DVB - Digitale Fernsehtechnik

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1 Ulrich Reimers DVB - Digitale Fernsehtechnik Datenkompression und Übertragung 3. Auflage Mit 237 Abbildungen und 38 Tabellen Sprin g er

2 Inhaltsverzeichnis 1 Digitales Fernsehen - ein erster Überblick (REIMERS) Begriffsdefinition und Analyse des Einsatzfeldes Entstehungsgeschichte der Empfehlungen für das digitale Fernsehen Arbeiten in den Vereinigten Staaten von Amerika Arbeiten in Europa Arbeiten in Japan und der Volksrepublik China Zielsetzungen bei der Entwicklung des digitalen Fernsehens Datenreduktion als Schlüssel zum Erfolg Mögliche Verbreitungswege für das digitale Fernsehen Standards und Normen in der Welt des digitalen Fernsehens Das DVB Project heute 21 2 Digitalisierung und Signaldarstellung von Audiound Videosignalen (JOHANSEN) Abtastung und Quantisierung Digitalisierung von Videosignalen A/D- und D/A-Wandler für Videosignale Signaldarstellung für Videosignale Digitalisierung von Audiosignalen Signaldarstellung für Audiosignale A/D- und D/A-Wandler für Audiosignale 34 3 Quellencodierung für Audiosignale nach MPEG (FECHTER) Grundlagen der Datenreduktion Psychoakustische Grundlagen Hörschwelle und Hörfläche Verdeckung Verdeckung durch stationäre Schalle Zeitabhängige Verdeckungseffekte 47

3 xii Inhaltsverzeichnis 3.3 Quellencodierung für Audiosignale durch Ausnutzung der Verdeckungseigenschaften des Gehörs Grundstruktur des Codierverfahrens nach MPEG Codierung nach Layer Codierung nach Layer Codierung nach Layer Decodierung Die Parameter von MPEG-Audio Die Audiocodierung nach MPEG Zusammenfassung 63 4 Quellencodierung für Videosignale nach JPEG und MPEG (RICKEN t, EDEN) Codierung nach JPEG Blockschaltbilder von Encoder und Decoder Diskrete Cosinus-Transformation Quantisierung Redundanzreduktion Besondere Modi Dateiformat (Austauschformat) Codierung nach den MPEG-Standards Blockschaltbilder Encoder und Decoder Bewegungsschätzung Bild-Umsortierung Datenratenkontrolle Besonderheiten bei MPEG Besonderheiten bei MPEG H Zusammenfassung Systemebene und Multiplexbildung nach MPEG-2 (FOELLSCHER, RICKEN t) Unterschiede zwischen Program Multiplex und Transport Multiplex Die Systemebene im ISO/OSI-Schichtenmodell Ende-zu-Ende Synchronisierung Service Information PSI/SI-Tabellen und ihre Einfügung in den MPEG-2 Transport Stream Struktur von Sections und Tabellen Beispiele der Tabellennutzung: NIT und SDT Network Information Table (NIT) Service Description Table (SDT) 134

4 Inhaltsverzeichnis xiii 6 Verfahren der Vorwärts-Fehlerkorrektur (FEC) bei der Übertragung von digitalem Fernsehen (ROY) Grundlegende Betrachtungen Reed-Solomon Codes Einführung in die Arithmetik des Galois-Feldes Definition des Reed-Solomon Codes und der Codierung/Decodierung im Frequenzbereich Fehlerkorrektur beim Reed-Solomon Code Beispiel einer Codierung und Decodierung im Frequenzbereich Codierung und Decodierung im Zeitbereich Leistungsfähigkeit von Reed-Solomon Codes Faltungscodes Grundbegriffe der Faltungscodes Beispiel einer Faltungscodierung und-decodierung Aufbau des Beispiel-Encoders Zustands- und Netzdiagramm des Beispiel-Encoders Beispiel einer Codierung mit folgender (Viterbi)Decodierung Hard- und Softdecision Punktierung von Faltungscodes Leistungsfähigkeit von Faltungscodes Verkettung von Codes Verkettung von Blockcodes Interleaving Fehlerkorrekturverfahren für DVB Hinweise zur weiterführenden Literatur Digitale Modulationsverfahren (JAEGER) NRZ-Basisbandsignal Grundsätze der digitalen Modulation eines cosinusförmigen Trägersignals Amplitudentastung (2-ASK) Frequenzumtastung (2-FSK) Die Phasenumtastung (2-PSK) Die Quadraturphasenumtastung (QPSK) Höherstufige Amplitudenumtastung (ASK) und digitale Restseitenband-Amplitudenmodulation (RSB-AM) Digitale Quadratur-Amplitudenmodulation (QAM) Orthogonal Frequency Division Multiplex (OFDM) 211

