multimedia- technik ss05 prof. dr. peter kneisel !
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multimedia-technik ss’05
prof. dr. peter kneisel
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inhalt
Grundlagen Was ist Multimedia Datenkompression Speichermedien Transfersysteme
Anwendungen -> Dr. Haas
Praktische Anwendungen Audio/Video Graphik/Bild Text/Internet
überblick kapitel 1 was ist multimedia
kurze erläuterung involvierte branchen der medienbegriff klassifikation eigenschaften daten
überblick kapitel 2 datenkompression
bedarfsanalyse quellen-, entropie- kodierung grundlegende verfahren
LauflängenkodierungNullunterdrückungVektorquantisierungPattern SubstitutionHuffmann ....
angewandte verfahren Überblick Audiokompression
näheres in Kapitel Audiotechnik Überblick Videokompression
näheres in Kapitel Videotechnik
übersicht
überblick kapitel 3 speichermedien
Optische Speichermedien Elektronische Speichermedien
überblick kapitel 4 transfersysteme
…
kapitel 1 was ist multimedia
was, warum, wer der medienbegriff definition multimedia anforderungen multimedia charakteristik kontinuierliche Medien zusammenfassung kapitel 1 übung
1.1 was, warum und wer
was • kurze erläuterung warum • pädagogisches wer • involvierte branchen zusammenfassung w3
1.1.1 was • kurze erläuterung
MultiMedia bedeutet aus Benutzersicht:
Zur Darstellung von Information wird nicht nur
Text oder Graphik oder Tonsondern
Text und Graphik und Toneingesetzt
Genauere Definition ... ... später
1.1.2 warum • pädagogisches
Durch multimediale Darstellung lassen sich Informationen natürlicher und einprägsamer darstellen
Der Mensch behält von dem,was er liest 10%was er hört 20%was er sieht 30%was er liest, hört und sieht 70%was er sagt 80%was er sagt und tut 90%
1.1.3 wer • involvierte branchen
Telekommunikation Breitbandkommunikation IP-Telephonie
Unterhaltungsbranche "braune Ware": Videorekorder, CD-Player, DVD Computer/Consolen-Spiele
Studiotechnik Fernseh- und Rundfunkanstalten professionelle Audio- und Videotechnik
Verlage Elektronischen Publizieren enge Beziehungen zu Filmgesellschaften
1.1.4 zusammenfassung w3
Zur Darstellung von Information wird Text, Bild und Ton verwendet
Dies erhöht en Aufmerksamkeits- und Merkbarkeitsgrad entscheident
Involviert in die Entwicklungen sind vor allem Telekommunikations- und Unterhaltungsbranche, die Studiotechnik und Verlage.
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1.2 der medienbegriff
perzeptionsmedium repräsentationsmedium präsentationsmedium speichermedium übertragungsmedium informationsaustauschmedium zusammenfassung schlussfolgerung kleine übung
1.2.1 perzeptionsmedium
Abgeleitet von den menschlichen Sinnen:Wie nimmt der Mensch Informationen auf ?
Hören - auditive Medien: Musik Geräusch (Sound) Sprache
Sehen - visuelle Medien Einzelbild
Bild (Photo) Graphik
Bewegtbild Video Animation
Text
Fühlen (Braille Schrift), Schmecken, Riechen
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1.2.2 repräsentationsmedium
Abgeleitet von der rechnerinternen Darstellung:Wie wird die Information im Rechner kodiert ?
Beispiele: Text ASCII, EBCDIC, UNICODE Audio PCM-linear 16bit, .wav, .voc, .raw, ... Graphik: Videotext (CEPT), GKS, PICT,
Postscript, ... Einzelbild Fax Gruppe 3, JPEG, GIF, TIFF, ... Video PAL, SECAM, NTSC, CCIR-601, MPEG, ..
1.2.3 präsentationsmedium
Abgeleitet vom Hilfsmittel/Gerät zur Ein- und Ausgabe der Information:Worauf/Womit wird die Information ein- bzw. ausgegeben ?
Eingabe: Tastatur Kamera Miktofon DataGlove
Ausgabe Papier Bildschirm Lautsprecher Dual Shock Paddle
1.2.4 speichermedium
Abgeleitet vom verwendeten DatenträgerWorauf/Womit werden Informationen gespeichert ?
Nichtelektronische Speichermedien Papier Mikrofilm ...
Elektronische Speichermedien Magnetband Diskette Festplatte CD-ROM ...
1.2.5 übertragungsmedium
Abgeleitet vom Träger der Information kontinuierlich übertragen kann.Worüber wird Information übertragen ?
