Übertragungssysteme WS 2011/2012. Vorlesung 14. Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg.

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1 Übertragungssysteme WS 2011/2012 Vorlesung 14 Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg Kontakt: Dipl.-Ing.(FH) Sara Kepplinger / Dipl.-Ing. Christoph Fingerhut vorname.nachname@tu-ilmenau.de

2 Digital Video Broadcasting Einführung Transportstrom und Fehlerschutz Digital Video Broadcasting I, VL13 Modulationsverfahren Überblick und Ergänzungen Digital Video Broadcasting II, VL14 Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, Seite 2

3 DVB: Übertragungswege Bedingung Transparenz DVB-S MUX DVB-C DVB-T Ethernet DEMUX IP-basierende Kanäle Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, Seite 3

4 DVB-S: Überblick Satellitenübertragung Uplink im Frequenzmultiplex Verteilung der einzelnen Frequenzen auf Transponder TDM innerhalb eines Transponders Downlink im Frequenzmultiplex Vollaussteuerung der Verstärker keine Amplitudenmodulation gleichmäßige Leistungsverteilung Ausreichend Bandbreite vorhanden typische Transponder-Bandbreite bei 27 MHz im GigaHertz-Bereich Satelliten auf unterschiedlicher geostationärer Position können gleiche Frequenz benutzen Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, Seite 4

5 DVB-S: Blockdiagramm Sender Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, Seite 5

6 DVB-S: Basisbandfilterung Spektrum einer binären Datenfolge reicht theoretisch von f = 0 bis f = unendlich Intensität der Spektralkomponenten fällt ca. mit 1/f ab Aus frequenzökonomischen Gründen wird Spektrum begrenzt Nach der 1.Nyquist-Bedingung kann das Spektrum des Datensignals steil abfallen, auf den Bereich bis zur Nyquist-Freq. begrenzt werden Folge: starke Impulsverzerrung Gemäß dem 2. Nyquist-Theorem kann Spektrum auch flach begrenzt werden, wenn der Übertragungsfaktor H symmetrisch zu dem 50%-Wert bei der Nyquist- Frequenz abfällt Kontinuierlicher Übergang > Roll-Off-Filter Roll-Off-Faktor r = f / fn Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, karlheinz.brandenburg@tu-ilmenau.de Seite 6

7 DVB-S: Roll-Off-Funktion Wurzel-Cos^2-Roll-Off-Funktion mit Roll-Off-Faktor r = 0.35 Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, karlheinz.brandenburg@tu-ilmenau.de Seite 7

8 DVB-S: QPSK 4-Phasenumtastung, Erzeugung einer 4-PSK und Vektor- bzw. Zustandsdiagramm Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, Seite 8

9 DVB-C: Überblick Kabelübertragung hoher Störabstand möglich Einträgermodulationsverfahren relativ wenig Bandbreite: Kanalraster von TV: n * 8 MHz VHF n * 7 MHz UHF Vorhandene Netze müssen nutzbar sein sehr viele Daten in einem Kabelkanal Kompatibilität zum Satellitenkanal Decoder-Hardware möglichst ähnlich zu Satellitendecoder (QPSK = 4-QAM) Quelle: Seminar Digitaler Rundfunk an der Univ. Erlangen, 2000 Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, karlheinz.brandenburg@tu-ilmenau.de Seite 9

10 DVB-C: Blockdiagramm Sender Quelle: Seminar Digitaler Rundfunk an der Univ. Erlangen, 2000 Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, Seite 10

11 DVB-C: Blockdiagramm Empfänger Quelle: Seminar Digitaler Rundfunk an der Univ. Erlangen, 2000 Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, Seite 11

12 DVB-C: 64-QAM cos ( t) 6 Bit S NRZ (t) 3 Bit 3 Bit Mapper 90 + S QAM (t) Blockschaltbild eines 64-QAM Modulators Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, karlheinz.brandenburg@tu-ilmenau.de Seite 12

13 DVB-C: 64-QAM Zustandsdiagramm der 64-QAM mit Phasendifferenzcodierung der beiden ersten Bits Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, Seite 13

14 Bitfehlerraten von M-QAM und QPSK Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, Seite 14

15 DVB-T: Überblick Terrestrische Ausstrahlung Kanaleigenschaften: Mehrwegeausbreitung In-Haus Empfang Täler und Senken Anforderungen: Codierung ähnlich zu Satelliten-, bzw. Kabelstandard Übertragung in 8 MHz Bändern (7MHz und 6MHz Bänder auch möglich) Gleichwellennetze müssen möglich sein Flächendeckung für Dachantennen (Mobilempfang erwünscht, aber kein Ziel) Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, karlheinz.brandenburg@tu-ilmenau.de Seite 15

