Transport Protocol Experts Group)
übertragen. Der Nachfolger des alten und
recht stark eingeschränkten TMC-Dienstes
bietet erheblich detailliertere Verkehrsinformationen und ist aufgrund der anfallenden
Datenmengen nur über DAB möglich.
Highlight - Surround Sound
Als besonderes Highlight bietet der Bayerische
Rundfunk seinen Hörern ein Klassikprogramm
mit Surround Sound an. Dank des hervorragenden Algorithmus wird bei einer
vergleichsweise geringen Datenrate von 128kbit/s ein Mehrkanalton übertragen, der
überzeugt. Ein großer Vorteil dabei ist, dass
nicht Surround Sound fähige Empfänger das
Signal als ganz normales DAB+ Programm
decodieren können.
Im Detail – das DAB-Headend
des Bayerischen Rundfunk
DAB/DAB+ Audio-Encoder
Um der Programmvielfalt Rechnung tragen zu
können werden nahezu alle DigitalradioProgramme nach dem DAB+ Standard ausgestrahlt. Um Hörer mit alten, nicht DAB+
fähigen Empfängern nicht zu verärgern, werden jedoch noch vereinzelt Programme nach
dem alten DAB-Standard gesendet.
Die Übertragung der codierten Audioprogramme erfolgt bei neuen Systemen
ausschließlich über IP. Das hat den entscheidenden Vorteil, dass der Audio-Encoder
prinzipiell an einem beliebigen Standort installiert werden kann. Sogar eine Übertragung
über das Internet ist denkbar.
Nachteil der IP-Übertragung ist allerdings ein
zusätzlicher Referenztakt, der bei synchroner
Übertragungstechnik automatisch systembedingt vorhanden ist.
Hier kommen im Wesentlichen zwei Verfahren
zum Einsatz: Der Takt wird entweder von der
digitalen Audioschnittstelle des Encoders
abgeleitet, wobei diese hochgenau auf den
Studiotakt synchronisiert wird.
Falls das Audiosignal analog eingespeist wird
oder ein Studiotakt nicht vorhanden ist, erfolgt die Synchronisierung über NTP. Ohne
diese Maßnahme träten zwangsläufig über
kurz oder lang Audioaussetzer auf.
Sogenannte PAD (= Program Associated Data)
werden als Teil des Audiodatenstrom übertra-
Hier bleibt zu hoffen, dass die Empfänger- und Autoindustrie auch mitspielt
und entsprechende Empfänger
anbieten wird. Derzeit bietet lediglich der NOXON DAB-Stick Surround Sound.
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gen. Die Daten wurden früher über die RS232Schnittstelle des Encoders zugeführt, was
heute prinzipiell auch noch möglich wäre,
jedoch ist die RS232 nicht mehr zeitgemäß
und verursacht einen erhöhten Verkabelungsaufwand. Wie oben erwähnt, kann heute jeder
Ensemble Multiplexer auch PAD bereitstellen.
Daher wird die bestehende IP-Verbindung
zwischen Multiplexer und Encoder auch für
die Übertragung von PAD verwendet. Der
Encoder empfängt die Daten vom Multiplexer
und tastet diese in seinen Audiodatenstrom
ein.
Bei abgesetzten Betrieb eines Audio-Encoders
erlaubt die Anbindung über IP ohne größeren
Aufwand zusätzlich die Übertragung von
Traffic Announcements und PTy-Signalisierung
über UECP (= Universal Encoder Communication Protocol).
Datenservices und ServiceInformationen
Die Zuführung der Datendienste (z.B.: Slideshows) und Service-Informationen (z.B.: TA)
erfolgt zumeist aus bereits vorhanden Content
Management Systemen (z.B. TIC3 von GEWI,
RDZ des SWR). Schließlich werden entsprechende Daten schon lange für das UKW-Radio
und das Internet bereitgestellt.
Das CMS ermöglicht eine DAB-spezifische
Anpassung der Daten (z.B. BIldgrößen) und
führt diese Daten je nach Anwendung dem
PAD-Inserter oder direkt dem Ensemble Multiplexer zu.
