Funktechnik: digital vs. analog

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.

analogfunk_fm_rauschen_tn

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

digitalfunk_tn

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°

digitalfunk_phasen_tn

Bei der FSK (die beim GLXD Funksystem genutzt wird) kann man diese ebenfalls mehre 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.

digitalfunk_psf_fsk_empfang_tn

Das im Empfänger demodulierte (digitale) Signal ist also eine 100% 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 es 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 GLXD 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 ULXD 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 andern noch nicht einmal wahr genommen.)

Eingemachtes:

Bei den üblich 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 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 Bittiefe 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“ 😉

 

Das könnte Sie auch Interessieren:

Lösungen bei LTE-Funkstörungen – nicht nur für Kaneval-Vereine

Setup-Videoanleitungen für PG, SM und Beta Funksysteme

Entschädigungsleistungen für Nutzer von Funkmikrofonen

Mittwoch ist Videotag: Teil I – Basiswissen Funksysteme

Funkmikrofone: 2 Sender und 1 Empfänger?

17 Kommentare zu “Funktechnik: digital vs. analog

  1. Hi,

    Soweit ganz gut beschrieben, bis auf zwei Dinge:

    1. Die Darstellung des Amplitudenverlaufs eines verrauschten Signals kann keine Zacken in zeitlich negativer Richtung haben, da die Zeit (in diesem Universum und unter irdischen Normalbedingungen) nur in positive Richtung verläuft. Doch das ist das kleinere Problem.

    2. Was ich nicht so ganz unterschreiben würde, ist die Darstellung des Nachteiles der analogen Funksignalübertragung im Hinblick auf das FM-Verfahren. Da die Audio-Information dabei in der Frequenzänderung ‚kodiert‘ ist, wirken sich gerade Störungen in der Amplitude des hochfrequenten Trägersignals (also das dargestellte Rauschen) eben weitaus weniger tragisch aus als bspw. bei der AM-Übertragung, bei der das Audiosignal tatsächlich der Amplitude des Trägers aufgeprägt wurde. Ein vergleichbares Rauschen bei FM würde durch ein ‚Frequenzrauschen‘ des Trägers (Jitter) verursacht werden; das ist aber – falls das wirklich jemals auftritt – sehr unwahrscheinlich, da müßte der HF-Oszillator im Sender (und alles was dazugehört) verrückt spielen. Zum Vergleich: Aus eben jenen Gründen weisen die Radiosender, die bei uns im UKW-Bereich arbeiten und dabei das FM-Verfahren nutzen, eine störungsfreiere und stabilere Übertragung auf als z. B. die AM-Stationen im MW-Bereich. Natürlich gibt es bei FM auch Störungen, doch das tritt eher bei Interferenzen örtlich benachbarter Sender, die auf (annähernd) gleicher Frequenz senden, im ‚Übergangsbereich‘ auf. Und, ja, richtig, wenn ein UKW Stereo-Sender schwächer wird, setzt auch ein Rauschen ein. Das passiert aber nur, weil das Richtungssignal (Stereo, MPX) selber AM-moduliert ist. Fällt dann schließlich Stereo ganz aus und der Empfänger schaltet auf Mono, ist das Rauschen (fast) wieder weg, da das Monosignal in waschechtem FM übertragen wird. Dort rauscht’s auch aber erst dann unerträglich stark, wenn in vergleichbarer Situation bei einer digitalen Übertragungsstrecke ebenfalls der Empfang ganz wegbrechen würde. Dieses Rauschen kommt aber eher dadurch, daß der Empfänger seine Verstärkung immer weiter aufdreht, um noch das letzte Bißchen an Signal auswerten zu können. Mit verrauschtem FM-Träger i. e. S. hat das aber nichts zu tun.

    Der Vorteil der Übertragung digitaler Datenströme liegt darin begründet, daß man diskrete Werte übermittelt. Der Wertevorrat ist begrenzt und somit gestaltet es sich relativ einfach, die Information auch aus einem stark verrauschten Träger zurückzugewinnen; der erforderliche Signal-Rauschabstand ist in diesem Kontext wesentlich geringer. Außerdem lassen sich auf die übertragenen Daten Korrekturalgorithmen anwenden, um Übetragungsfehler auszugleichen. Bei einer analogen Übertragung geht so etwas nicht. – Weiterhin kann jeder demodulierte Wert sinnvoll sein, d. h., zwischen bspw. 0.01V und 0.02V liegen in der analogen Welt auch wieder unendlich viele Zwischenschritte und das macht die Sache so kompliziert, zwischen wirklichem und verrauschtem Signalwert zu unterscheiden.