16 DVB-T: Blockdiagramm Sender Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, Seite 16

17 DVB-T: Überblick Terrestrische Ausstrahlung Verwendung des Mehrträgermodulationsverfahren OFDM viele Träger QAM moduliert 2k oder 8k keine Richtantennen mehr nötig (Stabantennen) mobiler Empfang möglich Nachteil: mit Wegfall der Richtwirkung von Antennen entfällt auch das Ausblenden von Echo- oder Mehrwegesignalen (RICE-Kanal) Guardintervall mehrere kleine Sender senden synchron auf der gleichen Frequenz Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, Seite 17

18 OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Anwendungsgebiete für OFDM Digital Audio Broadcasting (DAB) Digital Video Broadcasting -Terrestrial (DVB-T) Asymetric Digital Subscriber Line (ADSL/T-DSL) Wireless Local Area Networks (WLAN s) z.b. HIPERLAN/2, IEE802.11a Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, Seite 18

19 DVB: Vergleich der Übertragungsarten Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, Seite 19

20 DVB: Vergleich der Übertragungsarten Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, Seite 20

21 DVB-Vorteile Verbesserung der Bildqualität digitale Übertragung und Verwendung der Datenkompression MPEG-2 Videodatenrate von ca. 6 bis 8 Mbit/s etwa Studioqualität Ca. 4 bis 6 Mbit/s deutlich bessere Bildqualität als PAL ca. 2 bis 4 Mbit/s bessere Qualität als CD-Video / VHS Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, karlheinz.brandenburg@tu-ilmenau.de Seite 21

22 DVB-Vorteile Erhöhung der Übertragungskapazität (Programmanzahl) Verwendung digitaler Übertragungsverfahren (QPSK, 16-QAM oder 64- QAM) Variable Leistungsfähigkeit und damit entsprechenden Systemparametern (Signalkonstellation, Guardintervall und Kanalcodierung) Datenrate von 5.0 bis 31.6 Mbit/s im 8 MHz-Kanal z.b. Datenrate von 4 Mbit/s pro Programm, Verwendung der 64QAM (stationär, d.h. mit Dachantenne) ca. 5 bis 6 Programme 16QAM (portabel, d.h. mit geräteeigener Antenne, ggf. mobil) etwa 3 bis 4 Programme QPSK (mobil) ca. 1 bis 2 Programme Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, karlheinz.brandenburg@tu-ilmenau.de Seite 22

23 DVB-Vorteile Frequenzökonomie Mehrträgerverfahren OFDM ermöglicht den konstruktiven Beitrag von Echos zum Empfangssignal. Auf diese Weise können Gleichwellennetze (Single Frequency Network = SFN im Gegensatz zu MFN: Multiple Frequency Network) realisiert werden. Mit SFN s kann auf das beim bisherigen analogen Übertragungs-verfahren erforderliche Frequenzmuster (keine aneinander angrenzenden gleichen oder direkt benachbarten Frequenzen) verzichtet werden. Eine großflächige Bedeckung könnte theoretisch mit nur einer einzigen Frequenz erfolgen. In benachbarten Gebieten werden jedoch andere Frequenzen benötigt. Für Deutschland bedeutet dies in der Praxis wegen der Unterteilung in Bundesländer und der angrenzenden Nachbarländer eine Reduzierung der benötigten Frequenzen auf etwa die Hälfte (gegenüber einer MFN-Bedeckung). Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, karlheinz.brandenburg@tu-ilmenau.de Seite 23

24 DVB-Vorteile Robuste Übertragung und Unempfindlichkeit gegenüber Übertragungsfehlern Kanalcodierung (Reed-Solomon und Faltungscode) macht Empfang robuster, d.h. unempfindlicher gegenüber Störungen. Möglichkeit der Korrektur von Übertragungsfehler bis zu einer gewissen Grenze Der Zuschauer erhält entweder fehlerfreien Empfang, d.h. optimale Bildqualität, Artefakte oder aber gar keinen Empfang. Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, Seite 24

