weiter.vorn 3.2013

Fraunhofer-Gesellschaft

Weniger Daten, besserer Empfang

Viele Menschen genießen unterwegs Radio- und Fernsehsendungen oder Videos aus dem Internet auf dem Mobiltelefon. Moderne Audiotechnologien helfen, die großen Datenmengen unterbrechungsfrei zu übertragen. So genießen die Nutzer Inhalte in bester Klangqualität, ohne dabei die Übertragungsnetze zusätzlich zu beanspruchen.

Text: Tim Schröder

Die Fernsehnachrichten verpasst oder die Reisereportage im Radio? Das ist heute kein Ärgernis mehr, denn fast alle Sendungen kann man im Internet anschauen oder anhören – per Web-Streaming. Dabei werden die Daten übertragen, während man den Beitrag schaut. Ganz gleich, ob Musikvideo oder Internet-Radio – das Streaming wird immer beliebter, vor allem, weil man sich heute dank Smartphone auch unterwegs auf Reisen oder im Stau mit Videos oder Internet-Radiobeiträgen die Zeit vertreiben kann. Weltweit gibt es derzeit einen wahren Boom neuer Streaming-Anwendungen.

Für den Film- oder Musikgenuss unterwegs müssen alle Daten per Funksignal über die Luft transportiert werden. Ist die Mobilfunkverbindung schlecht, fließen die digitalen Datenpakete nur häppchenweise. Bild und Ton stocken. Durch das riesige Angebot an neuen Streaming-Diensten wird es im Luftraum zudem immer enger. Gefragt sind neue technische Lösungen, mit denen einerseits mehr Daten übertragen werden können – wie zum Beispiel der neue Mobilfunkstandard LTE. Andererseits sind auch Verfahren notwendig, die die zu übertragene Datenmenge verringern, ohne den Bild- und Musikgenuss zu schmälern – Datenkompressions- oder Kodierverfahren. Ein Klassiker ist der mp3-Codec, mit dem man seit vielen Jahren große Audiodaten in wenige Megabyte-kleine Musikdateien wandelt, von denen dann Hunderte auf einem mp3-Player Platz finden.

Für die Datenübertragung im überfüllten Luftraum aber benötigt man heute noch leistungsfähigere Kodierverfahren. Ein solches Verfahren haben in den vergangenen Jahren Forscher vom Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS in Erlangen gemeinsam mit anderen Unternehmen und Forschungseinrichtungen entwickelt und am Markt etabliert. HE-AAC heißt dieser Kodierstandard, der Audiodaten deutlich effizienter speichert als sein Vor-Vorgänger mp3. Dazu macht sich HE-AAC, ähnlich wie auch mp3, das Hörvermögen des Menschen zunutze: Besonders gut hörbare Anteile des Audiosignals werden sehr genau, nicht hörbare Bestandteile weniger aufwändig gespeichert. Bei HE-AAC haben die Forscher dieses Verfahren so weit verfeinert, dass sich Audiosignale noch einmal deutlich stärker verkleinern lassen als bei mp3, ohne dabei die Qualität hörbar zu beeinflussen. Wie effizient das Verfahren arbeitet, macht Matthias Rose, am IIS zuständig für das Produktmarketing des Bereichs Audio & Multimedia, an einem Beispiel klar. »Um ein Lied in CD-Qualität mit mp3 zu übertragen, braucht man eine Datenmenge von 192 Kilobit pro Sekunde. HE-AAC erreicht eine ähnliche Qualität mit nur 64 Kilobit.«

Der Vorteil der neuen Technik für den Smartphone-Nutzer: Die Daten werden ruckelfrei übertragen. »Dadurch verbessert sich für den Kunden das Multimedia-Erlebnis unterwegs deutlich«, sagt Rose. Ebenso wichtig aber ist für ihn der Gewinn für Rundfunkbetreiber und die Anbieter von Streaming-Services. Die Anbieter müssen für die Übertragung der Daten über das Internet viel Geld bezahlen. »Wenn sie dank HE-AAC weniger Daten übertragen müssen, können Kosten gespart werden«, erläutert der Experte. Denn Streaming funktioniert fundamental anders als der klassische Rundfunk. Beim Radio wird ein Radiosignal von einem Punkt aus wie eine Kugelwelle in alle Richtungen abgestrahlt. Wer in Reichweite dieser Welle ist, kann Radio empfangen. Beim Streaming hingegen muss der Anbieter heute noch meist zu jedem einzelnen Kunden und Smartphone eine individuelle Verbindung aufbauen, über die dann die Datenpakete transportiert werden. Reduziert sich dank effizienter Kodierverfahren die zu übertragene Datenmenge, können entweder Übertragungskosten eingespart oder aber mehr Programme über denselben Kanal gesendet werden.

