Audio-Ströme

Powerline verteilt Musik im Haus

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Musikalische Untermalung im Bad, in der Küche und im Hobby- oder Waschkeller hätte jeder gern, möglichst gar in CD-Qualität. Doch das lästige und aufwendige Strippenverlegen vom zentralen Verstärker in die Zimmer hält einen meist doch davon ab, ein solches Projekt anzugehen. Die Musikübertragung per Powerline verspricht Abhilfe.

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Lästige Hausarbeiten gehen mit Musik leichter von der Hand. Hier etwas kochen, dort etwas einräumen, die Betten machen, Staub saugen, die Waschmaschine einräumen oder Wäsche bügeln, ständig ist man unterwegs - doch Verstärker und Boxen wandern nicht mit. Wie kommt der fleißige Hausmann nun überall in den Genuss von Musik, und das in vernünftiger Wiedergabequalität?

Gewiss könnte man sich auch von einem Walkman oder CD-Player takten lassen oder den Boxen soviel Zunder geben, dass man die Musik auch noch im Bad mit Schaum in den Ohren vernimmt. Aber man ist ja bequem und will die aktuelle Lieblings-CD bei der Hausarbeit nicht immer mitschleppen; und dreht man die Stereoanlage so weit auf, dass die Musik in jedem Zimmer zu hören ist, bekommt man schnell Besuch vom Nachbarn. Auch schränkt ein tragbarer CD-Player die Bewegungsfreiheit ein. Optimal sind Lautsprecher in jedem Zimmer, ohne dass Anschlusskabel zur Stolperfalle geraten, oder noch schlimmer, die Ausstrahlung der Wohnungseinrichtung negativ beeinflussen.

Eine mögliche Lösung ohne eigens verlegte Boxenkabel heißt Powerline und erlaubt die Übertragung von Daten über die 230-Volt-Steckdose, also über das Stromnetz. Ein typisches Szenario kann etwa so aussehen: Im Wohnzimmer steht ein moderner CD-Player, der seine Audiosignale nicht nur über die üblichen analogen und digitalen Ausgänge abgibt, sondern auch per Powerline-Modem - ein Gerät, das Daten auf das Stromnetz schickt und sie von dort empfängt - das Stromkabel nutzt, um die Musik direkt in das Hausnetz einzuspeisen. In allen Räumen, die mit derselben Musik von der zentralen Anlage versorgt werden sollen, stehen spezielle Aktivboxen, die über die Steckdose sowohl elektrische Energie als auch die wiederzugebende Musik beziehen.

Die Projektgruppe Netzzugangstechnik des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Schaltungen in Nürnberg hat einen Prototypen des beschriebenen Übertragungssystems entwickelt und unter realen Bedingungen im Eigenheim getestet. Als Grundlage fungierten Powerline-Modems, die die Münchner Firma Polytrax freundlicherweise zur Verfügung gestellt hat.

Üblicherweise liegt die Datenrate von digitaler Musik - etwa am digitalen Ausgang eines CD-Spielers - bei rund 1,4 MBit/s. Die verwendeten Powerline-Modems können jedoch höchstens etwa 150 kBit/s über die Stromleitung schicken. Damit dennoch die Musik ‘durch die Steckdose passt’, muss der Datenstrom komprimiert werden. Dazu kommt der inzwischen weltweit verbreitete Kompressionsstandard MPEG 2 Layer 3 (MP3) zum Einsatz, der ohne wesentliche Einschränkung der Musikqualität eine Datenreduktion um den Faktor 11 schafft. Damit kommt man auf 128 kBit/s herunter, was immer noch einer CD-nahen Musikqualität - von MP3-Playern bekannt - entspricht.

MP3-Encoder und -Decoder
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Während die Empfänger mit gängigen und einfachen MP3-Dekodierchips auskommen, braucht der Encoder auf der Senderseite etwa die vierfache Rechenleistung. Derzeit arbeitet dort ein dedizierter digitaler Signalprozessor (DSP).

Zunächst komprimiert ein MP3-Encoder die digitalen Musikdaten des CD-Players in Echtzeit. Dann schickt er das Resultat über eine serielle Schnittstelle an das Powerline-Modem. Letzteres moduliert die Informationen auf das 230-Volt-Stromnetz. Das an einer anderen Steckdose im Gebäude angeschlossene Empfänger-Modem demoduliert die Daten und gibt sie an einen MP3-Decoder weiter. Der wiederum dekomprimiert die MP3-Musik in Echtzeit und gibt sie als analoge Spannung an Aktivboxen weiter. Die erst bringen den Sound zu Gehör.

