Was wäre Weihnachten ohne Elektrotechnik? Ganz schön fern.

Geht es gerade nicht um hochkarätige Videokonferenzen in Politik oder Industrie, für die eine gesamte Infrastruktur zur Verfügung stehen muss, so reichen Smartphone, Tablet oder PC sowie ein gemütlicher Sitzplatz, um sich in alle Welt zu verbinden. Diese Technik ist für den Alltag normal geworden, obwohl sie im großen Stil erst seit ein paar Jahren genutzt wird.

So sank das über Festnetz abgewickelte Gesprächsvolumen im Jahr 2024 auf 57 Milliarden Gesprächsminuten, im Jahr 2020 war es noch rund das Doppelte. Über Messenger- und Videokonferenzdienste geführte Anrufe erreichten hingegen ein Gesprächsvolumen von ca. 197 Milliarden Minuten. Doch was sind die technischen Herausforderungen dabei, und wie werden sie gelöst?

Alles für die Echtzeitübertragung (1): Rechenleistung und Energieeffizienz

Wenn wir uns freuen, weil am anderen Ende der Welt alte Studienfreundinnen und -freunde zeigen, wie sie Weihnachten feiern, laufen dahinter Prozesse, die sehr hohe Rechenleistungen erfordern. Speziell die hochauflösende Videoübertragung (4K/8K) ist dafür ein zentraler Treiber. Das Rohvideo bzw. -audio wird komprimiert und codiert, bevor es gesendet werden kann. Um dies herstellerübergreifend zu ermöglichen, hat die Standardisierung Formate wie AV1 oder H.264 entwickelt. Auf dem Empfangsgerät wird die codierte Datei decodiert und wiedergegeben.

Damit all dies in Echtzeit und ohne Ruckeln oder verpixelte Bilder funktioniert, müssen die Rechner extrem schnell arbeiten. Zum Einsatz kommen neben dem Hauptrechner digitale Signalprozessoren (DSP), die die nötige Leistung mitbringen. Außerdem gilt es, diese Chips möglichst effizient auszulegen, so dass das Gesamtsystem nicht zu viel Energie verbraucht und die Akkulaufzeiten nicht unnötig verringert.

Sollte die Verbindung einmal ruckeln und ein Datenpaket verloren gehen, sind inzwischen intelligente Fehlerkorrekturmechanismen integriert, die fehlende Worte oder Silben ergänzen können. So wird aus „Weih-ten“ dann doch noch „Weih-nach-ten“.

Alles für die Echtzeitübertragung (2): Echo- und Rausch-Unterdrückung

Wir nehmen alle hin, dass es einfach funktioniert, doch kaum jemand denkt darüber nach, was alles zu einer störungsfreien Audioübertragung gehört. Eine der Herausforderungen besteht darin, dass der Lautsprecher widergibt, was der Gesprächsteilnehmer auf der anderen Seite sagt – diese Tonspur aber vom eigenen Mikrofon nicht wieder übertragen werden darf, da sonst das bereits Gesagte wiederholt wird und beim gemeinsamen Weihnachtsliedersingen für Chaos sorgt. Unter dem Stichwort Echo-Unterdrückung entwickeln Hersteller hochkomplexe Algorithmen, die dieses „Echo“ identifizieren und eine nochmalige Wiedergabe unterdrücken.

Eine zweite zentrale Aufgabe verbirgt sich hinter dem Stichwort Rausch-Unterdrückung: Dabei filtert das System Hintergrund- und Umgebungsgeräusche aus dem Gespräch, um die Qualität zu erhöhen und die Verständigung zu vereinfachen. KI-gestützt wird in Echtzeit zwischen der menschlichen Stimme und Störgeräuschen unterschieden, um letztere herauszufiltern.

Ein Blumenstrauß an Herausforderungen: Normen schaffen Mehrwert

Unsere Reise durch die Welt der Audio- und Videoübertragung in Echtzeit zeigt, dass viele hochkomplexe Anforderungen zu erfüllen sind, um die virtuelle, interkontinentale Weihnachtsfeier zu ermöglichen. Normen schaffen in diesem Zusammenhang an vielen Stellen Mehrwert, sowohl für Hersteller als auch für Verbraucherinnen und Verbraucher.

Die Entwicklung von Mikrofonen unterstützt zum Beispiel die Norm IEC 60268, die Messverfahren für Richtungseigenschaften, den Dynamikbereich oder externe Einflüsse von Mikrofonen in elektroakustischen Anlagen festlegt und so die Entwicklung vereinfacht. Auch werden darin die Eigenschaften benannt, zu denen Hersteller Angaben machen müssen.

