VoIP-Codecs im Detail: So optimieren Sie die Sprachqualität

Was sind VoIP-Codecs?

Ein VoIP-Codec richtet einen Pfad für den Austausch von Mediendaten zwischen zwei Endpunkten ein. Dazu werden die Daten in einem Format komprimiert und dekomprimiert, das die Gesamtklangqualität, die Komprimierungsrate und die Bandbreitennutzung des VoIP-Anrufs bestimmt. Die Beteiligten Systeme müssen sich auf das Format einigen, damit der Anruf erfolgreich durchgeführt werden kann. Einfach ausgedrückt: Der Codec ermöglicht die Übertragung von Mediendaten in einem kompatiblen codierten Format zwischen zwei Endpunkten während eines VoIP-Anrufs.

Der VoIP-Encoder (quasi der Kompressor) wandelt analoge Sprachsignale in digitale Sprachdatenpakete um und sendet diese über das IP-Netzwerk. Der VoIP-Decoder (also der Dekompressor) extrahiert das Sprachsignal aus den empfangenen Datenpaketen. Vereinfacht gesagt besteht die Funktion eines VoIP-Codecs darin, ein bestimmtes Sprachsignal an zwei Endpunkten zu modifizieren, um die Übertragung und Qualität eines VoIP-Anrufs zu verbessern.

Bei einem VoIP-Codec kann es sich entweder um ein Gerät oder eine Software handeln. Ein proprietärer VoIP-Codec kann ein eigenständiges Gerät oder eine Hardware für ein Unternehmen sein. Kostenlose VoIP-Codecs aus dem Open-Source-Bereich sind als Softwarelösungen verfügbar.

Zwei oder mehr VoIP-Geräte in einem Unternehmen nutzen den gleichen Codec für die Kommunikation. Wenn der Sender- und der Empfängerkanal bei einem VoIP-Anruf unterschiedliche Codecs verwenden, die nicht kompatibel sind, überbrückt eine als Transcoder bezeichnete Komponente die Lücke zwischen beiden.

Die Umwandlung der Sprachdaten eines Anrufs in einen für ein VoIP-Gerät kompatiblen Codec wird Transcodierung genannt. Je mehr inkompatible Geräte in einem Netzwerk vorhanden sind, desto höher ist die Belastung für den Transcoder. Infolgedessen ist die Transcodierung kostspielig und kann zu Latenz bei VoIP-Anrufen führen.

Üblicherweise verfügen VoIP-Codecs über die folgenden Funktionen:

• Die Sampling-Rate (Abtastrate) der meisten VoIP-Codecs ist ein ganzzahliges Vielfaches von 8.000 Hertz (Hz). Je nach Sampling-Rate lassen sich VoIP-Codecs in Schmalband-, Breitband- und Superbreitband-Codecs unterteilen.
• Einige Breitband-Codecs bieten HD-Sprachqualität und eine Sample-Rate von bis zu 48 kHz.
• Die Paketierungsintervalle (Framing Rates) liegen in der Größenordnung von 5, 10, 20, 30 Millisekunden (ms) etc.
• Konfigurierbare Paketgrößen und Bitraten je nach Anforderungen.
• Puls-Code-Modulation, differenzielle Puls-Code-Modulation und Code-Excited Linear Prediction zur Codierung und Decodierung von Mediendaten.

Gängige VoIP-Codecs

G.711

G.711 ist ein Standard für Schmalbandaudio-Codecs, der auf der Puls-Code-Modulation innerhalb der IP-Protokollfamilie basiert. Es gibt zwei Arten von G.711-VoIP-Codecs: Mu-Law und A-Law. Nordamerika und Japan verwenden den G.711-Mu-Law-VoIP-Codec, europäische Länder und der Rest der Welt hingegen den G.711-A-Law-Codec. G.711 wird manchmal als unkomprimierter Codec bezeichnet, da er keine Verfahren zur Datenkomprimierung nutzt. Der Nachteil von G.711 liegt im hohen Bandbreitenverbrauch von bis zu 64 KBit/s zugunsten von HD-Funktionen. Die meisten VoIP-Anbieter unterstützen diesen Codec.

