Audiodekodierung im DAB-XPlorer

Die DAB-XPlorer-Software analysiert den einlaufenden Datenstrom eines kompletten DAB-Multiplexes. Teil der Software sind Audiodekoder für MPEG-1/2 Audio Layer 2 (Musicam im konventionellen DAB) und MPEG-4 HE AAC v2 (DAB+). Es laufen jeweils so viele Audiodekoder parallel, wie Audio-Services im Multiplex sind.

Grundsätzlich kennt die DAB-XPlorer-Software zwei Arten des Umganges mit den vom Audiodekoder gelieferten Qualitätsinformationen. Entweder werden die Fehler einfach gezählt oder die Zahl der beobachteten Fehler wird zu der jeweiligen Gesamtzahl beobachtbarer Fehler ins Verhältnis gesetzt und liefert so eine Angabe in Prozent oder als Fehlerrate in Exponentialdarstellung.

Damit die Audiofehler konventioneller DAB-Services mit denen von DAB+-Services in einer gemeinsamen Tabelle dargestellt werden können, wurden in der DAB-XPlorer-Software generische Namen für die einzelnen Fehlerraten definiert, die, je nach Audiokodierung, unterschiedliche Bedeutung haben. Dies sind:

• Errors

• CRC-Header

• CRC-Frame

• RS-BER (nur für DAB+)

• RS-Packets (nur für DAB+)

Diese Fehlerraten sind in der Tabelle SubCh Details im Modul ETI-XPlorer übersichtlich für alle Subchannel im Multiplex dargestellt.

Darstellung der Audio-Fehler im Modul ETI-XPlorer der DAB-XPlorer-Software

Audio-Fehler bei DAB

In klassischen DAB-Services erfolgt die Audiokodierung mit MPEG-1 Audio Layer 2 (auch bekannt als MP2 oder Musicam). Informationen über die Qualität der zu dekodierenden Audio-Frames lassen sich hier aus den Prüfsummen des Cyclic Redundancy Check (CRC) ablesen. Davon gibt es zwei, nämlich eine im Header und eine für die Skalenfaktoren. In der Terminologie des vielen Nutzern noch bekannten frühen DAB-Messempfängers DAB 752 von Philips entspricht der ISO-CRC dem Header CRC und der SF-CRC dem Skalenfaktor-CRC. Daneben zählte der DAB 752 auch noch die Anzahl der stummgeschalteten Audio-Frames. Da aber die Entscheidung, ab welchem Schädigungsgrad ein Audio-Frame verworfen, also stumm geschaltet wird, der Intelligenz des Audiodekoders obliegt, ist diese Zahl ein „weicher“ Faktor, der stark von der Implementierung des verwendeten Audiodekoders abhängt. Die DAB-XPlorer-Software beschränkt sich deshalb auf die Zählung der fehlerhaften Header-CRCs und der fehlerhaften Skalenfaktor-CRCs. Ferner wird noch ausgewertet, ob die als Datenstrom in den Audiodekoder fließenden Audio-Frames überhaupt als solche erkannt werden konnten.

Auf die Anzeige in der DAB-XPlorer-Software bilden sich die vom Audiodekoder gelieferten Informationen so ab:

Errors

Anzahl der seit dem Start des Audiodekoders nicht als solche erkannten Audio-Frames

CRC-Header

Anzahl von Audio-Frames mit fehlerhaftem Header-CRC zur Anzahl von erkannten Audio-Frames

CRC-Frame

Anzahl von Audio-Frames mit fehlerhaftem Skalenfaktor-CRC zur Anzahl von erkannten Audio-Frames

RS-BER

bleibt leer

RS-Packets

bleibt leer

Wichtig ist noch zu erwähnen, dass ein Audio-Frame durchaus noch (hörbare) Fehler enthalten kann, auch wenn alle Prüfsummen stimmen. Mit den CRCs wird nur die Korrektheit der sensibelsten Teile der Audio-Information geprüft.

Audio-Fehler bei DAB+

Codierung

Bei DAB+-Services erfolgt die Audiokodierung nach dem Standard MPEG-4 HE AAC v2. Auf der Ebene der Audiokodierung gibt es die sogenannten Access Units (AU), die 20 ms, 30 ms oder 40 ms lang und mit einem CRC versehen sind. Der gesamte sich ab hier anschließende Rest der Kodierung ist DAB-spezifisch und hat bereits nichts mehr mit dem eigentlichen AAC+-Dekoder zu tun.

Für den Transport über DAB werden die AUs zunächst zu 120 ms langen Superframes zusammengefasst. Der Superframe bekommt einen Header, der die Audio-Parameter und die Startpositionen der AUs innerhalb des Superframes enthält. Dieser Header wird mit einem Fire-Code geschützt, der es gestattet, Fehler im Header zu erkennen und einen einzelnen Burstfehler von bis zu 6 Bits zu korrigieren.

Danach werden aus den Superframes jeweils 120 Byte große RS-Pakete gebildet und über einen Reed-Solomon-Enkoder mit zusätzlichen Fehlerschutzbits versehen, die bei der Dekodierung eine Fehlerkorrektur ermöglichen sollen. Weil die zeitliche Länge der Superframes fest steht, hängt die Anzahl der pro Superframe übertragenen Bits und damit auch die Anzahl der für die Übertragung eines Superframes nötigen RS-Pakete von der Audio-Datenrate ab. Für eine Datenrate von 96 kBit/s werden z. B. 12 RS-Pakete zur Übertragung eines Superframes benötigt. Ein RS-Paket hat damit in diesem Beispiel eine Dauer von 10 ms.