25 DVB-Vorteile Leistungsökonomie abgestrahlte Leistung kann je nach gewünschtem Versorgungs-gebiet und ermöglichten Empfangsbedingungen geringer sein als bei analogem TV. mobiler bzw. portabler Indoor Empfang: ähnliche Leistungen wie bisher bei PAL benötigt Indoor Empfang unter gewissen Umständen und bei entsprechend gewählten System- und Sendeparametern störungsfreier portabler wie auch mobiler Empfang Für portablen Indoor-Empfang, ist im Vergleich zum stationären Empfang mit Dachantenne eine erhöhte Sendeleistung sowie die Verwendung der 16QAM erforderlich. Damit kann im Vergleich zum analogen TV dennoch die 3- bis 4-fache Anzahl an Programmen übertragen werden. Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, Seite 25

26 DVB-Vorteile Portabler bzw. mobiler Empfang Für mobilen Empfang bei sehr hohen Geschwindigkeiten muss die Sendeleistung im Vergleich zum stationären Empfang erhöht werden In manchen Fällen (abhängig von Sendeleistung und Versorgungsgebiet) Verwendung anstatt der 16 QAM die QPSK verwendet werden. 2K-Modus aus wirtschaftlichen Gründen (Senderabstand) nicht sinnvoll 8K-Modus reduziert max. mögliche Geschwindigkeit im mobilen Betrieb um Faktor 4 Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, karlheinz.brandenburg@tu-ilmenau.de Seite 26

27 DVB-X2 DVB, 1. Generation DVB-C, 1994, Cable ETSI EN DVB-S, 1995, Satellite ETSI EN DVB-T, 1995, Terrestrial ETSI EN DVB-H, 2004, Mobile/Terristrial ETSI EN DVB-SH, 2007 Mobile/Satellite ETSI EN DVB-X2, 2. Generation DVB-S2, 2005, Satellite ETSI EN DVB-T2, 2008, Terrestrial ETSI EN DVB-C2, 2009, Cable EN (DVB-NGH) Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, Seite 27

28 DVB-X2 FEC DVB, 1. Generation in Scrambler (Energy Dispersal) Reed- Solomon coder Convolutional interleaver Convol. Coder & puncturing out DVB-X2, 2. Generation in Baseband scrabler BCH coder LDPC coder Bit interleaver out Quelle: Rohde & Schwarz Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, Seite 28

29 DVB-X2 Type of modulation: DVB-C: single carrier 16QAM, 32QAM, 64QAM, 128QAM, 256QAM DVB-S: single carrier QPSK DVB-T: OFDM QPSK, 16QAM, 64QAM Type of modulation: DVB-C2: OFDM 16QAM, 32QAM, 64QAM, 128QAM, 256QAM, 1024QAM, 4096QAM DVB-S2: single carrier QPSK, 8PSK, 16APSK, 32APSK DVB-T2: OFDM QPSK,16QAM, 64QAM, 256QAM Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, Seite 29

30 DVB-S2 Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, Seite 30

31 DVB-C2 Quelle: Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, Seite 31

32 DVB-C2 Quelle: Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, Seite 32

33 DVB-T2 Quelle: Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, Seite 33

34 HbbTV - Zielstellungen System für hybride Broadcast/Broadband Empfänger wie TVs und STBs Ermöglicht die parallele Nutzung von Broadcast und Internet- Angeboten Spezifikation unabhängig von Übertragungsweg (DVB-T, -S, -C) IP Verbindung empfehlenswert, jedoch nicht zwingend erforderlich Rein Broadcast basierte Übertragung möglich Entwicklung einer offenen und standardisierten Plattform Basiered auf existierenden Standards und Web Technologien Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, karlheinz.brandenburg@tu-ilmenau.de Seite 34

35 HbbTV - Komponenten OIPF (OpenIPTV Forum) JavaScript APIs for TV environment HbbTV specification Media Formats subset Modifications to CE-HTML profiles CEA (Consumer Electronics Association) JavaScript APIs for ondemand media Audio and Video formats Declarative Application Environment CEA-2014 (CE-HTML) ETSI TS Subset of W3C specifications & image Formats extensions Remote Control Support (e.g. key events, spacial navigation W3C Specifications Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, karlheinz.brandenburg@tu-ilmenau.de Seite 35