Da beim MP3-Verfahren die Dekodierung mit wesentlich weniger technischem Aufwand als die Kodierung möglich ist, zählt man es zu den asymmetrischen Verfahren. Diese Eigenschaft kommt der Musikübertragung über die Steckdose entgegen: Meist stehen einer Station mit Musikeinspeisung mehrere wiedergebende Einheiten gegenüber. Während die Decodierung mit vergleichsweise schwachbrüstigen digitalen Signalprozessoren (DSPs) mit ungefähr 20 MIPS Rechenleistung oder fertigen Komponenten aus MP3-Playern machbar ist, braucht man für den Encoder im CD-Player einen kräftigeren DSP mit etwa 80 MIPS. Dementsprechend würden die Encoder-Modems als Komponente in großen Stückzahlen für HiFi-Hersteller mit etwa 50 Mark etwas teurer sein als die Empfänger (rund 40 Mark).

Von einer einfachen, steckbaren Verbindung, wie man sie etwa von Lautsprecherkabeln kennt, erwartet man nach dem Einstöpseln eine reibungslose Übertragung. An dieser Erwartung haben die Powerline-Entwickler generell zu knapsen, denn technisch bedingt kann die Datenübertragung übers Stromnetz nie die Störsicherheit einer direkten, unvermittelten Übertragung erreichen: Während die direkte Verbindung allein durch die Wahl des geeigneten Kabeltyps störsicher wird, muss Powerline in jedem Fall mit der vorhandenen Hausinstallation auskommen. Deren Leitungen sind jedoch darauf optimiert, elektrische Leistung zur Verfügung zu stellen, und besitzen beispielsweise keinerlei Abschirmung. Deshalb haben die Energiekabel unerwünschte Antenneneigenschaften, sowohl sende- wie empfangsseitig; sie senden Störungen aus und fangen umgekehrt auch Störsignale ein.

Die verwendeten Powerline-Modems benutzen die Cenelec-Bänder B (95 bis 125 kHz) sowie D (140 bis 148,5 kHz). Damit sind gegenseitige Beeinflussungen mit Powerline-Modems für den Internetzugang - der im vorstehenden Artikel beschriebene Access- oder Outdoor-Bereich - unwahrscheinlich, da letztere üblicherweise auf Frequenzen oberhalb von 1 MHz arbeiten. Die ‘Audio’-Modems dürfen laut Cenelec mit maximal 116 dBµV (0,63 V) senden; dieser vergleichsweise kleine Pegel entspricht - bezogen auf die Netzspannung von 230 Volt - einem 1,8 m großen Surfer, der auf einer 660-Meter-Welle reitet.

Da das Stromnetz nicht für die Informationsübertragung prädestiniert ist, wird man auf diesem Übertragungsmedium mit Störungen konfrontiert, die bei drahtgebundener Datenübertragung normalerweise nicht auftreten. Neben dem immer vorhandenen Rauschen zeigt sich, dass Störungen, die aus angeschlossenen Energieverbrauchern kommen, die dominante Rolle spielen. Solche Störungen können schmalbandig oder breitbandig sein, periodisch oder auch sporadisch auftreten.

Da Stromleitungen im nachrichtentechnischen Sinn nicht angepasst abgeschlossen sind - so mancher hat am Koax-Ethernet oder bei SCSI-Bussen erlebt, dass ohne Terminatoren kein Netz- oder Plattenzugriff funktioniert -, kann es zu mehr oder weniger stark ausgeprägten Signalreflexionen an offenen oder fehlangepassten Leitungsenden kommen. Das führt zu einem stark frequenzselektiven Übertragungsverhalten des Kanals. Stichleitungen - etwa ein in der Mitte eines Netzstranges angeschlossenes Verlängerungskabel - verstärken diesen Effekt noch durch Mehrwegeausbreitung und Vielfachechos. Insofern ähnelt der Frequenzgang einer Stromleitung dem einer Funkstrecke.

