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Die elektronische Aufzeichnung und die Übertragung von Tonsignalen in digitaler Technik, wie sie heute z. B. für die Compact Disc (CD) und den Digitalen Satelliten Rundfunk (DSR) genutzt wird, erfordert einen Datenstrom von 1.410 kbit/s. (CD) bzw. 928 kbit/s. (DSR).

Dieser große Datenstrom hat bisher die Anwendung der Digitaltechnologie auf weiteren Gebieten der Audiotechnik (z. B. Tonaufzeichnung mit mehr als einer Stunde Dauer auf selbst bespielbarer CD) sowie für eine terrestrische Ausstrahlung von Hörfunkprogrammen (preisgünstige Endgeräte) verhindert.

Um einen Eindruck der herausragenden Qualität des Quellencodierverfahrens MUSICAM zu vermitteln, hat der Bayerische Rundfunk diese Compact Disc produziert, auf der die "Symphonische Peripetie für Orgel und Orchester" von Rafael Kubelik zunächst mit normaler CD-Codierung und nach einigen kurzen Hörbeispielen nach dem MUSICAM-Verfahren zu hören ist. Die für den Hörer trotz drastischer Datenreduktion gleichbleibende Tonqualität ist verblüffend.

Sir Colin Davis, den Mitgliedern des Symphonieorchesters des Bayerischen Rundfunks sowie allen an der Produktion beteiligten Mitarbeitern des Instituts für Rundfunktechnik und des Bayerischen Rundfunks möchte ich meinen besonderen Dank aussprechen.
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Ein Datenreduktionsverfahren zur digitalen Übertragung und Speicherung von Audiosignalen. Am IRT (Institut für Rundfunktechnik) wurde in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern des CCETT (Centre Commun d'Etudes de Teledif-fusion etTelecommunications, Frankreich) und Philips (Holland) das MUSICAM-Verfahren /l,2/, ein im Bereich der digitalen Tontechnik universell anwendbares Quellencodierverfahren für hochqualitative Audiosignale entwickelt.

Die Entwicklungen auf dem Gebiet der Audiotechnik werden sowohl im professionellen als auch im Heimbereich zunehmend durch Digitaltechnik bestimmt. Bis vor ca. 5 Jahren waren die Entwicklungen auf dem Gebiet der Quellencodierung hauptsächlich auf eine bitsparende Codierung von Sprachsignalen für Anwendungen in der Telekommunikation beschränkt.

Heute spielen Quellencodierverfahren für die Datenreduktion von hochwertigen Tonsignalen eine immer größere Rolle. Ein Grund hierfür ist der direkte Zusammenhang zwischen der hohen Übertragungsrate oder der Speicherkapazität, die für 16 Bit linear codierte Signale (DSR; CD) notwendig ist und den Kosten für Übertragungswege bzw. den Kosten für Speicherelemente.

Jedoch auch technische Gründe, wie eine optimale Ausnutzung vorhandener Frequenzbereiche für ein zukünftiges terrestrisches digitales Rundfunksystem rechtfertigen die Forderung nach leistungsfähigen Quellencodierverfahren, weil damit die Anzahl der Programme in einem solchen Hörrundfunksystem erhöht werden kann.

Durch große Fortschritte bei der Entwicklung von Quellencodierverfahren, die unsere heutigen Kenntnisse über das menschliche Gehör nutzen, ist es mittlerweile möglich, die Bitrate für hochwertige Stereo-Audiosignale, die bei einer CD 1.411 kbit/s beträgt, auf etwa 200 kbit/s zu reduzieren.

Dies bedeutet, daß bezogen auf eine Abtastfrequenz von 44,1 kHz die mittlere Quantisierung des Audiosignals im Vergleich nur etwas mehr als 2 Bit pro Abtastwert im Monokanal betragen würde. Trotz dieser starken Reduktion der Datenrate treten auch für das geschulte Gehör keine wahr-
nehmbaren Qualitätsunterschiede auf. Erst bei noch stärkerer Reduktion können geringfügig wahrnehmbare Beeinträchtigungen auftreten.

Ziel der noch laufenden Entwicklungsarbeiten ist es, für die Ausstrahlung eines Stereoprogramms in einem terrestrischen digitalen Rundfunksystem DAB(Eureka-ProjektEU 147) eine Datenrate von 128 kbit/s zu erreichen.