Ein anderes Beispiel ist die USB-Technologie, hinter der die USB-Normenreihe DIN EN IEC 62680 steht, die insgesamt 16 Teile umfasst. Darin geht es unter anderem um Spezifikationen für den Batterie-Ladevorgang, die Implementierung der USB-Stromversorgung oder Vorgaben für USB-Typ-C-Buchsen, -Stecker und -Kabel. Nutzerinnen und Nutzer profitieren von einer Lösung, die inzwischen beinahe mit allen Geräten am Markt kompatibel ist, und Hersteller können sich auf höhere Datenraten oder neue Designs fokussieren, anstatt jedes Mal eine neues Anschlusssteckersystem zu entwickeln.

Ein Umschlag, ein Geheimnis und ihr mittendrin!

Ein roter Umschlag mit Rentier-Aufklebern taucht auf. Ohne Absender. Nur ein Satz: „Die Wahrheit liegt im Archiv.“ Nein, kein Krimi, sondern der Auftakt unseres Weihnachtsrätsels in 24 Akten! Thomas, Klara und Otto stolpern in eine Geschichte rund um eine mysteriöse Norm, einen vergessenen Grundriss und eine verschlossene Tür im Keller. Jeden Tag gibt es neue Hinweise, spannende Fragen sowie die eine oder andere Denksportaufgabe. Viel Spaß beim Mitmachen!

Die besten Endgeräte und Protokolle nützen zur Übertragung multimedialer Weihnachtsgrüße nichts, wenn keine leistungsfähigen Übertragungswege zur Verfügung stehen. In Sachen Glasfaserausbau vermeldet die Marktanalyse des Bundesverband Breitbandkommunikation e. V., dass die Zahl der potenziell erreichbaren Haushalte (Homes passed, Anm. d. Red.) durch nahegelegte Glasfaserleitungen auf 24,3 Millionen angestiegen ist. Tatsächlich angeschlossen sind aber nur 12,6 Millionen Haushalte und Gebäude, wovon 6,6 Millionen Anschlüsse aktiv genutzt wurden.

Normative Vorgaben für den Ausbau im Netz

Damit der Glasfaserausbau in Deutschland reibungslos funktioniert, braucht es normative Vorgaben für verschiedene Bereiche.

So gibt es VDE Normen, die Qualitätskriterien für die verwendeten Glasfaser-Infrastrukturen definieren. Außerdem steht eine praktische Leitlinie für Netzbetreiber zur Verfügung, die aufzeigt, wie der Glasfaserausbau im Netz auszusehen hat. Solche Normen werden im engen Austausch mit allen Beteiligten entwickelt, um in der Umsetzung Planungs- und Rechtssicherheit zu schaffen. Jeder Haushalt, der einen Glasfaseranschluss nutzt, profitiert von schnellerer Datenübertragung und stabileren Verbindungen. Da macht auch das Weihnachtsfest via Facetime, WhatsApp & Co. um die halbe Welt und zurück mehr Spaß.

Forschung an der Zukunft

Parallel zum mit Hochdruck betriebenen Ausbau des Glasfasernetzes ist Deutschland auch führend in der Forschung an modernen Glasfasertechnologien. Dabei wird eine Faser genutzt, in der zum Beispiel mit mehreren Kernen oder sogenannten Moden die Rate der parallel übertragbaren Daten signifikant erhöht wird. Im Labor lassen sich darüber Datenraten von über 10 Petabit/s, was über 10.000 Tb/s entspricht, erreichen. Noch sind solche Extreme nicht in der Praxis einsetzbar, aber der Datenhunger der Digitalisierung als Ganzes und insbesondere von Anwendungen Künstlicher Intelligenz treiben die Entwicklung immer weiter voran.

Redaktioneller Hinweis:

Sie haben Lust auf mehr DKE Weihnachtszauber? Kein Problem. Während der Adventszeit schauen wir uns in drei weiteren Folgen an, warum Weihnachten ohne Elektrotechnik nicht nur ganz schön einsam wäre, sondern dunkel, leer unter dem Weihnachtsbaum und langweilig noch dazu. Viel Spaß beim Lesen und eine schöne Vorweihnachtszeit wünscht die DKE Redaktion.

• Teil 1: Weihnachten ohne Elektrotechnik? Ganz schön dunkel.
• Teil 3: Was wäre Weihnachten ohne Elektrotechnik? Ganz schön leer unter dem Baum.