Kabelgebundene Übertragung Koaxialkabel Hohlwellenleiter Twisted Pair Glasfaser ...
Funkübertragung Luft Gas Luftleerer Raum
1.2.6 informationsaustauschmedium
Abgeleitet von den Datenträgern, die zur Übertragung von information verwendet werden.Welcher Informationsträger wird zum Austausch von Information zwischen Orten verwendet ?
Indirekte Übertragung mit Hilfe von (Zwischen)-Speichermedien :Papier, Mikrofilm, Diskette, ...
Direkte Übertragung über eine Übertragungsmedium
Koaxialkabel, Glasfaser, Luft, ...
1.2.7 zusammenfassung medienbegriff
PerzeptionsmediumWie nimmt der Mensch Informationen auf ?
RepräsentationsmediumWie wird die Information im Rechner kodiert ?
PräsentationsmediumWorauf/Womit wird die Information ein-/ ausgegeben ?
SpeichermediumWorauf/Womit werden Informationen gespeichert ?
ÜbertragungsmediumWorüber wird Information übertragen ?
InformationsaustauschmediumWelcher Informationsträger wird zum Austausch von Information zwischen Orten verwendet ?
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1.2.8 schlussfolgerung
Das Perzeptionsmedium(wie nimmt der Mensch die Information auf)kommt dem Begriff Medium im Kontextder Informationsverarbeitung am nächsten.
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1.2.9 kleine übung
Wo und wie ist das Fernsehen einzuordnen ?
Perzeptionmediumauditiv, visuell: Musik, Sprache, Geräusch, Bild, Graphik, Animation, Video
RepräsentationsmediumVideo/Audio (PAL)
PräsentationsmediumEingabe (Kamera, Mikrofon), Ausgabe (Bildschirm, Lautsprecher)
SpeichermediumMagnetband
ÜbertragungsmediumKoaxialkabel, Glasfaser, Luft, luftleerer Raum
InformationsaustauschmediumSpeichermedium, Übertragungsmedien
1.3 definition multimediasystem
definition: kombination von medien definition: unabhängigkeit definition: kommunikationsfähigkeit definition: rechnergestütze integration zusammenfassung definition
1.3.3 definition: kombination von medien
Qualitative Definition Ein System, das mehrere bzgl. der Zeitkontinuität
unterschiedliche Medien unterstützt Beispiel
Lern-CDs Kombination aus Text, Video und Audio
Web-Auftritt Kombination aus Text, Video
Quantitativ Definition Ein System, welches mehr als ein Medium unterstützt Beispiel
DTP Kombination von Text und Graphik
Fernsehen Kombination aus Video und Audio
Der Begriff Multimedia ist eher qualitativals quantitativ zu definieren
1.3.5 definition: unabhängigkeit
Die Medien müssen unabhängig voneinander zu verarbeiten sein
Gegenbeispiel: Film (Video) mit Untertitel (Text)
T T T T T T T
TTTTTTTTTTTTTTTTTTTT
1.3.6 definition: kommunikationsfähigkeit
Austausch von Informationen über Rechnergrenzen hinweg
Gegenbeispiel: Offline Lern-CDs
KommunizierendeMultimediasysteme
In einem (kommunizierenden) Multimedia-System werden Informationen
als Daten mit einem kontinuierlichen und diskreten Medium,
digitisiert und in einzelnen Einheiten (Pakete)
übertragen
1.3.4 definition: rechnergestütze integration
Das Multimediasystem muss in der Lage sein, Medien rechnergesteuert zu verarbeiten
Gegenbeispiel: Videorekorder - Bloße Aufnahme/Wiedergabe von unterschiedlichen Medien ohne Möglichkeit der Verarbeitung
Medien integriert zu verarbeiten Gegenbeispiel: Tabellenkalkulation setzt unterschiedliche
Medien Text, Graphik, Tabellen oft nicht in Bezug
Medien gleichartig zu verarbeiten Gegenbeispiel: e-Mail Programm: Video, Audio läßt sich
oft nicht wie Text bearbeiten und/oder übertragen
1.3.5 zusammenfassung definition
Ein Multimediasystem ist durch die rechnergestützte, integrierte Erzeugung, Manipulation, Darstellung, Speicherung und Kommunikation von unabhängigen Informationen gekennzeichnet, die in mindestens einem kontinuierlichen und einem diskreten Medium kodiert sind.
