Multimediale Übertragungssysteme

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1 Multimediale Übertragungssysteme WS 2011/2012 Vorlesung 1 Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg Karlheinz.Brandenburg@tu-ilmenau.de Kontakt: Dipl.Ing.(FH) Sara Kepplinger / Dipl.Inf. Thomas Köllmer vorname.nachname@tu-ilmenau.de

2 Hinweise Art der Veranstaltung (2+1 SWS): Vorlesung, Übung 14-tägig (G) Termine VL: Mo SrHU129 (Ersatztermin) Di K-Hs 2 (regulärer Termin) Termine bitte regelmäßig mit der Website gegenprüfen! Nächster Vorlesungstermin: Dienstag ( ), 13: Uhr, K-Hs 2 Direkter Link zu den Vorlesungsfolien und Terminen (!): Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, karlheinz.brandenburg@tu-ilmenau.de Seite 2

3 Veranstaltungsübersicht - Vorlesungen 2011 Datum Zeit Raum Thema 1. VL Di, K-Hs 2 Einführung 2. VL Di, K-Hs 2 AD Wandlung 3. VL Mo, SrHU129 Auge und Ohr 4. VL Di, K-Hs 2 Nachrichtenkanal und Codierung 5. VL Di, K-Hs 2 Digitale Modulation 6. VL Di, K-Hs 2 Akustische Wahrnehmung, Redundanz, Irrelevanz 7. VL Di, K-Hs 2 Sprachcodierung 8. VL Di, K-Hs 2 Audiocodierung I 9. VL Di, K-Hs 2 Audiocodierung II 10. VL Di, K-Hs 2 Videocodierung I Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, karlheinz.brandenburg@tu-ilmenau.de Seite 3

4 Veranstaltungsübersicht Vorlesungen 2012 Datum Zeit Raum Thema 11. VL Di, K-Hs 2 Videocodierung II 12. VL Di, K-Hs 2 Digitaler Hörfunk 13. VL Di, K-Hs 2 Digitaler Hörfunk 14. VL Di, K-Hs 2 Digital Video Broadcasting 15. VL Di, K-Hs 2 Digital Video Broadcasting Terminänderungen werden rechtzeitig in der Vorlesung / Übung und auf der Webseite zur Veranstaltung bekanntgegeben Seminar: Montag (G), , SrHU129 Ersatztermin: Donnerstag (G), 7:00 8:30, K-HS 1 Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, karlheinz.brandenburg@tu-ilmenau.de Seite 4

5 Veranstaltungsübersicht - Seminare 2010/2011 Datum Zeit Raum Thema 1. Seminar Mo, SrHU129 Einführung + Huffman-Codierung 2. Seminar Mo, SrHU129 Kanalcodierung 3. Seminar Mo, SrHU129 Fehlererkennung, Fehlerkorrektur 4. Seminar Mo, SrHU129 Blockcodes 5. Seminar Mo, SrHU129 Modulation 6. Seminar Mo, SrHU129 Audio- / Videocodierung 7. Seminar Mo, SrHU129 Abschluss, Klausurvorbereitung Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, karlheinz.brandenburg@tu-ilmenau.de Seite 5

6 Themenüberblick Beispiele für aktuelle Übertragungssysteme Modell einer Kommunikationsstrecke Kanalcodierung Grundlagen der Quellcodierung Audiovisuelle Wahrnehmung Irrelevanz und Redundanz Einfache Codierverfahren, Grundelemente Audiocodierung Bild- und Videocodierung DVB Ausblick Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, Seite 6

7 Multimediale Übertragungssysteme Nachrichtenquelle Quellencodierer Kanalcodierer Leitungscodierer Übertragungskanal Nachrichtensenke Quellendecodierer Kanaldecodierer Leitungsdecodierer Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, Seite 7

8 Systeme zur digitalen Übertragung Warum digital? Analog: Aufwand wächst exponentiell für größere Genauigkeit Digital: Mooresches Gesetz: mikroelektronische Schaltkreise werden kleiner schneller sparsamer billiger Universalrechenwerke können alle digitalen Verarbeitungsalgorithmen durchführen Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, Seite 8

9 Mooresches Gesetz Quelle: Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, Seite 9 Quelle:

10 Grundlegendes Modell eines Übertragungssystems Information Source Transmitter Receiver Destination Message Signal Received Signal Message Noise Source Claude E. Shannon, Warren Weaver: The Mathematical Theory of Communication, 1949 Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, Seite 10

11 Grundlegendes Modell eines Übertragungssystems Information Source Transmitter Receiver Destination Message Signal Received Signal Message Quellencodierung: Noise Source Zuordnung: Nachrichten(folge) Zeichenfolge Eliminieren von Redundanz und Irrelevanz Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, Seite 11

12 Grundlegendes Modell eines Übertragungssystems Information Source Transmitter Receiver Destination Message Signal Received Signal Message Kanalcodierung: Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, Seite 12 Noise Source Jeder Kanal ist gestört, Redundanzfreien Signalen geht Information verloren Gezieltes Hinzufügen von Redundanz

13 Beispiele für Übertragungssysteme Digitale Rundfunksysteme: DVB Digital Video Broadcasting ATSC (USA) Advanced Television Systems Committee ARIB (Japan) Association of Radio Industries and Businesses DAB Digital Audio Broadcasting DRM Digital Radio Mondiale Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, Seite 13

14 packetiser packetiser Transport MUX packetiser Beispiele: Rundfunksysteme DVB-C MPEG-2 videoencoder MPEG-2 audio encoder MUX Adaption Energie- Verwisch. Äußerer Encoder RS (204,188) Faltungs- Interleaver) auxiliary data Kabel QAM- Modulator Basis- Band Filter Diff.- Encoder Wort- Symbol- Umsetzer Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, Seite 14

