Übertragungssysteme WS 2010/2011. Vorlesung 1. Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg.

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1 Übertragungssysteme WS 2010/2011 Vorlesung 1 Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg Karlheinz.Brandenburg@tu-ilmenau.de Kontakt: Dipl.-Ing.(FH) Sara Kepplinger / Dipl.-Ing. Christoph Fingerhut vorname.nachname@tu-ilmenau.de

2 Hinweise Art der Veranstaltung (2+1 SWS): Vorlesung, Übung 14-tägig (G) Termine VL: Mo Curie-Hs (Ersatztermin) Di K-Hs 2 (regulärer Termin) >> Termine bitte regelmäßig mit der Website gegenprüfen! << Nächster Vorlesungstermine: Montag ( ), 18:00 19:30 Uhr, Curie Hs Dienstag ( ), 13: Uhr, K- Hs 2 Direkter Link zu den Vorlesungsfolien li und Terminen (!): Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, karlheinz.brandenburg@tu-ilmenau.de Seite 2

3 Veranstaltungsübersicht - Vorlesungen 2010 Datum Zeit Raum K-Hs 2 Einführung (statt 26.10) Curie Hs AD Wandlung K-Hs 2 Nachrichtenkanal und Codierung Curie Hs Nachrichtenkanal und Codierung K-Hs 2 Digitale Modulation Curie Hs Auge Ohr, Wahrnehmnung K-Hs 2 Redundanz- / Irrelevanzreduktion Entw Curie Hs Redundanz- / Irrelevanzreduktion Oder : K-Hs2 Redundanz- / Irrelevanzreduktion Curie Hs Sprachcodierung K-Hs 2 Audiocodierung I Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, karlheinz.brandenburg@tu-ilmenau.de Seite 3

4 Veranstaltungsübersicht Vorlesungen 2011 Datum Zeit Raum K-Hs 2 Audiocodierung II K-Hs 2 Videocodierung I K-Hs 2 Videocodierung II K-Hs 2 DVB K-Hs 2 DVB / HbbTV Terminänderungen werden rechtzeitig in der Vorlesung / Übung und auf der Webseite zur Veranstaltung bekanntgegeben Seminar: entweder: Donnerstag (G), , K-Hs 1 ab 42. KW oder (soweit möglich) an nicht benötigten t Ersatzterminen? t Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, karlheinz.brandenburg@tu-ilmenau.de Seite 4

5 Veranstaltungsübersicht - Seminare 2010/2011 Datum Zeit Raum Curie Hs Übertragungsstrecke, Information, Entropie Curie Hs lin Blockcodes: Hamming Gewicht / Distanz K-Hs 2 Entw FEC (mit Matlab) Oder : FEC (mit Matlab) : K-Hs 2 Digitale Modulation Curie Hs Curie Hs zykl. Blockcodes vielleicht TurboCode/ LDPC Wiederholung, offene Fragen, Prüfungsvorbereitung Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, karlheinz.brandenburg@tu-ilmenau.de Seite 5

6 Themenüberblick Beispiele für aktuelle Übertragungssysteme g 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, karlheinz.brandenburg@tu-ilmenau.de Seite 6

7 Systeme zur digitalen Übertragung g Warum digital? Analog: Aufwand wächst exponentiell für größere Genauigkeit Digital: Moore'sches Gesetz: mikroelektronische Schaltkreise werden kleiner schneller mit geringerem Stromverbrauch billiger Universalrechenwerke können alle digitalen Verarbeitungsalgorithmen rechnen Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, karlheinz.brandenburg@tu-ilmenau.de Seite 7

8 Moore'sches Gesetz Quelle: Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, Seite 8

9 Grundlegendes Modell eines Übertragungssystems g 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, karlheinz.brandenburg@tu-ilmenau.de Seite 9

10 Grundlegendes Modell eines Übertragungssystems g 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, karlheinz.brandenburg@tu-ilmenau.de Seite 10

11 Grundlegendes Modell eines Übertragungssystems g Information Source Transmitter Receiver Destination Message Signal Received Signal Message Kanalcodierung: Noise Source Jeder Kanal ist gestört, Redundanzfreien Signalen geht Information verloren Gezieltes Hinzufügen von Redundanz Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, karlheinz.brandenburg@tu-ilmenau.de Seite 11

12 Beispiele für Übertragungssysteme g 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, karlheinz.brandenburg@tu-ilmenau.de Seite 12

13 Beispiele: Rundfunksysteme DVB-C pa acketiser pac cketiser Tra nsport MUX Faltungs- Interleaver) MUX Adaption Energie- Verwisch. Äußerer Encoder RS (204,188) MPEG-2 video- encoder MPEG-2 audio encoder auxiliary data pack ketiser Basis- QAM- Band Modulator lfilter Kabe Wort- Symbol- Umsetzer Diff.- Encoder Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, Seite 13

14 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 Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, karlheinz.brandenburg@tu-ilmenau.de Seite 14 Payload

15 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 15

16 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 16

17 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 Bt 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 17

18 Beispiele für Übertragungssysteme g Speichersysteme CD SACD MD DAT ADAT DCC Flash-(MP3)Player DV DVD BluRay Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, karlheinz.brandenburg@tu-ilmenau.de 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

19 Beispiel CD Spieldauer Durchmesser Dicke Spurweite Mindestbitlänge Samplerate EFM CIRC Datenrate Laserwellenlänge 80min 120mm 1.2mm 1.6um 0,83um 44.1kHz / 16bit 8 to 14 Modulation Cross Interleave Reed Solomon 4.3 Mbit/s 780nm Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, karlheinz.brandenburg@tu-ilmenau.de Seite 19

20 Beispiel MiniDisc Spieldauer Durchmesser Dicke Track Pitch Samplerate ATRAC EFM Advanced CRIC Laser Wellenlänge 74min 64mm 1.2mm 1.6 um 44.1kHz Adaptive Transform Coding 8 to 14 Modulation ACRIC 780nm Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, karlheinz.brandenburg@tu-ilmenau.de Seite 20

21 Beispiele für Übertragungssysteme g Weitere Übertragungssysteme g 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, karlheinz.brandenburg@tu-ilmenau.de Seite 21

22 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 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) Standbild H.261 Annex D (4CIF) H.263 PAL: 704 x 576 Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, karlheinz.brandenburg@tu-ilmenau.de Seite 22

23 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"-stanges max. 72m paketorientierte Datenübertragung Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, karlheinz.brandenburg@tu-ilmenau.de Seite 23

24 Nächste Vorlesungen: Montag, 18. Okt., , Curie Hs Dienstag, 19.Okt., , K-Hs 2 Nächstes Seminar:? regulärer Termin wäre: Donnerstag, 22. Okt., 07:00-08:30, 08:30 K-Hs 1 Vorschlag Alternativtermin : Montag, 25. Okt., 18:00-19:30, K-Hs 2 bzw. Start jeweils Donnerstags, 07:20-08:50, K-Hs 1 Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, karlheinz.brandenburg@tu-ilmenau.de Seite 24