Schaltnetzteil als Powerline-Störer
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Ein Schaltnetzteil, etwa im PC, kann sich bei Powerline-Musik als Störer bemerkbar machen. Einzelne Nadeln treten in seinem Spektrum (oben) noch über 100 kHz auf. Universalmotoren erzeugen abhängig vom Zustand ihrer Kohlebürsten deutlich stärkere Störungen im für MP3-Powerline wichtigen Band (etwa 90 bis 150 kHz).
Bohrmaschine als Powerline-Störer
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Um festzustellen, welche Art von Haushaltsgerät wie stark stört, hat das IIS bei einer typischen Installation verschiedene Geräte betrieben und die Musikqualität beobachtet. Schaltnetzteile, wie sie in handelsüblichen PCs, Monitoren oder Fernsehgeräten eingesetzt werden, erzeugen periodische Störungen. Betrachtet man deren Spektrum, zeigt sich, dass Störungen vor allem bei ganzzahligen Vielfachen der Schaltfrequenz der Netzteile auftreten. Selbst dann, wenn im normalen Betrieb die induzierten Störungen gering sind und die Übertragung nicht stören, kann es bei Ein- und Ausschaltvorgängen durch induktive Lastanteile zu Beeinträchtigungen kommen. So hat im Test ein VGA-Monitor im Einschaltmoment Störungen mit einem Spannungshub von bis zu 30 Volt im Stromnetz hervorgerufen. Das führte bei der parallel laufenden Musikübertragung zu kurzzeitigen Aussetzern, besonders dann, wenn die Störungen den Header des MP3-Rahmens verfälschten, der essenzielle Verwaltungsinformationen von MP3-Blöcken transportiert.

Eine weitverbreitete Art von Störern stellen Universalmotoren dar; solche stecken beispielsweise in Staubsaugern, Bohrmaschinen, Ventilatoren oder auch Kühlschränken. Kommt es bei abgenutzten Kohlebürsten zur Funkenbildung, können breitbandige Störungen um 20 bis 30 dB - leistungsmäßig das Hundert- bis Tausendfache - über dem Hintergrundrauschen liegen.

Bei eher ‘harmlosen’ Stromverbrauchern, deren Einfluss sich auf eine Veränderung der Netzimpedanz beschränkt, etwa bei einem Wasserkocher oder Bügeleisen, hängt die ‘Störkraft’ davon ab, wie stark der Verbraucher das Netz belastet. So war bei einem ‘Desktop’-Wasserkocher mit einer Nennleistung von 2 kW die Auswirkung auf die Netzimpedanz gering und zeitigte keinen Einfluss auf die Powerline-Übertragung. Anders sah es aus, als ein Durchlauferhitzer mit der zehnfachen Leistung (21 kW) das Stromnetz belastete. Er sorgte gegenüber dem Wasserkocher für eine deutlich höhere Bitfehlerrate, und die Störung machte sich im Audiosignal mit kurzen Aussetzern hörbar.

Bei probehalber getesteten, motorbetriebenen Haushaltsgeräten ist der Einfluß auf die Powerline-Übertragung vom Zustand der Kohlebürsten abhängig: Mit einem Ventilator kam es im Fraunhofer-Labor zu vereinzelten Beeinträchtigungen, ein Mixer und ein Haarfön erzeugten keine Übertragungsfehler. Die etwas ältere Bohrmaschine, der man den harten Einsatz innerhalb der letzten Jahre schon äußerlich ansah, produzierte dagegen deutliche Störungen, die die Übertragung kurzfristig unterbrachen. Dabei stellt sich allerdings die sinnige Frage, was man überhaupt von ungetrübter Musikübertragung hat, während man selbst Löcher in eine Wand bohrt - allerdings könnte das andere Familienmitglieder betreffen. Auch wenn der Nachbar einen älteren Mixer benutzt, dann kann dieser das Hausnetz schon so ‘verseuchen’, dass die Powerline-Musikübertragung leidet.

Abgesehen davon bleibt festzuhalten, dass bei Langzeituntersuchungen die Übertragungsqualität durchaus gut gefiel. Wurde die Musikübertragung über Powerline beispielsweise auf einen Raum beschränkt und wurden Störungen nur in den angrenzenden Nachbarräumen eingespeist, die allerdings auch auf anderen Stromzweigen angeschlossen waren, so traten keine hörbaren Störungen auf. Außerdem kommen Beeinflussungen im Stromnetz oftmals nur kurzzeitig vor und führen dann allenfalls zu einem kurzen ‘Knacken’. Im Einzelfall kann sich die Suche nach einem Störer für den Anwender aber als äußerst schwer erweisen.