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1.4 anforderungen multimediasystem
synchronisation datendurchsatz echtzeit zusammenfassung anforderungen
1.4.1 synchronisation
Asynchrone Übertragung Keine zeitliche Restriktion Anwendung: diskrete Medien (z.B. e-mail)
Synchrone Übertragung Maximale Ende-zu-Ende Verzögerung Anwendung: Audioübertragung
Isochrone Übertragung Maximale und Minimale Ende-zu-Ende Verzögerung Anwendung: Videoübertragung
Plesichrone Übertragung Exakte Ende-zu-Ende Verzögerung Anwendung: Breitbandkommunikation
Zw
ischenspeicherbedarf
1.4.2 datendurchsatz
kleine Datendurchsätze (Transferraten) typisch: 2400bit/sec- 56kbit/sec Technik: Modem, Telephonnetz Anwendung: Text
mittlere Datendurchsätze typisch: 64kbit/sec - 128kbit/sec Technik: ISDN, europäisches Telephonnetz, GPRS Anwendung: Text, komprimiertes Audio/Video
Hohe Datendurchsätze typisch: 10Mbit/sec - 100Mbit/sec Technik: LAN, B-ISDN (ATM) Anwendung: Audio, Video
Sehr hohe Datendurchsätze typisch: > 100Mbit/sec Technik: LAN, B-ISDN (ATM) Anwendung: HDTV, HD-Videokonferenzen, VOD
1.4.3 echtzeit
weiche Echtzeit zur Übertragung/Verarbeitung von Informationen, auf die
nicht "so schnell" reagiert werden muss
harte Echtzeit zur Übertragung/Verarbeitung von Informationen, auf die
innerhalb einer "sehr beschränkten Zeit" reagiert werden muss
1.4.4 zusammenfassung anforderungen
Ein Multimediasystem stellt hohe Anforderungen an
Synchronisation zur korrekten Wiedergabe von Informationen ohne
übermäßigen Speicheraufwand der End- und Zwischensysteme
Datendurchsatz zur korrekten Wiedergabe von Informationen über die Zeit
ohne Datenverluste
Echtzeit zur zeitnahen Wiedergabe von informationen
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1.5 charakteristik kontinuierliche medien
zeitintervall variation zusammenhang zusammenfassung charakteristik kleine übung
1.5.1 zeitintervall
Charakterisierung nach Zeitintervalle zwischen der vollständig abgeschlossenen Übertragung aufeinander-folgender Informationseinheiten (Paketen)
Konstant / streng periodisch PCM-kodierte Sprache
Gruppenweise konstant / schwach periodisch strukturierte Informationseinheiten
Aperiodisch kooperative/dialogorientierte
Anwendungent
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1.5.2 variation
Charakterisierung nach Variation der Datenmenge aufeinanderfolgender Informationseinheiten
Gleichbleibend / streng gleichmäßig unkomprimiertes Audio/Video
Periodisch variierend / schwach gleichmäßig komprimiertes Video (z.B) MPEG
Erstes Bild vollständig Nächsten Bilder Differenzen Danach wieder vollständig
Variierend / Ungleichmäßig komprimiertes Video
Erstes Bild vollständig danach nur Differenzen
t
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1.5.3 zusammenhang
Charakterisierung nach Zusammenhang aufeinanderfolgender Pakete
Zusammenhängende Informationen bezieht sich auf Nutz- und Zusatzinformationen optimale Auslastung des Betriebsmittels z.B. 64kbit/s Audio bei ISDN-Gespräch
Unzusammenhängende Informationen oft Bandbreite Übertragungsmedium höher als
Bandbreitenbedarf der information z.B. Audio über Ethernet
t
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1.5.4 zusammenfassung charakteristik
Charakterisierung nach Zeitintervalle zwischen der vollständig abge-schlossenen Übertragung aufeinander-folgender Informationseinheiten (Paketen)
Charakterisierung nach Variation der Datenmenge aufeinanderfolgender Informationseinheiten
Charakterisierung nach Zusammenhang aufeinanderfolgender Pakete
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1.5.5 kleine übung
Digitales FernsehenVideosignal, PAL-Verfahren aufgenommen, im Rechner ohne Kompression digitisiert und über die Luft digital übertragen.
Streng periodisch streng gleichmäßig zusammenhängend
Web-FernsehenMPEG kodiertes Videosignal, über 16Mbit/sec Token-Ring übertragen:
schwach periodisch schwach gleichmäßig unzusammenhängend
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1.6 zusammenfassung kapitel 1
was, warum und wer medienbegriff schlussfolgerung medienbegriff definition anforderungen charakteristik
1.6.1 was, warum und wer
Zur Darstellung von Information wird Text, Bild und Ton verwendet
Dies erhöht en Aufmerksamkeits- und Merkbarkeitsgrad entscheident
Involviert in die Entwicklungen sind vor allem Telekommunikations- und Unterhaltungsbranche, die Studiotechnik und Verlage.