G.722

G.722 ist ein lizenzierter Codec, der eine hohe Audioqualität über einen breiten Bereich von Kompressionsraten und Bandbreiten bietet. Er arbeitet mit einer höheren Bandbreite im Vergleich zu G.711. Die zulässige Bandbreite für G.722 umfasst 32 KBit/s, 48 KBit/s, 56 KBit/s und 64 KBit/s. G.722 verfügt mit 16.000 Hz über eine hohe Sampling-Frequenz für Audiokonferenzen, was zu VoIP-Anrufen mit gesteigerter Effizienz und einer deutlich höheren Klangqualität führt.

GSM

Das Global System for Mobile Communication (GSM) ist ein populäres Mobilfunknetz mit einem eigenen Codec. Bei GSM handelt es sich um einen proprietären Codec, der mit den meisten VoIP-Geräten kompatibel ist. Der Codec verwendet eine hohe Kompressionsrate, um eine erstklassige Audioqualität zu bieten. In puncto Anrufqualität unterscheidet sich GSM bei geringerer Bandbreite klanglich nicht von anderen Codecs. In der Regel kann der GSM-Codec eine Bandbreite von 64 KBit/s nutzen, verbraucht jedoch üblicherweise weniger Bandbreite – bis zu 13 KBit/s oder weniger – bei einer vernachlässigbaren Verschlechterung der Klangqualität. Der GSM-Codec kommt in VoIP-Systemen zum Einsatz, in denen GSM-Mobilfunkkompatibilität erforderlich ist.

G.729

G.729 benötigt für die Implementierung eine Lizenz sowie separate Hardware. Der G.729-Codec kann für Anrufe mit geringerer Qualität eine Bandbreite von nur acht KBit/s nutzen. Allerdings ist eine geringere Sprachqualität nicht in jedem Fall inakzeptabel. So bleibt die Audioqualität von G.722 auch bei niedriger Bandbreite für das menschliche Gehör gut verständlich. G.729 eignet sich als Schmalband-VoIP-Codec für Unternehmen, die ein hohes Anrufaufkommen pro Sekunde bewältigen müssen. Die geringere Bandbreitennutzung verringert die Netzwerküberlastung und sorgt für eine angemessene Audioqualität.

Opus

Opus ist ein kostenloser Open-Source-VoIP-Codec, der häufig in mobilen Anwendungen für Audio-Streaming, Sprach-Chat und Aufzeichnungen verwendet wird. Opus arbeitet mit einer Vielzahl von Sampling-Frequenzen von acht kHz bis 48 kHz für Schmalband, Mittelband und Breitband. Opus kann Bandbreiten von nur sechs KBit/s bis zu großen Bandbreiten von 500 KBit/s nutzen. Die durchschnittliche Bandbreitennutzung von Opus beträgt etwa 42 KBit/s. Darüber hinaus bietet Opus eine variable Bitrate, die sich an die sich ändernden Netzwerkbedingungen einer VoIP-Infrastruktur anpasst.

Andere gängige VoIP-Codecs

So wählen Sie den richtigen Codec zur VoIP-Optimierung aus

Die Auswahl des geeigneten Codecs für ein Unternehmen hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab, wobei die Kosten oft am wichtigsten sind. Die Entscheidung für einen kostengünstigen Codec kann zu Einbußen bei der VoIP-Anrufqualität führen. Gleichzeitig setzt eine stärkere Kompression bei einem VoIP-Trunk eine höhere Rechenleistung voraus, was den allgemeinen Verarbeitungsaufwand steigert. In der Praxis können kleinere Firmen kostenlose Codecs mit akzeptabler Audioqualität und geringem Bandbreitenverbrauch einsetzen.