Dateibasierte Inhalte werden zumeist per FTP
oder alternativ über ein SOAP-basiertes API
übertragen, wohingegen hochdynamische
Informationen als IP-Stream (z.B. TPEG) zugeführt werden.
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Dynamische Service-Informationen wie z.B. TA
oder auch PTy, aber auch Dynamic Label bzw.
Dynamic Label+ nutzen das UECP-Protokoll,
welches sich in vielen Funkhäusern für RDSDaten als Standard etabliert hat.
Ensemble Multiplexer
Herzstück eines DAB-Headends ist der Ensemble Multiplexer. Stand dieser früher
ausschließlich bei der Media Broadcast, haben
die öffentlich-rechtlichen Programmanbieter
heute alle auch die Rolle des Ensemble Providers übernommen.
Gleichzeitig Service- als auch EnsembleProvider zu sein, ermöglicht im Allgemeinen
eine deutlich höhere Flexibilität und erlaubt in
aller Regel auch eine bessere Audioqualität, da
die Programme direkt von der Quelle dem
Audio-Encoder zugeführt werden können,
ohne, dass ein weiterer Codec für die Zuführung des Programms zum Ensemble
Multiplexer notwendig ist. Gerade im Hinblick
auf relativ niedrige Datenraten von z.B. 72kbit/s sollte eine zusätzliche Kaskadierung
vermieden werden.
Als zentrale Sammelstelle nimmt der Ensemble Multiplexer jedoch nicht nur die
Audioprogramme entgegen, sondern verarbeitet praktisch auch alle für DAB verfügbaren
PAD und NPAD Datendienste sowie ServiceInformationen.
Zusätzlich erfolgt über den Multiplexer eine
zentrale und vollständige Konfiguration aller
Audio- und Datenservices sowie der ServiceInformationen. Dadurch werden auch zeitgesteuerte Rekonfigurationen ermöglicht, da der
Multiplexer über einen IP-Steuerkanal die
Audio-Encoder in Bezug auf Bitrate, Modus
etc. umkonfigurieren kann.
Taktung
Für ein synchrones Gleichwellennetz (SFN =
Single Frequency Networking) ist eine hochgenaue Taktung des Gesamtsystems
erforderlich. Die notwendigen Takte (1pps und
2.048 MHz) sowie die absolute Zeitreferenz
(via NTP) werden aus einem GPS-ZeitFrequenz-Referenzsystem gewonnen.
Überwachung
Ein komplexes, aus mehreren Einzelkomponenten bestehendes Übertragungssystem
erfordert eine geeignete Überwachung. Neben dem eigentlichen Monitoring-System
„ETI/EDI-Decoder“, der alle Inhalte eines
Ensembles gleichzeitig überwacht und entsprechende Alarme auslöst, können alle
Teilkomponenten mittels SNMP in ein Netzwerkmanagement-System eingebunden
werden.
Redundanz
Die hier beschriebene Redundanz ist grundsätzlich als Master/Slave System ausgeführt,
d.h., das System arbeitet monostabil und
schaltet nach Beseitigung des Fehlerzustandes
immer wieder auf das Master-System zurück.
Das Verfahren wird sowohl beim Ensemble
Multiplexer als auch bei den Audio-Encodern
eingesetzt.
Durch die Überkreuzschaltung des Master/Slave-Systems erzielt man ein
hochredundantes System, da ein gleichzeitiger
Fehler sowohl im Hauptweg als auch im Ersatzweg vorliegen kann (insofern nicht die
identischen Komponenten betroffen sind),
ohne dass am Sendeausgang ein Fehler auftritt.
Multiplexer-Redundanz
Der Ensemble Multiplexer als Kernkomponente hat den entscheidenden Nachteil, dass bei
einem Ausfall alle Programme eines Ensembles komplett ausfallen.
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Darüber hinaus sind die aktuell verfügbaren
Ensemble Multiplexer alle ausschließlich
serverbasierte PC-Plattformen, die - wie jeder
andere Server auch - gewartet werden müssen.
Auch sind immer wieder neue SoftwareUpdates aufgrund von Softwarefehlern oder
neuen Funktionen erforderlich, die einen
Ausfall von mehreren Minuten verursachen.