Ein weiteres Problem neben den Störungen taucht auf, wenn die Übertragung zwischen zwei Steckdosen erfolgen soll, die nicht an der gleichen Stromphase hängen, denn die Versorgung erfolgt normalerweise über ein Drehstromnetz mit drei Phasen, auf welche die Stromkreise in der Wohnung zwecks Lastaufteilung verteilt sind. Dann wird das empfangende Modem nur ein relativ schwaches Signal ‘hören’. Praktisch tritt dieser Fall selten auf, denn nach Informationen der Powerline-Anbieter genügt meist schon ein kurzes Kabelstück, in dem die Phasen parallel laufen, um durch Übersprechen die Informationen zu übertragen - das ist in vielen Haushalten der Fall. Ist dies nicht gegeben, dann muss man am Verteilerkasten einen Phasenkoppler installieren lassen. Das ist zwar kein besonders teures Stück Elektronik, aber die Montage darf nur durch einen Elektrohandwerker erfolgen.

Die Musikverteilung über Powerline könnte zu einer attraktiven Alternative für separate Lautsprecher- oder Audiokabel heranwachsen. Allerdings müssen die Modem-Hersteller die HiFi-Branche schnell davon überzeugen, dass sie die Technik in Verstärker, CD-Player und Aktivboxen integriert: Nur wenn MP3 via Powerline bald auf dem Markt erscheint, kann sich die Technik durchsetzen. Denn sie konkurriert mit Funkanwendungen wie Bluetooth oder Hiperlan, die sich technisch und preislich bis dahin so weit entwickelt haben können, dass sie eine direkte Konkurrenz darstellen. Für die zukünftige Entwicklung der Technik sehen heute viele Analysten deshalb ein Marktfenster von maximal zwei Jahren. (ea)

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Die typische Anwendung für Powerline-Modems ist die Datenübertragung zwischen zwei Rechnern. Dabei sollen die Daten selbstverständlich unverfälscht beim Zielrechner ankommen. In einem Powerline-Modem stellen zwei unabhängig voneinander arbeitende Mechanismen die Datenintegrität sicher: Zuerst teilt das Modem die Daten in einzelne Pakete auf und fügt mittels der Forward Error Correction (FEC) zusätzliche Sicherungsbits in den Datenstrom ein. Diese zusätzlichen Bits stellen sicher, dass der Empfänger Datenverfälschungen nicht nur erkennen, sondern - in begrenztem Umfang - auch korrigieren kann. Je mehr Sicherungsbits eingefügt werden, desto mehr Fehler können behoben werden.

Schaltnetzteil als Powerline-Störer
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Datenübertragung per Powerline nach dem Polytrax-Prinzip setzt auf Forward Error Correction (FEC) und Wiederholung fehlerhaft empfangener Daten (ARQ, Automatic Repeat Request). Bei Musikübertragung an mehrere Empfänger ist ein Quittungsbetrieb jedoch hinderlich; der Verzicht auf ARQ ermöglicht zudem einen höheren Durchsatz (rechts/unten).
Verzicht auf ARQ ermöglicht zudem einen höheren Durchsatz
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Der zweite Mechanismus zur Fehlervermeidung setzt auf der Empfängerseite an: Lief die Übertragung fehlerfrei - oder korrigiert dank FEC - ab, dann schickt der Empfänger eine Erfolgsmeldung zurück. Bei Datenverlusten setzt er jedoch eine negative Quittung ab und veranlasst so den Sender, das defekt empfangene Paket noch mal zu übermitteln; bei positiver Rückmeldung gibt der Sender das nächste Paket auf die Leitung. Wird die Übertragung auf dem Spannungsnetz durch kurzzeitige Störungen beeinträchtigt, dann verringert sich zwar die Datenübertragungsrate aufgrund von Paketwiederholungen, es gehen aber keine Daten verloren.