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1.6.2 medienbegriff
PerzeptionsmediumWie nimmt der Mensch Informationen auf ?
RepräsentationsmediumWie wird die Information im Rechner kodiert ?
PräsentationsmediumWorauf/Womit wird die Information ein-/ ausgegeben ?
SpeichermediumWorauf/Womit werden Informationen gespeichert ?
ÜbertragungsmediumWorüber wird Information übertragen ?
InformationsaustauschmediumWelcher Informationsträger wird zum Austausch von Information zwischen Orten verwendet ?
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1.6.3 schlussfolgerung medienbegriff
Das Perzeptionsmedium(wie nimmt der Mensch die Information auf)kommt dem Begriff Medium im Kontextder Informationsverarbeitung am nächsten.
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1.6.4 definition
Ein Multimediasystem ist durch die rechnergestützte, integrierte Erzeugung, Manipulation, Darstellung, Speicherung und Kommunikation von unabhängigen Informationen gekennzeichnet, die in mindestens einem kontinuierlichen und einem diskreten Medium kodiert sind.
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1.6.5 anforderungen
Ein Multimediasystem stellt hohe Anforderungen an
Synchronisation zur korrekten Wiedergabe von Informationen ohne
übermäßigen Speicheraufwand der End- und Zwischensysteme
Datendurchsatz zur korrekten Wiedergabe von Informationen über die Zeit
ohne Datenverluste
Echtzeit zur zeitnahen Wiedergabe von informationen
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1.6.6 charakteristik
Charakterisierung nach Zeitintervalle zwischen der vollständig abge-schlossenen Übertragung aufeinander-folgender Informationseinheiten (Paketen)
Charakterisierung nach Variation der Datenmenge aufeinanderfolgender Informationseinheiten
Charakterisierung nach Zusammenhang aufeinanderfolgender Pakete
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1.7 übung
Überlegen Sie sich eine "typische" multimediale Anwendung
Versuchen Sie, die Komponenten entsprechend der möglichen Medienklassifikationen einzuordnen.
Begründen Sie, weshalb Ihre Anwendung der Definition eines Multimediasystems entspricht.
Greifen Sie ein kontinuierliches Perzeptionsmedium heraus und charakterisieren Sie es.
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kapitel 2 datenkompression
einleitung kodierverfahren grundlegende verfahren angewandte verfahren zusammenfassung
2.1 einleitung
motivation speicherbedarf einteilung zusammenfassung einleitung
2.1.1 motivation
Unkomprimierte Graphiken, Audio- und Videodaten fordern eine beträchtliche Speicherplatzkapazität
unkomprimierte Videodaten passen nicht auf CD oder DVD
Der Datentransfer dieser Medien fordert beträchtliche Bandbreiten
unkomprimierter Transfer von Videodaten ist über Primärmultiplex ISDN nicht möglich
Bestimmte Medien müssen für Speicherung und Transfer komprimiert werden
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2.1.2 speicherbedarf
Text (640 x 480) / (8 x 8) = 4,8 Kbyte/Bildschirmseite
Bild Vektorbild 500 Geraden x 10 Byte/Gerade = 5,0 Kbyte/Bild Pixelbild 1024 x 768 x 24Bit = 2,3
Mbyte/Bildschirmseite
Audio Sprache Telefon: 8 KHz Abtastung x 8 bit/Abtastung = 8
Kbyte/sec CD-Musik: 44,1 KHz Abt. x 16 bit/Abt. x 2 (Stereo) = 172 Kbyte /sec
Video PAL
25 Bilder/sec x 625 x 833 Punkte x 3 Byte/Punkt = 37 Mbyte/sec Digitales Video (CCIR 601)
13,5MHz Lumin. + 2 x 6,75MHz Chromin. x 1 B/Pkt = 25 Mbyte/sec HDTV
CCIR 601 x 5,33 = 133 Mbyte/sec
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2.1.3 anforderungen
Anwendungen im Dialog-Modus Typisch für Bildübertragung und Videokonferenzen Anforderungen
Ende-zu-Ende Verzögerung < 500 ms Kompression, Dekompression < 150 ms (opt. 50 ms)
Anwendungen im Abfragemodus Typisch für audiovisuelle Auskunftsysteme Anforderungen
Schneller Vor- und Rücklauf mit Anzeige Wahlfreier Zugriff auf Einzelbild < 500 ms (ohne Kontextinformation)
Anwendungen in Dialog und Abfragemodus Anforderungen
Format unabhängig vom Darstellungsgerät Adaptierbare Datenraten Hoher Grad an Synchronisation
2.1.4 zusammenfassung einleitung
Übertragung und Speicherung unkomprimierter Medien, insbesondere von Video, ist zu aufwendig
Die Datenmenge unkomprimierter Medien beläuft sich auf bis zu 133 Mbyte/sec (HDTV)
Anforderungen im Abfrage und Dialogmodus erfordern maximale Gesamtlaufzeiten (< 500 ms) und maximale KoDek-Zeiten ( < 150 ms)
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2.2 kodierungverfahren
überblick grundsätzliche kodierungsarten schritte bei der bildkompression dekodierung zusammenfassung
2.2.1 überblick
Kodierungsart Ausprägung Verfahren
Entropiekodierung Lauflängenkod.