Redundanz- und Irrelevanzreduktion
Maßgeblicher Bestandteil der Quellencodierung ist die Reduktion der im Tonsignal enthaltenen Redundanz und Irrelevanz. Irrelevante Signalteile, wie sie in jedem Tonsignal enthalten sind, tragen nicht zur Identifizierung des Schallsignals also zur Bestimmung der Klangfarbe und Lokalisation bei. Sie sind damit für das menschliche Gehör und die nachfolgenden informationsverarabeitenden Stufen im Gehirn unbedeutend.

Die Irrelevanzreduktion besteht darin, daß solche Signalanteile nicht übertragen werden und darüberhinaus bestimmte Quantisierungsverzerrungen zugelassen werden, die aufgrund der Maskierungseffekte vom Gehör verdeckt werden. Jedes Tonsignal erzeugt im Gehör eine Mithörschwelle, die vom spektralen und zeitlichen Verlauf des Signals abhängt. Das Tonsignal kann deshalb als Maskierer bezeichnet werden. Die spektrale Mithörschwelle, die längs der Frequenzachse abhängig vom Maskierer und dem Abstand zu diesem bestimmt wird, ist ein Maß dafür, bei welchem Pegel ein zusätzlich eingeführter Testton oder ein Schmalbandrauschen mit der entsprechenden Frequenz gerade noch hörbar ist, d.h. an der Wahrnehmbarkeitsschwelle liegt.

Der insgesamt zu übertragende Bitstrom enthält neben den codierten Abtastwerten die für den Decoder notwendige Nebeninformation, bestehend aus der Bitzuweisung und den Skalenfaktoren. Die Skalenfaktoren werden bestimmt, indem für jedes Teilband und in jedem Block der maximale Abtastwert gesucht und mit 6 Bit quantisiert wird. Die Skalenfaktoren decken einen Dynamikbereich von 120dB ab. Damit können auch zukünftige mit bis zu 20 Bit quantisierte PCM-Signale unter Beibehaltung ihres Dynamikbereiches codiert werden.

Da bei den meisten Anwendungsfällen für die Übertragung des Tonsignals eine konstante Bitrate gefordert ist, muß die dynamische Bitrate blockweise auf einen konstanten Wert, z.B. 256, 192 oder 128 kbit/s (stereo) gebracht werden. Bei einer Bitrate von 256 kbit/ s steht nahezu immer eine dynamische Bitflußreserve zur Verfügung.

Diese kann in verschiedener Hinsicht genutzt werden:

• 1. Erhöhung des Verhältnisses von Mithörschwelle zu Quantisierungsrauschen um eine beliebige Nachbearbeitung der codierten Audiosignale, wie Änderung des Frequenzganges, Dynamikkompression oder auch mehrmalige Codierung und Decodierung zu ermöglichen.
• 2. Variabler Fehlerschutz mit höherem Schutz der leisen, gegenüber Bitfehlern besondersempfindlichen Passagen.
• 3. Übertragung von programmspezifischer Zusatzinformation.

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Eine breite Anwendung für ein Toncodierverfahren wie MUSICAM ist in einem zukünftigen digitalen terrestrischen Hörrundfunksystem (/4/) zu sehen. Hierbei ergeben sich folgende Anforderungen an die Quellencodierung:

• • Tonqualität entsprechend dem heutzutage erreichbaren Standard (z.B. Compact Disc, oder R-DAT).
• • Vielfältiges, d.h. großes Programmangebot auch von Anbietern aus überregionalen Bereichen. Die Datenrate sollte für ein Stereoprogramm so gering sein, daß in einer Bandbreite von 4 MHz bis zu 16 Stereoprogramme inklusive Fehlerschutz und Zusatzinformationen untergebracht werden können.
• • Deutliche Verbesserung der Qualität bei mobilem Empfang, durch Wegfall der typischen Empfangsbeeinträchtigungen, die sonst bei einer UKW-FM-Übertragung auftreten.

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Mit einer Bitrate von 128 kbit/s pro Stereokanal werden sich diese Forderungen auf jeden Fall realisieren lassen. Damit eignet sich MUSICAM als Quellencodierverfahren besonders für hochqualitative Übertragungen von Musik-signalen bei digitalem Rundfunk, für Fernsehton mit mehreren Kanälen bei HDTV, sowie für die Speicherung von Tonsignalen in digitaler Form mit allen denkbaren unterschiedlichen Speichermedien. Neben der direkten Rundfunkausstrahlung terrestrisch oder über ein Satellitensystem kann MUSICAM auch für die Verbesserung von Übertragungen eingesetzt werden, die die Rundfunkanstalten zu Reportagezwecken über das allerorten verfügbare öffentliche Telefonnetz abwickeln.