Bei der Musikübertragung muss die Datensicherung anders erfolgen: Da Musikübertragung eine Broadcast-Anwendung ist, also ein MP3-Verteiler wie ein Radiosender sein Programm an viele Empfänger verbreitet, ist ein Übertragungsverfahren mit Quittierung praktisch nicht machbar. Ein Sender könnte zwar fehlerhafte Datenpakete an mehrere Dutzend oder Hunderte von Empfängern wiederholen, aber das Datenmanagement und das ständige Umschalten des Übertragungskanals würde laufende Verzögerungen verursachen. Eine störungsfreie Musikübertragung wäre unmöglich.

Daher wurde in den Powerline-Modems speziell für die Musikübertragung der Quittierungsbetrieb deaktiviert. Die Sicherung der Daten erfolgt nur noch mittels des eingebauten FEC-Mechanismus. Können die Empfänger-Modems sporadisch auftretende Fehler nicht beheben, dann schalten sie die Ausgabe stumm. Die Musik setzt kurzzeitig aus. Feldtests mit den Prototypen haben jedoch gezeigt, dass dieser Fall nur selten eintritt.

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Da die Daten mittels der Powerline-Technik anders als beispielsweise bei Ethernet oder ISDN nicht im Basisband übertragen werden, sondern in den höheren, dafür freigegebenen Cenelec-Frequenzbändern, ist ein Modulationsverfahren erforderlich, um den Datenstrom aus dem Basisband in die dafür vorgesehenen Frequenzbänder zu ‘verschieben’. Bei der Powerline-Übertragung hat sich das OFDM-Verfahren qualifiziert, welches auch bei die hier verwendeten Powerline-Modems nutzen.

OFDM steht für ‘Orthogonal Frequency Division Multiplexing’. Ähnlich wie bei den ersten High-Speed-Modems Anfang der Neunziger kommen statt einem einzelnen, breiten Träger viele schmale Träger zum Einsatz - langjährige c't-Leser erinnern sich vielleicht noch an die PEP-Technik. Dazu splittet das Modem den eingehenden seriellen Datenstrom (beispielsweise 1 x 160 kBit/s) in mehrere parallele Datenströme auf (etwa 4 x 40 kBit/s).

Das Modulationsverfahren OFDM
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OFDM verteilt die Nutzinformation auf viele Träger so, dass deren Frequenzen in den Nulldurchgängen ihrer Nachbarträger liegt. Dies sorgt für eine bessere Ausnutzung des Spektrums.

Dank der Schmalbandigkeit der einzelnen Träger kann man davon ausgehen, dass sich Phasenverlauf und Dämpfungsverhalten in den Subbändern kaum ändern. Dadurch entfällt eine aufwendige Kanalentzerrung, die bei einem Modulationsverfahren mit nur einem Hauptträger notwendig wäre. Damit trotz der Überlappung der einzelnen Spektren die gegenseitige Beeinflussung der Subträger möglichst klein bleibt, legt man ihre Frequenzen so fest, dass sie orthogonal zueinander versetzt sind. Das bedeutet, dass die Frequenzen der Nachbarn in den Nulldurchgängen des Spektrums eines Trägers liegen.

Eine simple Möglichkeit dies zu realisieren wäre, mit den parallelen Datenströmen eine Vielzahl einzelner Signalgeneratoren, die jeder auf eine passende Frequenz abgestimmt sind, anzusteuern. Der dazu nötige Hardwareaufwand wäre jedoch beträchtlich, deshalb geht man in der Praxis einen anderen Weg. Das Modulationssignal für jeden einzelnen Träger wird mittels einer IFFT (Inverse Fast-Fourier-Transformation, realisiert beispielsweise mit dem Cooley-Tukey-Algorithmus) in den Zeitbereich umgesetzt. Allerdings steigt bei diesem Verfahren mit der Anzahl der Träger auch der Rechenaufwand.

Bei schmalbandigen Störungen oder Dämpfungsmaxima des Übertragungswegs - beides ist typisch für Powerline - kann man davon ausgehen, dass nicht alle, sondern nur ein Teil der Träger beeinträchtigt wird. Mit einer geeigneten Forward Error Correction (siehe auch Kasten [#kasten1 ‘Vorwärts korrigiert’]) vermag der Empfänger aus gestörten Eingangsdaten die fehlerhaften Bits zu rekonstruieren. Die Kombination von OFDM mit FEC heißt COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Weiterhin erlaubt das Verfahren, stark gestörte Frequenzbereiche auszublenden und sogar die einzelnen Subträger je nach ihrer Übertragungsqualität unterschiedlich zu modulieren.

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