5 xiv Inhaltsverzeichnis 8 Conditional Access für das Digitale Fernsehen (VERSE) Der Satellitenstandard und seine Decodertechnik (VERSE) Grundlagen der Satellitenübertragung Übertragungsstrecke Sendertechnik Polarisationsentkopplung Energieverwischung Empfängertechnik Kenndaten eines Fernsehsatelliten am Beispiel des Astra 1D Anforderungen an den Satellitenstandard Encoderseitige Signalverarbeitung Systemübersicht Energieverwischung (Energy Dispersal Scrambling) Fehlerschutzcodierung Filterung Modulation Decodertechnik Demodulator Filterung und Taktrückgewinnung Viterbi-Decoder Sync Byte Detector Deinterleaver und RS-Decoder Energy Dispersal Remover Basisband-Schnittstelle Leistungsmerkmale des Standards Ermittlung der Nettodatenraten Benötigter Störabstand im Übertragungskanal Antennendurchmesser Lokale terrestrische Übertragung DVB-S2, die nächste Generation des Satellitenrundfunks Der DVB-Kabelstandard und seine Decodertechnik (JAEGER) Kabelfernsehen, HFC-und Breitbandkommunikationsnetze Intermodulationen Thermisches Rauschen Reflexionen 260

6 Inhaltsverzeichnis xv 10.2 Nutzeranforderungen an den Kabelstandard Encoderseitige Signalverarbeitung Umsetzung der Bytes auf Symbolwörter Differentielle Codierung der MSBs Modulation Decodertechnik Kabeltuner ZF-Interface Rückgewinnung des Trägersignales Erzeugung des Taktsignals Demodulation des QAM-Signals Differentielle Decodierung Umsetzung der Symbolwörter auf Bytes Detektion der MPEG-Synchron-Wörter Leistungsmerkmale des Standards Ermittlung der Nutzdatenraten Benötigter Störabstand im Übertragungskanal DVB-Nutzung in Großgemeinschaftsantennen-Anlagen Lokale terrestrische Übertragung (MMDS) Der Standard zur terrestrischen Ausstrahlung von DVB-Signalen (LlSS, REIMERS, ROY) Grundlagen der terrestrischen Fernsehausstrahlung Nutzeranforderungen an ein System zur terrestrischen Ausstrahlung von DVB-Signalen Encoderseitige Signalverarbeitung Innerer Interleaver und Symbolmapping Wahl der OFDM-Parameter Gestaltung des Übertragungsrahmens Decodertechnik Empfängerklassen Ein klassisches Schaltungskonzept Antenne Tuner ZF-Verarbeitung DVB-T-Decoderbaustein Verbesserte Technologien für den DVB-T-Empfang Antennenvorverstärker für DVB-T Einchip-Siliziumtuner NIM-Technologie Antennen-Diversität Hierarchische Modulation 328