Effizienz bei einem VoIP-Codec bedeutet weniger Bandbreitennutzung und eine angemessene Klangqualität. Unternehmen können Open-Source-, proprietäre oder VoIP-Codecs von Drittanbietern verwenden, um eine effiziente VoIP-Infrastruktur zu unterstützen. Welcher Codec sich am besten eignet, hängt von der Bandbreite, Latenz, Fehlertoleranz und der angestrebten Signalqualität ab. Die folgenden Faktoren sind für die Auswahl eines VoIP-Codecs ausschlaggebend:

1. Kompatibilität

Die Auswahl eines kompatiblen Codecs ist für das Funktionieren der VoIP-Infrastruktur von entscheidender Bedeutung. Die VoIP-Hardware muss den betreffenden Codec unterstützen. Einige proprietäre Codecs funktionieren nicht mit jedem VoIP-Gerät. Unternehmen kaufen oder mieten typischerweise zusätzliche Hardware, um den Codec zu unterstützen.

2. Nutzbarkeit

Einige VoIP-Codecs sind kostenlos und Open Source, während für andere eine Lizenz notwendig ist. Die meisten VoIP-Server in Unternehmen verfügen über integrierte Codecs. Proprietäre VoIP-Codecs erfordern den Abschluss eines Abonnements mit einer geringen Gebühr pro Gerät.

3. Sampling-Frequenz

Die Sampling-Frequenz bestimmt die Menge der wichtigen Daten bei einem VoIP-Anruf, die abgetastet und über den Kanal gesendet werden müssen. Die unwichtigen Daten werden nicht erfasst und ausgelassen.

4. Bandbreitenverbrauch

VoIP-Server, die viele Anrufe pro Sekunde unterstützen, beanspruchen eine entsprechend große Bandbreite. Es ist wichtig zu beachten, dass VoIP-Codecs nicht mehr Bandbreite nutzen sollten, als zur Aufrechterhaltung der Klangqualität erforderlich ist.

5. Komprimierungsrate

Die meisten VoIP-Codecs verwenden verlustbehaftete Komprimierungstechniken, um die Latenz im Netzwerk zu reduzieren. Dadurch kann der Codec überflüssige Anrufdaten eliminieren, ohne die Audioqualität zu beeinträchtigen. Eine hohe Komprimierungsrate kann die Qualität eines VoIP-Anrufs verbessern.

6. Klangqualität

Die Bitrate bestimmt die Menge an Informationen, die pro Taktzyklus gesendet und empfangen werden. Einfach ausgedrückt entspricht die Bitrate der Menge an Mediendaten, die vom Sender für die Übertragung über das IP-Netzwerk codiert werden.

7. Latenz

Unter Latenz versteht man die Verzögerung bei der Datenübertragung von einem Punkt zu einem anderen. Transcodierung verursacht Latenz in einem VoIP-Netzwerk. Darüber hinaus kann die Komprimierung großer Mengen von VoIP-Mediendaten an mehreren Punkten im IP-Netzwerk zu Latenz führen.

8. Komplexität

Komplexe Algorithmen können netzwerkbedingte Probleme wie Jitter und Paketverlust ausgleichen sowie Echo und Rauschen minimieren, um die gewünschte Gesprächsqualität zu erreichen. Unternehmen, die eine höhere Klangqualität und eine geringe Bandbreite wünschen, können auf komplexere Codecs mit gesteigerter Verarbeitungsleistung setzen.

9. Kostenstruktur

Große Unternehmen, die sich für einen proprietären VoIP-Codec entscheiden, zahlen eine höhere Gebühr, die sich nach der Anzahl der Anrufe sowie der benötigten Hardware richtet. Ein hohes Anrufaufkommen birgt zudem das Risiko von Netzwerküberlastungen und steigenden Wartungskosten.