Kompanding

Companding ist ein Signalverarbeitungsverfahren, das Rauschen reduziert, indem das Signal beim Sender komprimiert und beim Empfänger expandiert wird. Der Name ist eine Kurzform von Compression-Expansion und beschreibt den kompletten Prozess. In Energie- und Versorgungsanwendungen, besonders in ferngesteuerten Telemetrie- und SCADA-Systemen, schützt Companding schwache Signale, die über lange Strecken durch verrauschte Kanäle übertragen werden, egal ob über Stromleiterträger, Funkstrecken oder Glasfasern. Ein schwaches Signal, das eine Umspannstation oder Kontrollestation erreicht, kann mit stark reduziertem Rauschen rekonstruiert werden, was das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert, ohne mehr Sendeleistung zu benötigen.

Das Verfahren ist einfach: Ein Kompressor am Sendende verstärkt schwache Signaldetails und begrenzt Spitzenwerte, wodurch eine nichtlineare Skalierung entsteht. Laute Anteile werden unterdrückt, leise Anteile werden verstärkt. Das komprimierte Signal wird so übertragen. Am Empfangende wendet ein Expander die umgekehrte Transformation an und stellt den ursprünglichen Dynamikbereich des Signals wieder her, während das Rauschen größtenteils zurückbleibt. Da Rauschen typischerweise gleichmäßig über den Signalweg addiert wird, erhält der Compander die gewünschten Signalinformationen, während das während der Übertragung hinzugefügte Rauschen gedämpft wird.

Praktische Varianten und Anwendungen

Companding-Verfahren unterscheiden sich hauptsächlich in ihrem Kompressionsverlauf. Mu-Law (in Nordamerika und Japan verwendet) und A-Law (in Europa und weltweit verwendet) sind die domierenden Standards in der Telekommunikation und Versorgungskommunikation. Mu-Law nutzt eine logarithmische Kurve mit einem Mu-Wert von 255; A-Law nutzt eine abschnittweise lineare Annäherung. Beide wurden von der ITU standardisiert, um Interoperabilität zwischen Geräteherstellern zu ermöglichen. In analogen Stromleiterträgersystemen verbessert Companding die Verständlichkeit von Sprach- und Datensignalisierung bei Frequenzen zwischen 9 kHz und 500 kHz. Digitale Implementierungen wenden die Kompressionskurve vor der Übertragung auf abgetastete Signale an, dann der Expander nach dem Empfang.

Probleme entstehen, wenn Compander nicht aufeinander abgestimmt sind: Wenn ein Empfänger das falsche Expansionsgesetz für die angewendete Kompression nutzt, ist die Ausgabe verzerrt und unverständlich. Systemdesigner müssen sicherstellen, dass Sender und Empfänger denselben Standard verwenden. Companding funktioniert auch am besten, wenn das Signal im Verhältnis zum Rauschen schwach ist; wenn das Signal bereits sauber ist, addiert Companding unnötige Verarbeitung und leichte Verzerrung. In modernen digitalen Systemen mit Vorwärtsfehlerkorrektur und höherer verfügbarer Bandbreite wurde ein Teil des älteren Companding durch einfachere Rauschfilterungsverfahren ersetzt, aber Companding ist in vielen älteren Versorgungskommunikationsnetzwerken noch vorhanden.

Companding unterscheidet sich von einfacher Verstärkung, weil es nichtlinear und selektiv ist. Ein reiner Leistungsgewinn würde Rauschen genauso wie Signal verstärken. Companding tauscht Spitzentreue gegen Gesamtverständlichkeit, ein lohnenswerter Tausch in verrauschter Versorgungstelemetrie, wo das Ziel darin besteht, Zustandsänderungen und Fehlerbedingungen zu erkennen, nicht um Wellenformvollkommenheit zu bewahren. Das Verfahren unterscheidet sich auch von Datenkompression; Companding reduziert nicht Bandbreite oder Übertragungsrate, sondern verbessert nur Signalqualität in Gegenwart von Rauschen.