15 Beispiele: Rundfunksysteme - DVB DVB: Quellencodierung: Audio - Codierung: MPEG - Audio Layer II Video - Codierung: MPEG - 2 Video Übertragung: MPEG-2 Transportstrom 1 Byte 3 Byte 184 Byte Sync. Byte Header Audio Video Daten Payload Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, karlheinz.brandenburg@tu-ilmenau.de Seite 15

16 Beispiele: Rundfunksysteme - DVB Fehlerschutz in DVB Ausgleich von Störungen des Übertragungssignals Prinzip bei allen Übertragungsarten gleich Nach Art der Störanfälligkeit eines Kanals wird die Stärke des Fehlerschutzes bestimmt Kabelübertragung am wenigsten störanfällig geringster Fehlerschutz des DVB-Standards Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, karlheinz.brandenburg@tu-ilmenau.de Seite 16

17 Beispiele: Rundfunksysteme - DVB Fehlerschutz durch Reed-Solomon Code (204,188) Symbolorientierte Blockcodes 16 Korrekturbytes werden angefügt 8 Bytes können korrigiert werden Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, karlheinz.brandenburg@tu-ilmenau.de Seite 17

18 Beispiele: Rundfunksysteme - DVB Fehlerschutz Interleaver Versagen des RS-Decoders, wenn die Korrekturfähigkeit von max. 8 fehlerhaften Bytes überschritten wird Spreizen des Bündelfehlers über einen Faltungs-Interleaver (Convolutional Interleaver) steigert Effektivität des RS-Decoders Byte-Interleaving mit Tiefe I=12 Basisverzögerungseinheit M= 204/12 = 17 Sync-Bytes im Zweig 0 ohne Verzögerung Verzögerung der Bytes im Transportstrom um Position 0, 17, 34, Im ursprünglichen Datenstrom benachbarte Bytes liegen mindestens um 204 Bytes auseinander Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, karlheinz.brandenburg@tu-ilmenau.de Seite 18

19 Beispiele für Übertragungssysteme Speichersysteme CD SACD MD DAT ADAT DCC Flash-(MP3)Player DV DVD BluRay Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, Seite khz, 16 bit linear, 2 Kanäle 2,8224 MHz, 1 bit, >120 db ATRAC, ATRAC3 (LP) 48/44.1/32kHz,16bit,2Kanäle 8 Kanäle, linear MPEG-1 Layer-1 MP3, AAC, WMA 25 Mbit/s-Video / 48/32kHz, 16/12bit 4,7/8,5/13,2/17GB VC-1, H.264, Dolby TrueHD, DTS

20 Beispiel CD Spieldauer Durchmesser Dicke Spurweite Mindestbitlänge Samplerate Leitungscode Fehlerschutz Datenrate Laserwellenlänge 80min 120mm 1.2mm 1.6µm 0,83um 44.1kHz / 16bit 8 to 14 Modulation (EFM) Cross Interleaved Reed Solomon 4.3 Mbit/s 780nm Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, karlheinz.brandenburg@tu-ilmenau.de Seite 20

21 Beispiel MiniDisc Spieldauer 74min Durchmesser 64mm Dicke 1.2mm Spurweite 1.5 µm Samplerate 44.1kHz Audiokompression Adaptive Transform Acoustic Coding (ATRAC) Leitungscode 8 to 14 Modulation (EFM) Fehlerschutz Advanced CIRC (ACIRC) Laserwellenlänge 780nm Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, karlheinz.brandenburg@tu-ilmenau.de Seite 21

22 Beispiele für Übertragungssysteme Weitere Übertragungssysteme ISDN (Integrated Services Digital Network) 64 kbit/s ATM (Asynchronous Transfer Mode) z.b. Video nach ITU-R 601 GSM (Global System for Mobile Communication) 9,6 kbit/s UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) Internet Streaming POTS (Plain Old Telephone System) G.728 (LD-CELP) Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, Seite 22

23 ISDN Anwendung Videokonferenz Bandbreite Videokodierung 56/64 bis 128 Kbps H.261/H.263 Bildpunkte CIF: 352 x 288 QCIF: 176 x 144 Bildwiederholrate Audiocodierung Standbild max. 30 /s (128 Kbps) G.711: 3,4 khz (56/64 Kbps) G.722: 7 khz (48/56 Kbps) G.728: 3,4 khz (16 Kbps) H.261 Annex D (4CIF) H.263 PAL: 704 x 576 Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, karlheinz.brandenburg@tu-ilmenau.de Seite 23

24 IEEE 1394 Firewire (Apple) i.link (Sony) serielle Datenübertragung hot plug n play 100, 200, 400 oder 800 MBit/s Übertragungsgeschwindigkeit integrierte Stromversorgung für Geräte (8 bis 40 VDC, 1.5A) 6-adriges Twisted Pair (4 Datentransfer, 2 Stromversorgung) keine Terminatoren erforderlich Datenübertragung in beide Richtungen (bi-direktional) 4.5m max. Entfernung zwischen 2 Geräten (bei 400 MBit/s) Gesamtlänge eines "daisy chain"-stranges max. 72m paketorientierte Datenübertragung Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, karlheinz.brandenburg@tu-ilmenau.de Seite 24

25 Nächste Vorlesung: Dienstag, 18. Oktober, , K-Hs 2 Nächstes Seminar: Montag 17. Oktober, , SrHU129 Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, karlheinz.brandenburg@tu-ilmenau.de Seite 25