In einer höheren Qualitätsstufe eignet sich MUSICAM auch für die Übertragung von Tonsignalen zwischen Rundfunkanstalten im nationalen und internationalen Programmaustausch. Mit z.B. 384 kbit/s (stereo) kann ein ausreichender „Headroom" geschaffen werden, um im Studio die typischen Nachbearbeitungen wie Filterung, Verhallung, Bearbeitung mit Effektgeräten, Kompression und Schneiden zu ermöglichen.

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1. Stoll, G. und Dehery, F.: High quality audio bit-rate reduction family for different applications. IEEE International -Conference on Communications, April 1990, Nr. 322.3, S. 937-941.
2. Wiese, D. und Stoll, G.: Bitrate Reduction of High Quality Audio Signals by Modeling the Ears Masking Thresholds. - 89th AES Convention, 1990, Los Angeles Preprint No. 2970.
3. Zwicker, E. und Feldtkeller, R.: Das Ohr als Nachrichtenempfänger. S.Hirzel Verlag, Stuttgart, 1967.
4. Müller-Römer, F.: Digitaler terrestrischer Hörfunk (Digital Audio Broadcasting - DAB). Veröffentlichung der Technischen Direktion des Bayerischen Rundfunks zu Fragen der zukünftigen Medientechnik, März 1990.

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Die CD beginnt mit der „Symphonischen Peripetie" von Rafael Kubelik (Track Nr.l). Das Werk wurde ohne Datenreduktion in konventioneller 16 bit PCM-Technik aufgenommen. Die Tracknummern 2 bis 14 kennzeichnen 3 Abschnitte des Werkes von jeweils etwa 20 Sekunden Dauer, die die subjektive Tonqualität der Signale in Abhängigkeit von der für die Codierung zur Verfügung gestellten Bitrate aufzeigen.

Gegenwärtig wird für die praktische Anwendung mit hohem Qualitätsanspruch die Bitrate von 192 kbit/s pro Stereokanal empfohlen. Die beiden anderen Bitraten dienen hier nur zum Vergleich und eignen sich für andere Anwendungen.

Für jeden Ausschnitt werden die Tonbeispiele in der Reihenfolge „A - B - A - B" dargeboten, wobei A jeweils die Referenz, d.h. der in 16-Bit PCM-Technik aufgezeichnete Ausschnitt(1411 kbit/s, Stereo) und B jeweils die MUSICAM-codierte Version desselben Ausschnitts beinhaltet; die Datenrate bezieht sich auch hier auf das Stereosignal.

Die Differenz zwischen dem 16-Bit PCM-Originalsignal und dem MUSICAM-codierten Tonsignal stellt, didaktisch gesehen, ein ausgezeichnetes Hilfsmittel dar, um den irrelevanten Anteil des Tonsignals zu veranschaulichen.

Dieser Teil des Tonsignals setzt sich aus all den unwichtigen, nicht übertragenen Teilbandsignalen und den aufgrund der Verdeckungs-eigenschaften des Gehörs erlaubten Quantisierungsverzerrungen zusammen.

Das Differenzsignal ist folglich ein Maß für den „erlaubten Fehler" bei der Codierung, ohne daß dieser beim Anhören des codierten Signalswahrgenommen werden kann.

Für den Ausschnitt 2 wurde das Differenzsignal bei den Bitraten 256,192 und 128 kbit/ s pro Stereokanal berechnet und auf die CD aufgezeichnet.
Um ein Gefühl für die Lautstärke des „erlaubten Fehlers" zu erhalten, werden die Differenzsignale im Vergleich zum Originalsignal dargeboten. Beachten Sie bitte, daß keinerlei Pegelkorrekturen zwischen Original- und Differenzsignal vorgenommen wurden.

Track 11 Original
12 256 kbit/s >
13 192 kbit/s > Differenzsignal
14 128 kbit/s >

Die CD endet mit einer Wiederholung des kompletten Werks von R. Kubelik (Track 15), das im Vergleich zum ersten Mal einer Codierung mit MUSICAM bei einer Bitrate von 256 kbit/s (Stereokanal) unterzogen wurde.
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