Es gehört viel dazu, einen neuen Kodierstandard auf den Markt zu bringen. Immerhin müssen sich alle Beteiligten darauf einigen: die Programmanbieter, die Hersteller der Sendetechnik und die Produzenten der Empfangsgeräte, zum Beispiel der Smartphones oder Fernsehgeräte. Diese Hürde haben die IIS-Forscher dank vieler Gespräche mit Behörden, Herstellern und Rundfunkanbietern bereits gemeistert. Zwar gibt es Konkurrenztechnologien. Doch ist die Leistungsfähigkeit von HE-AAC überzeugend. In der Sendetechnik wird HE-AAC inzwischen genauso eingesetzt wie in Fernsehern, Radios, Tablets, Mobiltelefonen und PCs. So ist die IIS-Software zum Beispiel auch im neusten Android-Betriebssystem für Smartphones enthalten.

»Mit HE-AAC sind wir zur rechten Zeit am rechten Ort«, sagt Rose angesichts der großen Nachfrage nach Streaming-Angeboten. »Radio- und Fernsehprogramme in Deutschland und weltweit werden live im Internet übertragen, und auch beliebte Internetportale wie Youtube sind ohne Streaming nicht vorstellbar.« Mit HE-AAC können lassen sich sowohl Stereoprogramme als auch 5.1- oder 7.1-Surroundklang, wie man ihn aus dem Kino kennt, übertragen. Dafür sind je nach Übertragungsweg und Konfiguration nur etwa 24 bis 160 Kilobit pro Sekunde nötig. Kein Audiokodierverfahren arbeitet effizienter.

Anders als die Kodierverfahren privater Anbieter ist HE-AAC ein offener MPEG-Standard der Internationalen Organisation für Standardisierung ISO. Jedes Unternehmen darf diesen Standard in seinen Produkten verwenden. Fällig wird lediglich eine faire Lizenzgebühr. Dank der weiten Verbreitung von HE-AAC ist vieles möglich. Das Handy wird damit sogar zur HD-Medienzentrale für das Wohnzimmer, denn vom Handy kann das Streaming-Video mit HE-AAC-Surround-Klang beispielsweise auch auf den heimischen Fernseher übertragen werden. Derzeit arbeiten die Forscher daran, den Surround-Klang auch über ganz normale Kopfhörer wiederzugeben. Dass das funktioniert, haben sie bereits auf Fachkongressen demonstriert.

Telefonieren in HD

HD-Qualität gehört für die IIS-Forscher nicht nur zu Musik und Video, sondern auch zum Telefon. »HD-Qualität ist heute selbstverständlich. Wir haben uns gefragt, warum dann beim Telefonat die Stimme noch genauso blechern klingen muss wie vor 100 Jahren«, sagt Rose. Das Problem liegt darin, dass heutige Verfahren nur die Stimme relativ gut übertragen können. Sobald aber Hintergrundgeräusche oder andere Signale dazukommen – wie zum Beispiel die Musik in Warteschleifen – versagen die bislang eingesetzten Technologien. Auch können diese Verfahren nicht die gesamte vom menschlichen Ohr wahrnehmbare Klangbandbreite wiedergeben. Eine Verbesserung bringt das AAC-ELD-Kodierverfahren, das ebenfalls maßgeblich von den IIS-Forschern entwickelt wurde. Es liefert die gewohnte Klangqualität des AAC-Standards und ist für den Einsatz in Kommunikationssystemen optimiert. AAC-ELD wird bereits in hochwertigen Anlagen für Videotelefonkonferenzen und im Videotelefoniedienst Facetime der Firma Apple eingesetzt. Damit gehört das blecherne Zwiegespräch mehr als 150 Jahre nach Erfindung des Telefons endlich der Vergangenheit an.