    Aber im Fazit stimme ich zu: Digital geht ausgezeichnet, bis zum Schluß, also bis kein empfangswürdiges Signal mehr vorliegt.

    Gruß,

    Michael

    • Hallo Michael,

      danke für deine sehr ausführliche Anmerkungen – denen ich absolut zustimmen kann. Es ist immer eine Gratwanderung wie technisch detailliert/genau man in einem solchen kurzen Blog-Beitrag arbeiten kann. Es soll ein kurzer Einblick in die Thematik darstellen – und keine wissenschaftliche Abhandlung. In so fern kann ich dir für deine tief gehende Weiterführungen danken.

      Besten Gruß

  2. Pingback: Shure SLX vs GLXD

  3. Das ist ein super Artikel. Ich muss mich da grade mit beschäftigen da ich eine Arbeit zu diesem Thema schreibe. Danke. Darf man die Bilder eventuell in einer Präsentation vor einer Klasse verwenden? Natürlich mit der Angabe der Quelle.

    • Danke Elmar,
      Ja – mit Quellenangaben – können die Bilder verwendet werden. Mit dem Hinweis, dass diese nur den Sachverhalt erklären sollen und nicht 100% technisch passen 🙂

      Besten Gruß Jürgen

  4. Pingback: Shure Funktechnik: digital vs. analog | Musikinstrumente und Musikequipment von Music-Town

  5. Der Artikel ist echt klasse! Vielen Dank für die ausführliche Besprechung des Themas. Ich selbst bin gerade auf der Suche nach gebrauchten Funkzubehör und hab bisher nur hier http://www.ebay.de/sch/Funktechnik-/1500/i.html was gefunden. Gibt es vielleicht noch speziellere Tauschbörsen, Seiten etc.? Wo bestellt ihr euer Zubehör?

  6. Pingback: Das Frequenzmanagement der digitalen SM und Beta Funksysteme | Shure Blog

  7. Pingback: Lösungen bei LTE-Funkstörungen – nicht nur für Kaneval-Vereine | Shure Blog

  8. Pingback: Setup-Videoanleitungen für PG, SM und Beta Funksysteme | Shure Blog

  9. Pingback: Entschädigungsleistungen für Nutzer von Funkmikrofonen | Shure Blog

  10. Pingback: Funkmikrofone: 2 Sender und 1 Empfänger? | Shure Blog

  11. Pingback: Anonymous

  12. Pingback: Die Fakten über digitale Funksysteme | Shure Blog

  13. Das ist wirklich 1a erklärt. Vielen vielen Dank für diesen Bericht. Er hat uns sehr geholfen. Wir werden jetzt unsere Funkstrecken zunächst bei einem Musiker umstellen. Ein wenig „Bedenken“ haben wir schon. M32 hat ja auch schon sicherlich 5ms Latenz. Da wir auch die Effektsektion nutzen, vermutlich in der Summe mehr als das. Gerade Sänger neigen dazu, dann „lauter zu singen“, vielleicht sogar zu brüllen. Immer auf der Suche, „da fehlt doch was“. Aber die Vorteile überwiegen und daher werden wir zum testen eine der Funkstrecken umstellen.

    Noch einmal,
    vielen Dank für die Mühe und das wirklich anschauliche erklären.

Kommentar verfassen

Trage deine Daten unten ein oder klicke ein Icon um dich einzuloggen:

WordPress.com-Logo

Du kommentierst mit Deinem WordPress.com-Konto. Abmelden / Ändern )

Twitter-Bild

Du kommentierst mit Deinem Twitter-Konto. Abmelden / Ändern )

Facebook-Foto

Du kommentierst mit Deinem Facebook-Konto. Abmelden / Ändern )

Google+ Foto

Du kommentierst mit Deinem Google+-Konto. Abmelden / Ändern )

Verbinde mit %s

%d Bloggern gefällt das: