Folie 1 - Technische Universität Ilmenau...digitale Übertragung und Verwendung der...

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Übertragungssysteme

WS 2011/2012

Vorlesung 14

Prof. Dr.-Ing. Karlheinz [email protected]

Kontakt:Dipl.-Ing.(FH) Sara Kepplinger / Dipl.-Ing. Christoph Fingerhut

[email protected]

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Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, [email protected] Seite 2

Digital Video Broadcasting

Einführung

Transportstrom und Fehlerschutz

Modulationsverfahren

Überblick und Ergänzungen

Digital Video Broadcasting II, VL14

Digital Video Broadcasting I, VL13

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DVB: Übertragungswege

Bedingung Transparenz

MUX DEMUX

DVB-S

DVB-C

DVB-T

Ethernet

IP-basierende Kanäle

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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

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DVB-S: Blockdiagramm Sender

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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

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DVB-S: Roll-Off-Funktion

Wurzel-Cos^2-Roll-Off-Funktion mit Roll-Off-Faktor r = 0.35

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4-Phasenumtastung, Erzeugung einer 4-PSK und Vektor- bzw. Zustandsdiagramm

DVB-S: QPSK

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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

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DVB-C: Blockdiagramm Sender

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DVB-C: Blockdiagramm Empfänger

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DVB-C: 64-QAM

Mapper

6 Bit SNRZ (t)3 Bit 3 Bit

90°

+

t)( cos

SQAM (t)

Blockschaltbild eines 64-QAM Modulators

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DVB-C: 64-QAM

Zustandsdiagramm der 64-QAM mit Phasendifferenzcodierung der beiden ersten Bits

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Bitfehlerraten von M-QAM und QPSK

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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)

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DVB-T: Blockdiagramm Sender

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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

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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

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DVB: Vergleich der Übertragungsarten

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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

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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

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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).

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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.

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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.

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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

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DVB-X2

DVB, 1. Generation

DVB-C, 1994, Cable

ETSI EN 300429

DVB-S, 1995, Satellite

ETSI EN 300421

DVB-T, 1995, Terrestrial

ETSI EN 300744

DVB-H, 2004, Mobile/Terristrial

ETSI EN 302304

DVB-SH, 2007 Mobile/Satellite

ETSI EN 302583

DVB-X2, 2. Generation

DVB-S2, 2005, Satellite

ETSI EN 302307

DVB-T2, 2008, Terrestrial

ETSI EN 302755

DVB-C2, 2009, Cable

EN 302769

(DVB-NGH)

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DVB-X2 FEC

Scrambler(Energy

Dispersal)

Reed-Solomon

coder

Convol.Coder &

puncturing

Convolutionalinterleaverin out

Basebandscrabler

BCHcoder

Bit interleaver

LDPCcoderin out

DVB, 1. Generation

DVB-X2, 2. Generation

Quelle: Rohde & Schwarz

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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

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DVB-S2

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DVB-C2

Quelle: www.dvb.org

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Quelle: www.dvb.org

DVB-C2

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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

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HbbTV - Komponenten

CEA-2014(CE-HTML)

HbbTV specification

profiles

Audio and Video

formats

Declarative Application

Environment

extensions

subset

W3C Specifications

OIPF (OpenIPTV Forum)

JavaScript APIs for TV environment

Media Formats

Modifications to CE-HTML

CEA (Consumer Electronics Association)

JavaScript APIs for on- demand media

Subset of W3C specifications & image Formats

Remote Control Support (e.g. key events, spacial navigation

ETSI TS 102 809

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ETSI TS 102 809

CEA-2014(CE-HTML)

HbbTV specification

profiles

Audio and Video

formats

Declarative Application

Environment

extensions

subset

W3C Specifications

DVB (Digital Video Broadcasting)

Application Signaling

Application transport via DVB (DSM-CC object carousel)

W3C(World Wide Web Consortium)

XHTML

CSS 2.1, CSS-TV Profile

DOM-2 (incuding XML Document support)

ECMAScript

XMLHTTPRequest

HbbTV - Komponenten

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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

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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

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ETSI TS 102 809: 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

HbbTV - Komponenten

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Weitere DVB-Standards

DVB-SI

Service-Informations Standard (DVB-SI, ETS 300 468)

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 300 472 )

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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

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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)

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Nächste Vorlesung (letzte WS):

Dienstag, 31.01. 2012, 13:00 Uhr, K-HS 2

Nächstes Seminar (letztes):

Montag, 30.01. 2012, 17:00 Uhr, SrHU 129

KLAUSUR:

schriftlich, sP/Sb 90 min. mündlich, 30 min (II-BA 20 min)

19.03. 2012, 13:00 Uhr nach Vereinbarung im Prüfungszeitraum

Sr HU 211/212 Prof. Schuller / Prof. Brandenburg, Fak. EI

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