Nachrichtentechnik [NAT] Kapitel 1: Einführung. Dipl.-Ing. Udo Ahlvers HAW Hamburg, FB Medientechnik

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1 Nachrichtentechnik [NAT] Kapitel 1: Einführung Dipl.-Ing. Udo Ahlvers HAW Hamburg, FB Medientechnik Sommersemester 2005

2 Inhaltsverzeichnis Inhalt Inhaltsverzeichnis 1 Einführung Motivation Gliederung der Vorlesung Quellen und Literatur Notation Allgemeines Nachrichtensystem Signal-Beispiele Audiosignal Videosignal Ausblick Dipl.-Ing. Udo Ahlvers Nachrichtentechnik [NAT] 1-2

3 1 Einführung Inhalt 1 Einführung 1.1 Motivation Signale dienen zur Übermittlung von Informationen ( Bsp.: Audiosignal (1D), Videosignal (2D) ) Die Signalform kann kontinuierlich oder diskret sein Eine Beschreibung der Signale ist möglich im Zeitbereich Frequenzbereich Die Nachrichtentechnik umfasst die Bereiche der Signalverarbeitung Signalübertragung Dipl.-Ing. Udo Ahlvers Nachrichtentechnik [NAT] 1-3

4 1.2 Gliederung der Vorlesung Inhalt 1.2 Gliederung der Vorlesung Die Vorlesung ist wie folgt gegliedert: Kap.Nr. Inhalt 1 Einführung 2 Zeitkontinuierliche Signale 3 Zeitkontinuierliche Systeme 4 Fourier-Transformation 5 Laplace-transformation 6 Analoge Filter 7 Abtastung / Diskretisierung 8 Anwendungen Dipl.-Ing. Udo Ahlvers Nachrichtentechnik [NAT] 1-4

5 1.3 Quellen und Literatur Inhalt 1.3 Quellen und Literatur Internet-Quellen: Eigene Homepage: Homepage von Prof. Mores: Literatur: Girod, Rabenstein, Stenger: Einführung in die Systemtheorie, Teubner, Fliege: Systemtheorie, Teubner, Morgenstern: Farbfernsehtechnik, Teubner, Zölzer: Digitale Audiosignalverarbeitung, Teubner, Mefferth, Hochmuth: Werkzeuge der Signalverarbeitung, Pearson, Merziger, Wirth: Repititorium der höheren Mathematik, Binomi, Dipl.-Ing. Udo Ahlvers Nachrichtentechnik [NAT] 1-5

6 1.4 Notation Inhalt 1.4 Notation Im Ramhen dieser Vorlesung wird die folgende Notation verwendet: Symbol t x(t) n x(n) f A = 1/T δ(t) ω F(jω) F(jω) ϕ(ω) Ω = ωt F(e jω ) B Bedeutung kontinuierliche Zeitvariable kontinuierliches Signal im Zeitbereich diskrete Zeitvariable diskretes Signal im Zeitbereich (Zahlenfolge) Abtastfrequenz [Hz] (T: Periodendauer) Dirac-Impuls kontinuierliche Frequenzvariable kontinuierliches Spektrum von x(t) Betragsfrequenzgang Phasengang normierte Frequenzvariable kontinuierliches, periodisches Spektrum von x(n) Bandbreite [Hz] Dipl.-Ing. Udo Ahlvers Nachrichtentechnik [NAT] 1-6

7 1.5 Allgemeines Nachrichtensystem Inhalt 1.5 Allgemeines Nachrichtensystem Basisbandübertragung Leitungsdecodierung Leitungscodierung x BB (t) ISDN Internet x(t) x(n) x c (n) Video Audio Sprache Sensorsignale Messsignale Bit / sec Bit / sec x(t) x(n) x c (n) Bandpassübertragung Modulation Demodulation x I (t) x Q (t) exp(jω 0 t) R e -Modem (Telefonnetz) -Mobilfunk (DECT,GSM) -Rundfunk (DAB,DVB) -DVB (Kabel,Sat) -ADSL (Kabel) -Richtfunk -Satellitenübertragung exp( jω 0 t) x BP (t) h(t) y BP (t) Kanalverzerrung n(t) AWGN Quellencodierung Kanalcodierung Kanaldecodierung Quellendecodierung y BB (t) ISDN Internet Dipl.-Ing. Udo Ahlvers Nachrichtentechnik [NAT] 1-7

8 1.5 Allgemeines Nachrichtensystem Inhalt Erklärung: Zeitkontinuierliches Signal x(t): Nachrichtenquelle Erzeugung eines elektrischen Signals x(t) Zeitdiskretes Signal x(n): Abtastung und Quantisierung Erzeugung einer Zahlenfolge x(n) Quellencodierung: Codierung des zeitdiskreten Signals unter Ausnutzung von Redundanzreduktion (statistische Modelle) und Irrelevanzreduktion (visuelle und psychoakustische Modelle). Kanalcodierung: Hinzufügen von Zusatzinformationen (Redundanz) zum Schutz gegen Übertragungsfehler. Modulation/Leitungscodierung: Anpassung des Signals an den physikalischen Übertragungskanal durch Erzeugung eines zeitkontinuierlichen Signals. Dipl.-Ing. Udo Ahlvers Nachrichtentechnik [NAT] 1-8