Das folgende Bild gibt einen Überblick über die drei Fehlerschutzmechanismen.

Bildung eines Superframes bei DAB+. Die verschiedenen Fehlerschutzmechanismen sind rot markiert.

Dekodierung

Beim Empfang eines Subchannels mit einem DAB+-Audiosignal ist die erste Aufgabe, zunächst einmal zu erkennen, wo ein Superframe anfängt. Hier besteht die erste Möglichkeit, eine Qualitätsinformation abzuleiten, nämlich zu zählen, wie viele der eigentlich erwarteten Superframes nicht als solche erkannt werden.

Danach erfolgt die RS-Dekodierung. Dabei als fehlerhaft erkannte Bits werden (alle) vom RS-Dekoder korrigiert. Die maximale Fehlerrate liegt dabei bei $5\times {10}^{-2}$. Sind mehr Bits fehlerhaft, als korrigiert werden können, dann meldet der Dekoder dieses RS-Paket als fehlerhaft.

Im dritten Schritt wird der Fire-Code des Superframe-Headers geprüft. Verbleiben hier unkorrigierbare Fehler, so wird dies ebenfalls als Fehlerinformation gemeldet. Der Header wird dann nicht verwendet. Statt dessen nimmt der Dekoder den Header des vorherigen Superframes.

Schließlich können anhand der Parameter aus dem Header die Access Units gelesen und anhand ihrer CRCs geprüft werden. Wird dabei ein Fehler festgestellt, so wird die komplette Access Unit verworfen. Alle guten Access Units landen schließlich im eigentlichen Audiodekoder.

Auf die Anzeige in der DAB-XPlorer-Software bilden sich die so während der Dekodierung gelieferten Informationen so ab:

Errors

Anzahl der seit dem Start des Audiodekoders nicht als solche erkannten Audio-Frames

CRC-Header

Anzahl von Superframes mit vom Fire-Code des Superframe-Headers erkannten Blockfehlern zur Anzahl von erkannten Superframes

CRC-Frame

Anzahl von Access Units mit fehlerhafter Prüfsumme zur Anzahl von insgesamt erkannten Access Units

RS-BER

Anzahl der vom Reed-Solomon-Dekoder erkannten und korrigierten Bitfehler zur Gesamtzahl der übertragenen Bits (max. $5\times {10}^{-2}$

)

RS-Packets

Anzahl der als RS-Pakete mit nicht korrigierbaren Fehlern zur Gesamtzahl der übertragenen RS-Pakete

Interpretation in der Praxis

Was will der Praktiker wissen?

Schlussendlich möchten wir wissen, ob das empfangene Audiosignal dem Hörer noch zugemutet werden kann oder nicht. Deshalb ist es wichtig, zu wissen, wie sich die angezeigten Fehlerraten im Höreindruck abbilden. Die folgenden beiden Abschnitte geben dazu eine Interpretationshilfe, indem sie die angezeigten Parameter entsprechend der Stärke ihres Einflusses auf den Höreindruck sortieren und werten.

DAB

Sortiert nach der Reihenfolge ihres Auftretens und der Schwere der Beeinträchtigung des Höreindrucks ergibt sich bei Musicam-codierten Services das folgende Bild:

keine Fehler

Das kann bedeuten, dass die Wiedergabe tatsächlich einwandfrei ist. Es kann aber auch sein, dass unerkannte Fehler im Datenstrom sind, die von feinen Ohren in ruhiger Umgebung gehört werden.

CRC-Frame

Diese Skalenfaktorfehler sind praktisch immer hörbar. Insbesondere beim mobilen Empfang sind aber gelegentliche niedrige Fehlerraten noch tolerierbar.

CRC-Header

Diese Fehler sind im Allgemeinen deutlich zu hören, aber für den leidgeplagten UKW-Hörer insbesondere bei mobilem Empfang noch auszuhalten.

Error

Nicht erkannte Audio-Frames führen in jedem Fall zu einem Drop-Out von mindestens 24 ms und damit zu einer sehr stark gestörten Wiedergabe.

DAB+

keine Fehler

Die Wiedergabe ist einwandfrei und ohne Fehler.

nur RS-BER

Dieser Parameter zeigt an, dass der Reed-Solomon-Dekoder das tut, wofür er gemacht ist, nämlich Fehler korrigiert. Das ist bei Mobilempfang die Regel und auch beim stationären Empfang häufig zu beobachten. Die Wiedergabe ist einwandfrei und ohne Fehler.

RS-Packets

Ab dem Punkt, wo die Fehlerkorrektur des RS-Dekoders versagt, ist bei DAB+ in der Praxis schon alles verloren. Theoretisch besagen RS-Packetfehler allein zwar noch nicht viel. Die folgenden Fehler treten jedoch bei noch schlechter werdendem oder wechselndem Übertragungskanal sehr schnell hinzu und die Wiedergabe ist deutlich gestört.

CRC-Frame

AU-CRC-Fehler bedeuten, dass 20 ms, 30 ms bzw. 40 ms lange Access Units komplett fehlen. Die Wiedergabe ist damit stark gestört.

CRC-Header

Diese Fehler zeigen an, dass der Fire-Dekoder den Superframe-Header verworfen hat. Für sich genommen ist das nicht schlimm, weil der Header des vorherigen Superframes genommen werden kann. In der Praxis treten diese Fehler aber erst sehr spät zusammen mit deutlich erhöhter RS-Packet-Fehlerrate und AU-CRC-Fehlern auf. Die Wiedergabe ist sehr stark gestört.

Errors

Mit nicht erkannten Superframes fehlen Abschnitte von 120 ms Dauer.