Statistische Kodierung Huffmann-Kod.Arithmetische Kod.
Quellenkodierung Prädiktion DPCMDM
Transformation FFTDCT
Layered koding BitpositionUnterabtastungSubband-Kodierung
Vektorquantisierung
Hybride Kodierung JPEGMPEGH.263...
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2.2.2 grundsätzliche kodierungsarten
Die Entropiekodierung kodiert ungeachtet der zugrundliegenden Information. betrachtet die zu komprimierten Daten als Bitsequenz. es werden nur Redundanzen eliminiert, es geht keine
Information verloren. unterschiedliche Kompressionsquoten bei unterschied-
lichen zu komprimierenden Daten.
Die Quellenkodierung verwendet die Semantik der zu kodierenden Information. ist oft verlustbehaftet. ist abhängig vom zu kodierenden Medium. Spezifika der Medien können gut genutzt werden. wesentlich bessere Kompressionsraten bei "akzeptabler"
Qualität.
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2.2.3 schritte bei der bildkompression
Datenkompression durchläuft typischerweise vier Schritte:
1. Datenaufbereitung erzeugt eine geeignete digitale Darstellung der Information Bsp.: Zerlegung eines Bildes in Pixelblöcke
2. Datenverarbeitung erster Schritt der Kompression, z.B. Transformation aus
dem Zeitbereich in den Frequenzbereich
3. Quantisierung Gewichtung der Amplituden und Zuordnung zu
Quantisierungsstufen (nicht notwendigerweise linear)
4. Entropiekodierung verlustfreie Kompression
2.2.4 dekodierung
Die Dekodierung erfolgt invers zur Kodierung zwei Vorgehensweisen
Symetrische Kodierung Der Aufwand zur Komprimierung und Dekomprimierung ist
vergleichbar Eingesetzt bei häufig wechselnden Datenquellen Beispiel.: Life-CAMs
Asymmetrische Kodierung Der Aufwand zur Komprimierung und Dekomprimierung ist
ungleich Meist ist der Aufwand bei der Dekomprimierung wesentlich
einfacher Oft Dekompression in Echtzeit Eingesetzt bei konstanten Datenquellen Bsp.: Audio-Visuelle Lern-CDs
2.2.5 zusammenfassung kodierungsverfahren
Im wesentlichen unterscheidet manzwischen
Entropiekodierung Quellenkodierung hybride Kodierung
Die Kodierung besteht typischerweise aus vier Phasen:
Datenaufbereitung Datenverarbeitung Qualtisierung Entropiekodierung
Die Dekodierung erfolgt invers zur Kodierung und kann symetrischn oder asymetrische Aufwände haben
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2.3 grundlegende verfahren
lauflängenkodierung huffmann-kodierung prädiktion / relative kodierung transformations-kodierung unterabtastung vektorquantisierung spezialformen
2.3.1 lauflängenkodierung
Voraussetzung Datenfolge besteht aus vielen Unterfolgenden identischen
Inhalts
Kodierung Die Folgen gleichen Inhalts werden mit einem
Markierungszeichen (oft M-Byte) markiert und mit dem Inhalt und der Länge der Folge kodiert
M-Byte als Markierung läßt sich durch Byte- /Bit-Stuffing eindeutig kennzeichnen, z.B.:
jedes Vorkommen des M-Bytes als Datum wird verdoppelt oft Kompression ab 4 identischen Zeichen
Dekodierung beim Dekompromieren wird jedes doppelt vorkommende M-
Byte halbiert Einfache M-Bytes, werden als M-Byte interpretiert und
veranlassen eine Interpretation der folgenden Bytes
Beispiel:ABCCCCCCCCDEFGGGABC!8DEFGGG
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2.3.2 huffmann-kodierung
Voraussetzung: Es gibt unterschiedliche Häufigkeiten von Bit-Mustern
(Bytes)
Kodierung Die Häufigkeit des Auftretens der Bitmuster (Bytes) wird
bestimmt Die am häufigsten auftretenden Bytes werden mit kurzen
Bitfolgen (Huffmann-kode) kodiert Der Huffmann-code wird zur kodierung der Bitfolge
verwendet
Dekodierung Dekodierer besitzt identischen Huffmann-kode Dekodierer setzt den Huffmann-code in Bytefolge um
!