9 1.5 Allgemeines Nachrichtensystem Inhalt x(t) replacements ADC x(n) DSV Quellencodierung x c (n) Video (JPEG,MPEG,..) Audio (MPEG,WAV,..) y(t) DAC y(n) DSV Quellendecodierung x c (n) Digitale Signalverarbeitung: ADC: Analog-Digital-Converter DAC: Digital-Analog-Converter DSV: Digitale Signal-Verarbeitung Das Signal als endliche Folge von Abtastwerten dargestellt. Vorteil: Effiziente Verarbeitung im Computer möglich! Dipl.-Ing. Udo Ahlvers Nachrichtentechnik [NAT] 1-9

10 1.6 Signal-Beispiele Inhalt Audiosignal 1.6 Signal-Beispiele Zeitsignale, Spektrum Bandbreite B = 16/20 khz (Abtastraten f A = 32, 44.1, 48, 96 khz) Dynamikbereich: 120 db (16/20/24-Bit Quantisierung) Psychoakustische Effekte Ruhehörschwelle Lautstärkeabhängige Frequenzempfindlichkeit Wahrnehmung in Frequenzgruppen Maskierung (Verdeckung) und globale Maskierungsschwellen Dipl.-Ing. Udo Ahlvers Nachrichtentechnik [NAT] 1-10

11 1.6 Signal-Beispiele Inhalt 0.5 Zeit und Frequenzdarstellung x(t) t/sec 0.5 x(t) t/sec 20 X(f) /db f/hz Dipl.-Ing. Udo Ahlvers Nachrichtentechnik [NAT] 1-11

12 1.6 Signal-Beispiele Inhalt x(t) x Spektrogramm f/hz t/sec Dipl.-Ing. Udo Ahlvers Nachrichtentechnik [NAT] 1-12

13 1.6 Signal-Beispiele Inhalt Videosignal Örtliche Abtastung des Bildes b z( b h ) h z =1.5 a =15 o Anpassung an die Orts- und Zeitauflösung des menschlichen Auges Betrachtungsabstand a = 4h Betrachtungswinkel α 15 Minimale Zeilenanzahl z min α δ = 15 = /60 Mit b/h = 4/3 folgt N P = z 2 4/3 = Bildpunkte Dipl.-Ing. Udo Ahlvers Nachrichtentechnik [NAT] 1-13

14 1.6 Signal-Beispiele Inhalt Zeitliche Abtastung des Bildes Die Bandbreite B wird bestimmt durch die Zeitauflösung: Bildwiederholfrequenz f B = 25 (1) Abtastrate Mit dem Abtasttheorem f A = 2B (s. Kap. 7) folgt damit f A = N P f B (2) B = N P 2 f B. (3) Unter Berücksichtigung der horizontalen/vertikalen Rücklaufzeiten sowie des Kell-Faktors (0.67) ergibt sich für die Bandbreite B = 1 ( ) b/ z2 f B 0.67 (4) h/0.94 = 1 ( ) Hz = 5 MHz. (5) 3 Dipl.-Ing. Udo Ahlvers Nachrichtentechnik [NAT] 1-14

15 1.6 Signal-Beispiele Inhalt BAS-Signal: z( b h ) z opt.-elektr. Wandler x(t) elektr.-opt. Wandler weiß x(t) Austastsignal Bildsignal schwarz t 1/f H Synchronisationssignal BAS-Signal: Bildsignal + Austastlücke + Synchronisation Bildfrequenz f B = 1/T B = 1 40 msec = 25 Hz Bei 625 Zeilen folgt pro Zeile eine Zeilendauer von T h = 64 µsec Zeilenfrequenz f h = 1/T h = 1 64 µsec = Hz Dipl.-Ing. Udo Ahlvers Nachrichtentechnik [NAT] 1-15

16 1.6 Signal-Beispiele Inhalt Zeilensprung-Verfahren: 1. Halbbild Start 1. Halbbild Start 2. Halbbild Vollbild fb=25 Hz, fv=50 Hz Halbbild Reduktion des Bildflimmerns: Bildung zweier Halbbilder Halbbildfrequenz (Vertikalfrequenz) f v = 1/T v = 1 20 msec Zeilenfrequenz f h = 1/T h = 1 64 µsec Bildfrequenz f B = 1/T B = 1 40 msec = Hz = 25 Hz Synchronisationssignale: Zeile, Halbbild, Vollbild = 50 Hz Dipl.-Ing. Udo Ahlvers Nachrichtentechnik [NAT] 1-16

17 1.7 Ausblick Inhalt 1.7 Ausblick Für dieses Semester: Behandlung kontinuierlicher Signale Nächster Termin: Signale im Zeitbereich Klassifikation Generelle Eigenschaften Beschreibung Dipl.-Ing. Udo Ahlvers Nachrichtentechnik [NAT] 1-17