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Voice over CAN

Digitale Audioübertragung über den CAN-Bus

20. November 2013, 13:25 Uhr | Ulrich Bschorer und Gabriele Cappelli

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Sprache und Musik über den Bus

Die Bandbreite der menschlichen Sprache ist gering verglichen mit der Bandbreite von Musik. Man kann die benötigte Bitrate zur Übertragung eines Sprachsignals reduzieren, indem man nur die relevanten Frequenzen kodiert. Voice Streaming gehört deshalb zu den Anwendungsfällen mit der niedrigsten Bitrate. Ein prominentes Beispiel für Voice Streaming sind Wechselsprech- und Beschallungsanlagen im öffentlichen Bereich, z.B. an Bahnhöfen oder im Zug. Hier wird die Sprache unidirektional, also nur in einer Richtung vom Sprecher zu den Zuhörern, übertragen. Auch die Sprachausgabe mit einem Text-to-Speech-System gehört zu diesem Anwendungsfall. Für die unidirektionale Sprachübertragung wird nur ein Sprachkanal benötigt, man spricht daher von einer Simplex-Übertragung bzw. Halbduplex-Übertragung bei einer Wechselsprechanlage.

Bei der bidirektionalen Sprachübertragung (Vollduplex) werden zwei Sprachkanäle parallel verwendet. Die anfallende Bitrate ist daher doppelt so hoch wie bei der unidirektionalen Übertragung. Ein Beispiel hierfür sind Telefonie und Voice over IP. Wichtig für eine flüssige Kommunikation ist eine geringe Latenz zwischen dem Versenden eines Audiosignals und dem Empfang in der Gegenstelle.

Die Audioübertragung in CD-Qualität ist ein anspruchsvoller Anwendungsfall an die benötigte Bitrate, da alle hörbaren Frequenzen im Audiosignal vorkommen können. Entsprechend hoch gegenüber der reinen Sprachübertragung ist die Bitrate bei hochqualitativer Musikübertragung. Im Unterschied zu bidirektionaler Sprachübertragung sind die Anforderungen an die Latenzzeit bei diesem Anwendungsfall allerdings nicht so hoch, da eine verzögerte Wiedergabe kaum auffällt.

Die Audio-Codecs

Es wurden ausschließlich frei verfügbare Audio-Codecs betrachtet. Zudem wurden nur verlustbehaftete Audio-Codecs ausgewählt, da sie eine bessere Kompressionsrate bei annähernd gleichbleibender Qualität aufweisen.

Puls-Code-Modulation(PCM): PCM ist die (unkomprimierte) digitale Repräsentation eines Audiosignals.

MP3: Der MP3-Codec ist als Musikformat populär geworden und als freie Bibliothek verfügbar. Allerdings ist er trotz guter Kompression für die ausgewählten Testszenarien ungeeignet, da die lange Verarbeitungszeit des Codecs zu spürbaren zeitlichen Verzögerungen bei der Kommunikation führt.
G.711: Der Codec G.711 ist in der Telefonie verbreitet. Eine niedrigere Bitrate wird durch die Begrenzung der Bandbreite des Sprachsignals erreicht. Es werden nur die Frequenzen von ca. 80 Hz bis 12 kHz kodiert, die für die Verständlichkeit der menschlichen Sprache relevant sind. Der Codec G.711 ist nicht für die Übertragung von Musik konzipiert.
G.726: Der Codec G.726 ist eine Weiterentwicklung des Codecs G.711. Die alternative Bezeichnung lautet Adaptive Differential Pulse-Code Modulation (ADPCM). Auch dieser Codec kodiert nur Frequenzen, die für die Sprachverständlichkeit relevant sind. Zudem wird mit G.726 die doppelte Kompressionsrate von G.711 erreicht, indem nur die Differenz zwischen zwei Abtastwerten kodiert wird.
Speex: Wurde speziell zur Kompression von Sprachsignalen entwickelt. Das Kompressionsverfahren basiert auf der Erkennung bekannter Muster, beispielsweise des Frequenzspektrums des Vokals »a« und seiner Vorwegnahme im Sprachsignal, solange sich dieses durch einen neuen Laut nicht grundlegend ändert. Das vorweggenommene Sprachsignal wird durch Parameter beschrieben und ersetzt damit das tatsächliche Sprachsignal, bis ein neuer Sprachlaut einsetzt. Aus diesen Parametern wird beim Dekodieren des komprimierten Signals ein ähnliches, jedoch nicht identisches Signal erzeugt. Das generierte Signal eignet sich gut für die Sprachwiedergabe. Für Musik ist dieses Verfahren allerdings nicht ideal, könnte jedoch notfalls mit tolerierbaren Abstrichen bei der Qualität auch dafür verwendet werden. Durch seine geringe Latenz wird Speex in der Telefonie eingesetzt [3].
Opus: Der Opus-Codec basiert teilweise auf dem Speex-Codec und kann sowohl für die Kompression von Sprache als auch Musik verwendet werden. Daher eignet sich dieser Codec für alle hier dargestellten Anwendungsfälle. Auch Opus wird aufgrund seiner geringen Latenz in der Telefonie eingesetzt [4].