Etwas anderes als Sprache über D-STAR übertragen?

Digitale Übertragung über schmale Funkkanäle verlangt nach einer ganzen Menge an Kompromissen. Notwendig sind Sprach-Kodierer (Vocoder), die den Informationsinhalt auf das reduzieren, was für die Verständlichkeit menschlicher Sprache noch ausreichend ist. Doch was passiert, wenn man über eine solche Funkstrecke etwas anderes als menschliche Sprache übertragen möchte? Einfach gesprochen: es geht schief, wie die Funkamateure der Utah VHF Society in einer sehr lesenswerten (englischsprachigen) Web-Veröffentlichung dargelegt haben.

Aber warum sollte man so etwas überhaupt untersuchen? Vielleicht kommt ja mal jemand auf die Idee, „Soundkarten“-Betriebsarten wie BPSK31, MT63 und Konsorten auch über D-STAR zu versuchen (über FM geht das prima). Wer den Artikel liest, weiß, dass man sich das sparen kann.

Aber es gibt zwei Spezialfälle, über die es sich durchaus nachzudenken lohnt:

  • Neue D-STAR-Funktionen wie CCS lassen sich am bequemsten per DTMF bedienen. Aber gerade neuere Geräte wie ID-31 oder ID-51 sind da nicht mehr so komfortabel wie die älteren Handfunk- oder Mobilgeräte. Ein paar Mal hörte ich schon den Vorschlag, einfach eine alte Fernbedienung für Anrufbeantworter herzunehmen und die DTMF-Tonfolgen übers Mikrofon einzugeben (funktioniert bei Echolink ja auch, wenn auch eher schlecht als recht).
  • Eine andere Nicht-Sprach-Quelle ist … Lärm. Der muss natürlich mit betrachtet werden, wenn der Sprecher in einer lauten Umgebung steht, zum Beispiel bei Notfunkeinsätzen direkt neben einem Stromaggregat.

Die Tests

Die Funkamateure aus Utah haben nun unterschiedliche Signalquellen über zwei IC-91 jeweils in FM und D-STAR übertragen (das sendende Handfunkgerät natürlich an einer Dummy Load). Dabei war die Feldstärke am Empfänger so stark, dass keine Bitfehler in der Übertragung auftraten, alle dokumentierten Artefakte sind auf den Vocoder selbst zurückzuführen.

Die Tests umfassten:

  • Mehrere Musikstücke
  • Einzelne Töne unterschiedlicher Frequenz
  • DTMF-Töne
  • Mehrere Sprecher gleichzeitig
  • Lärm (Sprecher neben einem Stromaggregat)

Die empfangenen Signale sind in dem verlinkten Dokument als MP3-Dateien gut dokumentiert.

Diskussion der Resultate

Nicht überraschend, und auch nicht weiter schlimm: die Musikübertragung funktioniert überhaupt nicht. Die spektralen Inhalte sind einfach zu komplex für die einfachen Annahmen des Vocoders.

Bei der Reproduktion von Einzeltönen und besonders beim Durchfahren von phasenkontinuierlichen Frequenzrampen bemerkten die Experimentatoren, dass der Vocoder gar nicht beliebige Frequenzen generieren kann, sondern nur diskrete Werte, und dass er schnellen Frequenzrampen gar nicht mehr folgen kann.

Schwerwiegender für die Praxis: in Gegenwart von Umgebungsgeräuschen (die von lauten Hintergrundstimmen oder auch Maschinen stammen können), fällt die D-STAR-Übertragung in ihrer Verständlichkeit stark gegenüber FM ab.

Und nun zur DTMF-Übertragung: auch diese versagte in den Experimenten, obwohl der AMBE-Vocoder laut Datenblatt spezielle Features für deren Übertragung bereit hält. Wohlgemerkt, hier wurden analoge DTMF-Signale auf den Mikrofoneingang gegeben und dann übertragen. Die Autoren konnten aber nicht zweifelsfrei klären, ob dies ggf. auf eine Geräte-Fehlfunktion oder auch eine unvollständige Implementierung des Vocoders in diesen recht frühen D-STAR-Geräten zurückzuführen ist.

Ein Test mit modernen D-STAR-Geräten würde sich also anbieten.

Drückt man die DTMF-Tasten am Handfunkgerät, werden übrigens keine analogen Töne erzeugt  – dies geschieht nur zur akustischen Signalisierung an den Nutzer. Die kodierten DTMF-Töne werden im Vocoder direkt digital erzeugt, deshalb funktioniert die Repeaterkontrolle oder auch das Einleiten von CCS-Routing auf diesem Weg auch so gut.

Die Autoren der Studie weisen mit Recht darauf hin, dass diese Beobachtungen wahrscheinlich auch für andere Sprach-Vocoder mit niedriger Bitrate zutreffen. Ein Vergleich unterschiedlicher, im Amateurfunk gebräuchlicher digitaler Funksysteme wäre hier hoch willkommen.

Mich persönlich hat die Studie nicht überrascht, obwohl ich ein D-STAR-Befürworter bin. Als technisch aufgeklärte Zeitgenossen sollten wir uns vor pauschalen Aussagen hüten, wie sie bei der Einführung des digitalen BOS-Funks getroffen wurden, dem allgemein „eine viel bessere Sprachverständlichkeit“ bescheinigt wurde. Das kann gar nicht sein, auch der dort verwendete ACELP-Vocoder ist verlustbehaftet und die Sprache einer rauschfreien FM-Übertragung hört sich natürlicher an und ist verständlicher. Was gemeint ist: digitale Sprachübertragung hat eine konsistentere Sprachqualität und -verständlichkeit.

Zumindest, bis die Bitfehlerrate zu hoch wird und die Verbindung abrupt ganz abreißt – aber das ist ein Thema für einen anderen Tag.

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