Daher ist ein redundanter Multiplexer – sei es
als Kaltreserve oder als echte aktive Redundanz – in einem Regelbetrieb sehr
empfehlenswert.
Bei einer aktiven Redundanz arbeiten beide
Multiplexer grundsätzlich parallel. Alle AudioEncoder senden per Multicast/Simulcast die
codierten Audiodatenströme parallel an beide
Multiplexer. Auch jede Art von dynamischen
Daten wie PAD, NPAD und ServiceInformationen sind beiden Multiplexern
parallel zuzuführen.
Die eigentliche Entscheidung, welcher Multiplexer jetzt tatsächlich dem Sender zugeführt
wird, übernimmt ein entsprechender ETI(oder auch EDI-) Umschalter. Dieser wertet die
ankommenden Signalströme aus und schaltet
entsprechend das fehlerfreie Signal durch.
Einfache Umschalter sind dabei nicht in der
Lage einen Wechsel zwischen den Multiplexern störungsfrei zu realisieren, da
grundsätzlich ein Versatz zwischen beiden
Signalen vorhanden ist. Darüber hinaus synchronisiert ein Sender nur dann nicht ab,
wenn die im Datenstrom enthaltenen Zeitinformationen (TIST) kontinuierlich vorhanden
sind. Daher können intelligente Umschalter
einen neuen kontinuierlichen Zeitstempel
generieren oder beide Eingangsströme abgleichen. Sie sind außerdem in der Lage, die
Eingangssignale detaillierter auszuwerten und
können diese gegebenenfalls auch korrigieren.
Soll die Zuführung zum Senderstandort über
zwei Wege erfolgen, sind zwei Umschalter
erforderlich, die im sogenannten Link-Modus
arbeiten, so dass beide Umschalter immer
synchron und rahmengenau schalten.
Audio-Encoder Redundanz
Sollen auch die einzelnen Audio-Encoder
Programme redundant verfügbar sein, sind
diese entsprechend zu doppeln. Die Umschaltung übernimmt dabei der Ensemble
Multiplexer, der alle Eingangsströme überwacht.
Zu beachten ist hierbei, dass zusätzlich eine
eindeutige PAD-Einspeisung der beiden redundanten Audio-Encoder sichergestellt
werden muss. Technisch bedingt dürfen PAD
nur dem aktiven Encoder zugeführt werden.
Schnittstellen und Protokolle
Einer der größten Vorteile des neuen Systems
im Vergleich zum alten DAB-System, ist die
Verwendung einer einzigen Schnittstelle für
die Zuführung aller Daten. Da alle Systeme
über IP-Schnittstellen verfügen, wird der
Verkabelungsaufwand deutlich reduziert und
vereinfacht durch Multicast auch erheblich die
Redundanzfähigkeit des Systems. Zudem
lassen sich prinzipiell beliebige Entfernungen
überbrücken.
Lediglich am Ausgang des Multiplexers wird in
aller Regel noch das ETI-Signal basierend auf
dem G.703/2-Mbit-Standard verwendet. Aber
auch hierfür existiert bereits der IP-basierte
neue Standard EDI.
Zum Einsatz kommen unterschiedliche UDP/IP
basierte Protokolle und Standards:
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AVT/VDL-Protokoll
Im lokalen Netzwerk, wenn Encoder und
Multiplexer nahe bei einander stehen, erfolgt
die Übertragung der codierten DAB+ Audiosignale mittels des STI-D-Standards. Bei DABSignalen hingegen wird auf STI-D verzichtet.
Die Steuerung zwischen beiden Systemen
erfolgt über ein proprietäres Protokoll und
ermöglicht darüber dynamische Rekonfigurationen, Übertragung der PAD zum Encoder hin
sowie eine Redundanzumschaltung bei redundant ausgelegten Encodern.
EDI-Standard
Werden die codierten Audiosignale über ein
WAN oder gar über das Internet an den Multiplexer herangeführt, kommt der EDI-Standard
(= Encapsulation of DAB Interfaces, ETSI TS
102 693) zum Einsatz. Dieser bietet neben
einer Fragmentierung der großen IP-Pakete
zusätzlich einen Reed-Solomon-Fehlerschutz
(PFT = Protection, Fragmentation and Transport) sowie eine Paketwiederholung auf
Anforderung (Resend).