2.3.2 huffmann-kodierung • beispiel
seiP(A) = 0,16P(B) = 0,51P(C) = 0,09P(D) = 0,13P(E) = 0,11
P(B)=0,51
P(BCEAD)=1,0
1 0
P(CEAD)=0,49
1 0
P(D)=0,13 P(A)=0,16
P(AD)=0,29
1 0
P(C)=0,09 P(E)=0,11
P(CE)=0,2
1 0
Der Baum wird von oben nach unten mit den zwei Buchstaben (oder Buchstabengruppen) mit den jeweils kleinsten Wahrscheinlichkeiten schrittweise aufgebaut
KodierungA = 000B = 1C = 011D = 001E = 010
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2.3.3 prädiktion / relative kodierung
Voraussetzung Aufeinanderfolgende Zeichen unterscheiden sich nicht stark
Kompression Speicherung nur der Differenzen
Dekompression Rekonstruktion der Zeichen durch Ableitung ab dem ersten
Zeichen
Anwendungen: Bild-kodierung: Kanten bei Bildern liefern große
Unterschiede, Flächen kleine (0). Aufeinanderfolgende Videobilder unterscheiden sich oft nur
in Details Differencial Pulse kodeModulation (DPCM) nur die
Amplitudendifferenzen werden, mit weniger Zeichen, kodiert
!
2.3.4 transformations-kodierung
Kodierung Transformation in einen anderen mathematischen Raum
Dekodierung Rücktransformation
Beispiele: Schnelle Fouriertransformation (FTT) Diskrete Kosinus-Transformation (DCT) Subband-Kodierung
Transformation nur einzelner Anteile des Spektrums sehr gut geeignet für Sprachkodierung
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2.3.5 unterabtastung
Die Datenquelle wird nicht mit der zur vollständigen Rekonstruktion notwendigen Frequenz abgetastet
Notwendige Frequenz 2 x Grenzfrequenz (Shannonsches Abtasttheorem)
Dabei werden Eigenschaften der menschlichen Physiologie ausgenutzt
Reduktion des Qualitätsverlustes Beispiel Videokompression:
Hohe Abtastfrequenz der Luminanz,niedrige Abtastung der Chrominanz (YUV statt RGB),da der Mensch Helligkeitsunterschiede wesentlich deutlicher wahrnimmt als Farbunterschiede
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2.3.6 vektorquantisierung
Voraussetzung: Datenfolge besteht aus vielen Unterfolgen ähnlicher (Bit-)
Muster
Kodierung Datenstrom wird in Blöcke zu n Bytes unterteilt Eine Tabelle enthält ein Menge von (Byte-)Mustern Ein Muster in einem Datenstrom-Block wird den Index
eines ähnlichen Musters in der Tabelle indiziert. Die Tabelle kann mehrdimensional sein, damit ist der
Index ein Index-Vektor.
