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1 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 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. 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 Verwendung des STI-D & C Protokolls an den Ensemble Provider übertragen. 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. 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 Systemintegration von DAB(+) Headends in Deutschland Seite 1 von 8

2 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 Nach der Entscheidung Anfang 2011, DAB in Deutschland einzuführen, war wohl jedem 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+ Codier- Standards, 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. Systemintegration von DAB(+) Headends in Deutschland Seite 2 von 8

3 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 DAB- Empfangsgebietes 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 128- kbit/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. 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. Im Detail das DAB-Headend des Bayerischen Rundfunk DAB/DAB+ Audio-Encoder Um der Programmvielfalt Rechnung tragen zu können werden nahezu alle Digitalradio- Programme 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- Systemintegration von DAB(+) Headends in Deutschland Seite 3 von 8

4 gen. Die Daten wurden früher über die RS232- Schnittstelle 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 Service- Informationen 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. Systemintegration von DAB(+) Headends in Deutschland Seite 4 von 8

5 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 RDS- Daten 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 Ensemble- Provider 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. 72- kbit/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 Service- Informationen. Zusätzlich erfolgt über den Multiplexer eine zentrale und vollständige Konfiguration aller Audio- und Datenservices sowie der Service- Informationen. 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 MHz) sowie die absolute Zeitreferenz (via NTP) werden aus einem GPS-Zeit- Frequenz-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. Systemintegration von DAB(+) Headends in Deutschland Seite 5 von 8

6 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 Software- Updates 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 Audio- Encoder senden per Multicast/Simulcast die codierten Audiodatenströme parallel an beide Multiplexer. Auch jede Art von dynamischen Daten wie PAD, NPAD und Service- Informationen 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: Systemintegration von DAB(+) Headends in Deutschland Seite 6 von 8

7 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 DAB- Signalen 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 ) 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 MuxEnc- Protokoll 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 DAB- Headends 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- Systemintegration von DAB(+) Headends in Deutschland Seite 7 von 8

8 tigen Produkten in Elektronikmärkten bekannt. Jetzt gilt es, weitere Anreize zu schaffen. Mein persönlicher Favorit hierfür heißt: Surround Sound. Literatur [1] ETSI EN Digital Audio Broadcasting to mobile, portable and fixed receivers [2] ETSI EN Ensemble Transport Interface (ETI) [3] ETSI TS Encapsulation of DAB Interfaces (EDI) [4] ETSI TS Digital Radio Mondiale (DRM): Distribution and Communications Protocol (DCP) [5] ETSI EN Service Transport Interface (STI) [6] Eureka Project 147: DAB System: Guidelines for Implementation and Operation, Vol. 1-3 [7] UECP RDS Universal Encoder Communication Protocol, RDS Forum Technical Specification SPB 490 Version 7.05 [8] ETSI TS V Digital Audio Broadcasting (DAB) - Dynamic Label Plus (DL Plus) - Application specification [9] TPEG Binary CEN/ISO TS Series, adopted [10] TPEGML CEN/ISO TS Series Adopted: Systemintegration von DAB(+) Headends in Deutschland Seite 8 von 8