Da die Datenrate durch Fragmentierung und
Fehlerschutz jedoch deutlich ansteigt, sind
lediglich eine Aktivierung der Fragmentierung
und die Fehlerschutzstufe „1“ praktikabel.
Das Resend-Feature wird wegen der zusätzlichen Verzögerung aufgrund der notwendigen
Pufferung im Allgemeinen nicht eingesetzt.
Innerhalb des EDI-Standards ist eine Steuerung zwischen Ensemble Multiplexer und
Datenquelle (Encoder, PAD-Inserter etc.) nicht
definiert. Daher erfolgt die Steuerung zwischen VDL Multiplexer und AVT Encoder wie
oben.
Der beim BR als Test eingesetzte Surround
Sound Encoder der Fraunhofer Gesellschaft
wird ebenfalls über IP mittels des EDI-
Protokolls an den Ensemble Multiplexer angebunden.
Grundsätzlich erlaubt der EDI-Standard ein
Einbetten der DAB-typischen Formate STI und
ETI. Entsprechend kann EDI auch ausgangsseitig zum Transport des ETI-Signals verwendet
werden.
MuxEnc-Protokoll
Wenn Audioprogramme über WAN an einem
Fraunhofer Multiplexer übertragen werden
sollen, muss das sogenannte MuxEncProtokoll der Fraunhofer Gesellschaft genutzt
werden. Dieses basiert auf DCP (= Distribution
and Communications Protocol), der Transportschicht des EDI-Standards.
Das MuxEnc-Protokoll ermöglicht - ähnlich wie
das AVT/VDL-Protokoll - eine Konfiguration
der fernen Audio-Encoder, eine dynamische
Rekonfiguration und das Übertragen von PAD.
Darüber hinaus bietet das Protokoll optional
eine Überwachung des Audiosignals (Clipping
und Silence Detection, Pegelanzeige) des
fernen Audio-Encoders. Diese Funktion muss
natürlich vom Encoder unterstützt werden.
Ausblick
Mit dem Neustart des digitalen Radios wurde
ein echter Neuanfang realisiert. Die technischen Möglichkeiten eines modernen DABHeadends erlauben die Übertragung beliebiger Audio- und Datensignale, auch Video über
DMB ist hierüber einfach möglich.
Eine entsprechende gleichwertige Übertragung über Internet-Radio ist bei Millionen von
Radiohörern keine Alternative.
Auch ist es gelungen, dass Digitalradio kein
Radio mehr nur für Technikfreaks ist. Digitalradio ist mittlerweile dank entsprechender
Werbung, Berichten in der Presse und vielfäl-
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tigen Produkten in Elektronikmärkten bekannt.
[5] ETSI EN 300 797 – Service Transport
Interface (STI)
Jetzt gilt es, weitere Anreize zu schaffen. Mein
persönlicher Favorit hierfür heißt: Surround
Sound.
[6] Eureka Project 147: DAB System:
Guidelines for Implementation and
Operation, Vol. 1-3
Literatur
[1] ETSI EN 300 401 – Digital Audio
Broadcasting to mobile, portable and
fixed receivers
[2] ETSI EN 300 799 – Ensemble Transport
Interface (ETI)
[3] ETSI TS 102 693 – Encapsulation of DAB
Interfaces (EDI)
[4] ETSI TS 102 821 – Digital Radio Mondiale
(DRM): Distribution and Communications
Protocol (DCP)
[7] UECP RDS Universal Encoder
Communication Protocol, RDS Forum
Technical Specification SPB 490 Version
7.05
[8] ETSI TS 102 980 V1.1.1 - Digital Audio
Broadcasting (DAB) - Dynamic Label Plus
(DL Plus) - Application specification
[9] TPEG Binary CEN/ISO TS 18234-Series,
adopted 2004-08-27
[10] TPEGML CEN/ISO TS 24530-Series
Adopted: 2005-02-04
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