Dekodierung Dekodierer besitzt identische Muster-Tabelle Dekodierer übersetzt Index (-Vektor) in Byte-Muster und
fügt dies zu einer Datenfolge zusammen
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2.3.7 spezialformen I
Nullunterdrückung Spezialform der Lauflängenkodierung. Zusammenfassung nur der 0-Bytes
Pattern Substitution Spezialform der Vektorquantisierung Ermittlung des exakten Musters aus Tabelle Markierung eines Treffers über Markierungs-Byte (M-Byte) Verwendung auch bei Bild/Video mit Farbtabellen
Diatonic Enkoding Spezialform des Pattern Substitution Muster sind Buchstaben-Paare und ergeben sich aus
semantischen Eigenschaften der zu kodierenden Sprache
2.3.7 spezialformen II
Delta-Modulation Spezial form der Differential Pulse code Modulation
(DPCM) Kodierung der Differenzwerte 1 bit (steigend/fallend)
Adaptiver DPCM Spezial form der Differential Pulse code Modulation
(DPCM) Kennzeichnung leiser und hochfrequenter Stellen und
entsprechende Quantisierung mit den Differenzwerten
Adaptive Huffmann Kodierung Spezialfall der Huffmann kodierung kode-Tabelle wird dynamisch erstellt und geändert
2.3.7 zusammenfassung grundlegende verfahren
Entropiekodierung Lauflängenkodierung huffmann-kodierung
Quellenkodierung prädiktion / relative kodierung transformations-kodierungen unterabtastung vektorquantisierung
Es gibt zu vielen "reinen" Kodierungsverfahren Spezialformen
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2.4 angewandte verfahren
JPEG H.261 / H.263 MPEG fraktale kompression
2.4.1 JPEG • übersicht
Von der Joint Photographics Expert Group (Joint CCITT and ISO) ab 1982 entwickelt
Anforderungen Unabhängigkeit von der Bild- und Pixelgröße, von der
Farbvielfalt und der statistischen Farbverteilung. Durchführbarkeit der Kodierung/Dekodierung von in
akzeptabler Geschwindigkeit per Software mit Standardprozessor.
Sequenzielle (Zeile um Zeile) und progressive (immer weiter verfeinernd) Dekodierung.
Verlustfreie und hierarchische (unterschiedliche Auflösungen) Kodierung.
1992 als ISO-Norm verabschiedet
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2.4.1 JPEG • modi und durchführung
Verlustbehaftetet DCT-basierter Modus einziger Modus, der von jedem JPEG-Dekoder unterstützt
werden muß
Erweiterter verlustbehafteter DCT-basierter Modus erweitert den Basis Modus
Verlustfreier Modus wesentlich geringerer Kompressionsfaktor
Hierarchischer Modus beinhaltet Bilder verschiedener Auflösung, die jeweils
entsprechend einem der vorgenannten Modi kodiert wurde.
Bildauf-bereitungBildauf-
bereitung
Bildver-arbeitung
FDCT
Bildver-arbeitung
FDCT
Quanti-sierung
Quanti-sierung
Entropie-kodierungEntropie-kodierung
2.4.1 JPEG • vier schritte (modus 1)
1. Bildung von Ebenen (eventuell unterschiedlicher Auflösung) Beispiel: RGB - 3 Ebenen, YUV - 3 Ebenen, BMP - 1 Ebene
2. Transformation / Inverse Transformation der Bildpunkte mittels Diskreter Kosinus-Transformation (DCT)
3. Quantifizierung der einzelnen Pixel pro Ebene per Tabelle 8/12 bit (verlustbehaftet) 2-12 bit pro Ebene (verlustfrei)
4. Entropiekodierung Lauflängen Huffman Arithmetisch
16
)12(cos
16
)12(cos
7
0
7
04
1 vu
vyuxsccs
x y
yxvu
0 vu,für
2
1, vu cc
1,sonst bzw. vu cc
16
)12(cos
16
)12(cos
7
0
7
04
1 xy
vyuxsccs
x y
vuvu
2.4.2 H.261 / H.263
1990: CCITT Empfehlung H.261: Video kodec for Audiovisual Services at p x 64 Kbit/s
Speziell konzipiert für ISDN (auch Primärmultiplex) Auch als p x 64 bezeichnet max Verzögerung für (De)Kodierung < 150 ms
1996: CCITT Empfehlung H.263: Verfeinerung der Kompressionsalgorithmen von H.261 Konzipiert auch für kleinere Übertragungsraten (z.B. V.34)
Unterschiede von H.263 bzgl H.261 Kleinere Genauigkeit bei Bewegungen Aushandelbare optionale Teile bei H.263 erlauben CoDec-
Optimierung oft Faktor 2 schneller bei gleicher Qualität neben QCIF und CIF 3 zusätzliche Auflösungen: SQCIF,
4CIF, 16CIF (Common Interface Format)
2.4.2 H.261 / H.263 • formate
29,97 Pic/sec komprimiert auf min 15 Pic/sec Pixelkodierung nach CCIR 601
(Luminanz) Y : Cb : Cr (Chrominanz) = 2:1:1 Seitenverhältnis 4:3 Common Interface Format
CIF 352 x 288 (Luminanz) 176 x 144 (Chrominanz) 36,45 Mbit/sec
(Quarter)QCIF 176 x 144 bzw. 88 * 72 9,115 Mbit/sec Kompressionsrate für ISDN-B-Kanal bei 10 Bilder/sec
1:47,5 (was heute gut machbar ist)
2.4.2 H.261 / H.263 • kodierung
Intraframe (jedes Bild wird für sich kodiert) Kodierung nach DCT (wie JPEG)
Interframe (es werden Deltas verwendet) Prädiktionsverfahren, als Mustertabelle wird
vorangegangenes Bild verwendet Muster sind als DPCM-kodierte und anschließend DCT
komprimierte Makroblöcke abgelegt Bewegungsvektor des Musters wird
entropiekodiert (z.B. Lauflängenkodierung)
?Wer istgestorben
Bild n mitDynamic PCMerfasst und mit DCT kodiert, dientals Muster fürBild n+1
Bild n+1unterscheidetsich von Bild ndurch die um dieVektoren verschobenenTeile
!