7 xvi Inhaltsverzeichnis 11.6 Leistungsmerkmale des Standards Ermittlung der Nutzdatenraten Benötigter Störabstand im Übertragungskanal Für den mobilen Empfang relevante Leistungsmerkmale DVB-Datenrundfunk (FOELLSCHER) Grundlagen des Datenrundfunks Data Piping Data Streaming Asynchrones Data Streaming Synchrones Data Streaming Synchronisiertes Data Streaming Daten-/Objekt-Karussell Daten-Karussell Objekt-Karussell Multiprotokoll-Einkapselung IP über DVB System Software Update DVB-Lösungen für interaktive Dienste (LEISSE, PIASTOWSKI) Interaktive Dienste Netzunabhängige Protokolle für interaktive Dienste im DVB-System Protokolle zur Datenübertragung Systemmodell Protokolle der höheren Schichten Netzabhängige Lösungen für PSTN, ISDN, DECT, GSM Interaktionskanal über PSTN/ISDN Interaktionskanal über DECT Interaktionskanal über GSM Netzabhängige Lösungen für DVB-C, DVB-S und DVB-T Interaktionskanal für Kabelfernsehsysteme Systemkonzept Physikalische Schicht und Paketformat MAC-Protokoll Protokollschnittstellen zu höheren Schichten DOCSIS - der alternative Kabel-Rückkanal Interaktionskanal für LMDS Interaktionskanal für Satelliten-Verteilsysteme 386

8 Inhaltsverzeichnis xvii Interaktionskanal für Fernsehsysteme mit Satelliten- Zentralantenne Interaktionskanal für Digitales Terrestrisches Fernsehen Physikalische Schicht und Paketformat MAC-Layer-Protokoll Die Multimedia Home Platform (MHP) (KLINKENBERG, SCHIEK) Die Rolle von Software-Plattformen im Empfänger Einige Nicht-MHP-Lösungen ATVEF Betanova Liberate MediaHighway MHEG OpenTV Migrationskonzepte MHP Java als Basistechnologie Architekturüberblick Transportprotokolle Protokolle für den Rundfunkkanal Protokolle für den Interaktionskanal Applikationsmodell und -signalisierung Grafik-Modell Content-Formate Benutzerschnittstelle Sicherheitsarchitektur Minimale Plattformfähigkeiten MHP Erweiterungen in MHP Weiterentwicklungen des existierenden MHP Standards Die Zukunft von MHP Aspekte einer mobilen MHP Die MHP-Testsuite GEM, die global ausführbare MHP Weitere, auf Java basierende Software-Plattformen OSGi DAB Java Spezifikation Mobile Information Device Profile - MIDP 449

9 xviii Inhaltsverzeichnis 15 DVB-H und IP Datacast (IPDC) (HEUCK, KORNFELD, MAY) DVB-H Die physikalische Schicht Time Slicing Handover-Unterstützung MPE-FEC: Zusätzlicher Fehlerschutz für IP-Daten Erweiterungen der physikalischen Schicht IP Datacast (IPDC) Architektur des DVB-H/IP Datacast-Gesamtsystems Protokollstapel und Kodierungsformate Electronic Service Guide (ESG) Service Purchase and Protection (SPP) Anwendungsbeispiele von IP Datacast IP Datacast im Hybriden Netz Messtechnik für das digitale Fernsehen (JOHANSEN, LADEBUSCH, TRAUBERG) Messtechnik für die Quellensignalverarbeitung im Basisband Qualitätsbeurteilung der Videoquellencodierung Überprüfung komprimierter Video-und Audiosignale Überprüfung des MPEG-2 Transport Stream Überprüfung der Decoderfunktionalität Messungen für die digitale Übertragungstechnik Darstellung des Augendiagramms Messungen an Modulatoren und Demodulatoren Messungen an einem QAM-Sender Messungen an einem QAM-Empfänger Messungen an einer OFDM-Übertragung Messung der Fehlerhäufigkeit Direkte Messung der Fehlerhäufigkeit Vergleichsmessung der Fehlerhäufigkeit 488 Literaturverzeichnis 491 Abkürzungsverzeichnis 511 Sachverzeichnis 521