36 HbbTV - Komponenten DVB (Digital Video Broadcasting) Application Signaling HbbTV specification Application transport via DVB (DSM-CC object carousel) profiles subset W3C(World Wide Web Consortium) XHTML Audio and Video formats Declarative Application Environment CEA-2014 (CE-HTML) ETSI TS CSS 2.1, CSS-TV Profile DOM-2 (incuding XML Document support) extensions ECMAScript XMLHTTPRequest W3C Specifications Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, karlheinz.brandenburg@tu-ilmenau.de Seite 36

37 HbbTV - Komponenten CE-HTML Standard (CEA-2014) Basiert auf den W3C Internet Standards Spezifiziert ein HTML Profil für CE Geräte Umfasst: - XHTML 1.0 (W3C Recommendation - ECMA Script-262 (ISO/IEC 16262) - DOM 2 (W3C Recommendation) - CSS TV profile (W3C Candidate Recommendation) - XMLHttpRequest (W3C Working Draft) Optimiert hinsichtlich der Darstellung von Web-Inhalten auf CE Geräten Beinhaltet die Key-Codes gebräuchlicher Fernbedienungen Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, karlheinz.brandenburg@tu-ilmenau.de Seite 37

38 HbbTV - Komponenten OIPF Declarative Application Environment Browser API des Open IPTV Forums Entwickelt für IPTV, nutzbar auch für hybride Empfänger Umfasst Möglichkeiten zur: - Einbindung des TV Bildes in HTML Applikationen - Umschattung des TV / Radioprogramms - Zugriff auf DVB-Metadaten - Programmierung von Aufnahmen Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, karlheinz.brandenburg@tu-ilmenau.de Seite 38

39 HbbTV - Komponenten ETSI TS : Signalling and carriage of interactive applications and services in hybride broadcast/broadband environments Signalisierung von Applikationen im DVB Transportstrom in sog. AITs (Application Information Table) Übertragung der HTML Applikation über den Broadcast-Kanal mit DVB Object Carousel DSM-CC (Digital Storage Media Comment and Control) Bspw. für Anwendungen die Synchronität zum Programm erfordern Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, karlheinz.brandenburg@tu-ilmenau.de Seite 39

40 HbbTV - Systemübersicht Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, karlheinz.brandenburg@tu-ilmenau.de Seite 40

41 HbbTV - Terminal Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, karlheinz.brandenburg@tu-ilmenau.de Seite 41

42 HbbTV - Anwendungen Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, karlheinz.brandenburg@tu-ilmenau.de Seite 42

43 HbbTV - Anwendungen Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, karlheinz.brandenburg@tu-ilmenau.de Seite 43

44 Weitere DVB-Standards DVB-SI Service-Informations Standard (DVB-SI, ETS ) spezifiziert die Verarbeitung von Zusatzdaten, die jeden Transport Stream begleiten DVB-CI Standard beschreibt das Common Interface (CI), das die Verbindung zwischen dem Conditional Access (CA) Modul und dem Decoder Modul darstellt DVB-TXT Standard Videotext - Austastlücken werden nicht digital übertragen (ETS ) Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, karlheinz.brandenburg@tu-ilmenau.de Seite 44

45 Weitere DVB-Standards DVB-IRD spezifiziert die Schnittstelle im Empfänger zwischen dem MPEG-Modul und dem CA-Modul. Diese Schnittstelle erlaubt eine genormte Verschlüsselungstechnik, so dass mit Hilfe des Common Interface jede Set- Top-Box jede Codierung verarbeiten kann DVB-RCC Interaktionskanäle (Rückkanäle) in Kabelnetzen DVB-RTC Interaktionskanäle via Telefon und ISDN Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, Seite 45

46 Weitere DVB-Standards DVB-IPN In diesem Standard ist der Übergang von der DVB- zur Telekom-Welt definiert DVB-MC Spezifikation für die Verwendung von Mikrowellen-Trägerfrequenzen < 10 GHz für DVB DVB-NIP netzwerkunabhängige Protokolle für Interaktivität (Protokolle, die Kommunikation in Form von Datenfluss ermöglichen) Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, Seite 46

47 Nächste Vorlesung (letzte WS): Dienstag, , 13:00 Uhr, K-HS 2 Nächstes Seminar (letztes): Montag, , 17:00 Uhr, SrHU 129 KLAUSUR: schriftlich, sp/sb 90 min. mündlich, 30 min (II-BA 20 min) , 13:00 Uhr nach Vereinbarung im Prüfungszeitraum Sr HU 211/212 Prof. Schuller / Prof. Brandenburg, Fak. EI Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, karlheinz.brandenburg@tu-ilmenau.de Seite 47