Die beste Audioqualität
Snom Wissen: Audio
Wie funktioniert eigentlich digitale Sprachübertragung?
Eines der zentralen Grundbedürfnisse des Menschen ist die Kommunikation.
Kommunikation mittels Gesten, Gesichtsausdrücken, (Schrift-)Zeichen – aber vor allem die mündliche Sprache. Denn diese hat gegenüber den Gesten und Zeichen einen Vorteil: sie besteht aus mehreren Komponenten (Wortwahl, Betonung) – kann also eindeutiger den Sinn des Gesagten vermitteln. Schon eine leichte Pause vor einem Wort, eine etwas andere Betonung – und eine Aussage wird plötzlich in ihr Gegenteil verkehrt. So ist es lange nicht so wichtig, bei einem Gespräch seine Gegenüber auch zu sehen, die Inhalte werden vorrangig über den Klang und die Worte übermittelt.
Umso wichtiger ist es also, bei der Übertragung von Gesprächen diese nach Möglichkeit genauso zu übertragen, wie sie ursprünglich klingen – ohne Verzögerung, ohne Verfälschungen – eben genauso als säße der Sprecher neben einem.
Und genau hier liegt die erste Hürde in der Telefonie – und erst recht in der Digitalen. Denn hier ist alles möglich - im Guten wie im schlechten Sinne!
Einführung
Wer denkt schon darüber nach, was in seinem Telefon eigentlich vorgeht, wenn man den Hörer abnimmt um zu telefonieren? Wir möchten Ihnen im heutigen Video die komplizierten Vorgänge der Echtzeitkommunikation einmal näherbringen. Alles beginnt mit dem Gesprochenen Wort. Ein Mikrofon am Hörer zeichnet dabei den Schalldruck des gesprochenen Wortes auf und wandelt diesen in eine Amplitude, also ein analoges Signal um. Die Amplitude stellt dabei z.B. die Lautstärke oder Frequenz des gesprochenen Wortes da.
Im nächsten Schritt muss dieses Signal digitalisiert werden. Dafür muss die vorherige Wellenform bzw. deren Amplitude „quantisiert“ werden. In diesem Vorgang wird der Zustand des Signals mit einem eindeutigen, bestimmten Wert definiert. Beispielsweise mit einer 1 oder einer 0 je nach Amplitudenhöhe.
Dadurch wird die vorherige Welle in einem Raster aufgelöst wobei jeder „Ausschlag“ in diesem Raster der Form der vorherigen analogen Amplitude gleicht.
Um möglichst wenig Informationen bei der Digitalisierung des Signals zu verlieren ist die Abtastrate der Quantisierung entscheidend – also wie fein das Raster die vorherige Amplitude abtastet.
Mit der reinen Digitalisierung ist es aber noch nicht getan – das Signal muss nun aufbereitet, komprimiert und vor allem versandbereit gemacht werden. Das alles muss natürlich unterbrechungsfrei und ich Echtzeit geschehen – und das dazu noch extrem effizient.
Der Codec
Der Codec digitalisiert nicht nur das Signal er komprimiert es außerdem – verkleinert also die Dateigröße ohne dabei aber das Signal zu sehr zu verschlechtern. Gleichzeitig dekodiert der Codec aber auch das Signal wieder bei der Gegenstelle und sorgt für die Rückumwandlung zu einem analogen Signal das wir verstehen können.
Kompression spielt in der Echtzeitkommunikation eine wichtige Rolle. Das Signal muss schließlich möglichst in Echtzeit und unterbrechungsfrei bei der Gegenstelle ankommen. Gleichzeitig bedeutet eine Kompression aber auch immer einen Verlust von Qualität – wird doch das ursprüngliche Signal beschnitten.
Das Kompression nicht immer etwas Schlechtes sein muss, zeigt das Beispiel MP3. Bei dieser Art der Kompression werden Signale die durch andere, lautere Signale überdeckt werden einfach weggeschnitten. Das bedeutet weniger Informationen und somit kleinere, effizientere Dateien.
Ähnlich arbeiten auch Codecs in der IP-Telefonie um möglichst kleine und effiziente Datenpakete zu schaffen. Und das funktioniert wie folgt:
Der Codec tastet alle 125 Mikrosekunden bei einer Abtastrate von 8.000 Herz das Audiosignal ab und erstellt ein Sample. Dieses Sample wird dann auf 8bit komprimiert indem beispielsweise der Frequenzbereich von ursprünglich 15.000 Herz auf 3.000 – 3.400 Herz reduziert wird.
Echtzeitkommunikation
Nachdem das Signal komprimiert und optimiert und außerdem in kleine Datenpakete aufgeteilt wurde müssen die Pakete nun noch möglichst effizient und schnell zum Empfänger gesendet werden. Dafür werden verschiedene Protokolle eingesetzt die direkt im SIP-Protokoll integriert sind. Das SIP-Netzwerkprotokoll übernimmt dabei die Steuerung und die Kommunikationssitzung zwischen zwei oder mehreren Teilnehmern. Dabei handelt das SIP-Protokoll nicht nur die Kommunikationsmodalitäten aus, in das Protokoll selbst sind auch weitere Protokolle eingebunden wie das (S)RTP- oder UDP-Protokoll.
Die Kommunikation bei der Internettelefonie muss in Echtzeit stattfinden, das heißt die zuvor erstellen Datenpakete müssen möglichst schnell und vor allem zum richtigen Zeitpunkt beim Empfänger ankommen, entpackt und zurück convertiert werden. Die Aufgabe die Pakete für den Versand vorzubereiten hat das so genannte RTP (Real-Time-Transport Protokoll). Ähnlich wie bei der Post sorgt dieses Protokoll dafür das die einzelnen Datenpakete möglichst effizient und mit allen nötigen Informationen die später zum dekodieren der Pakete benötigt werden, versendet werden können.
Sind alle Pakete vorbereitet übernimmt das so genannte UDP-Protokoll (User Datagram Protocol). UDP ist ein minimales verbindungsloses Netzwerkprotokoll das zur Transportschicht der Internetprotokolle gehört. Es ermöglicht dabei den schnellen Versand der Datenpakete über Rechnernetze und das Internet.
Das UDP Protokoll arbeitet dabei allerdings nur einseitig, das heißt es verschickt Datenpakete komme was wolle und weiß dabei nie ob die Pakete auch vollständig beim Empfänger angekommen sind. Das ist auch der Grund, wieso die Pakete in den vorherigen Schritten möglichst effizient und klein gepackt wurden, denn kann eines der Pakete nicht rechtzeitig genug versendet werden oder kommt es nicht vollständig beim Empfänger an gilt es als verloren.
Ist das Datenpaket vollständig beim Empfänger rechtzeitig angekommen, beginnt der ganze Prozess wieder von vorne, allerdings in umgedrehter Reihenfolge. Die benötigten Datenpakete werden zusammengefasst und entpackt, das digitale Audiosignal wird zu einem analogen Signal umgewandelt und über den im Hörer integrierten Lautsprecher ausgegeben.
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