2.4.4 fraktale kompression
Verfahren:Keine Übertragung von Pixelinformation Übertragung von Transformationsfunktion, die auf ähnliches
Bild iterativ angewandt werden muss Ausnutzung der Selbstähnlichkeit von Bildern
Transformationsfunktion besteht aus Skalierung, Verschiebung, Rotation, Kontrast/Helligkeitsänderung
Eigenschaften Unabhängig von Bildgröße frei skalierbare Qualität (je nach Anzahl Iterationsschritte) Kompressionsfaktor 1:1000 erreichbar
Nachteile sehr Rechenzeitintensiv schlechte Effizienz bei Graphiken
!
2.4.5 zusammenfassung angewandte verfahren
JPEG ist der Standard für die Einzelbildkodierung
bis zu 255 Bildebenen bis zu 65535 x 65535 große Bilder unterschiedliche Qualitätsstufen
0,25 bit/Pixel - 0,5 bit/Pixel: mäßige Qualität 0,5 bit/Pixel - 0,75 bit/Pixel: gute Qualität 0,75 bit/Pixel - 1,5 bit/Pixel: sehr gute Qualität 1,5 bit/Pixel - 2 bit/Pixel: Vom Original nicht zu unterscheiden
H.261 / H.263 Standard Verfahren für Videotelephonie vorangetrieben durch Netzbetreiber zugeschnitten auf ISDN zufriedenstellend ab CIF
2.5 zusammenfassung
einleitung kodierungsverfahren grundlegende verfahren angewandte verfahren
2.5.1 einleitung
Übertragung und Speicherung unkomprimierter Medien, insbesonder von Video, ist zu aufwendig
Die Datenmenge unkomprimierter Medien beläuft sich auf bis zu 133 Mbyte/sec (HDTV)
Anforderungen im Abfrage und Dialogmodus erfordern maximale Gesamtlaufzeiten (< 500 ms) und maximale KoDek-Zeiten ( < 150 ms)
!
2.5.2 kodierungsverfahren
Im wesentlichen unterscheidet man zwischen Entropiekodierung Quellenkodierung hybride Kodierung
Die Kodierung besteht typischerweise aus vier Phasen:
Datenaufbereitung Datenverarbeitung Qualtisierung Entropiekodierung
Die Dekodierung erfolgt invers zur Kodierung und kann symetrischn oder asymetrische Aufwände haben
2.5.3 grundlegende verfahren
Entropiekodierung Lauflängenkodierung huffmann-kodierung
Quellenkodierung prädiktion / relative kodierung transformations-kodierungen unterabtastung vektorquantisierung
Es gibt zu vielen "reinen" Kodierungsverfahren Spezialformen
2.5.4 angewandte verfahren
JPEG ist der Standard für die Einzelbildkodierung
bis zu 255 Bildebenen bis zu 65535 x 65535 große Bilder unterschiedliche Qualitätsstufen
0,25 bit/Pixel - 0,5 bit/Pixel: mäßige Qualität 0,5 bit/Pixel - 0,75 bit/Pixel: gute Qualität 0,75 bit/Pixel - 1,5 bit/Pixel: sehr gute Qualität 1,5 bit/Pixel - 2 bit/Pixel: Vom Original nicht zu unterscheiden
H.261 / H.263 Standard Verfahren für Videotelephonie vorangetrieben durch Netzbetreiber zugeschnitten auf ISDN zufriedenstellend ab CIF
kapitel 3 speichermedien
überblick basistechnologien (read only) CD-DA CD-ROM CD-ROM/XA CD-I weitere Formate (read only) CD-R/WO CD-MO/RW DVD logische Formate
3.1 überblick
anforderungen historie • bis zur CD-ROM historie • erweiterungen historie • beschreibbare CD zusammenfassung überblick
3.1.1 anforderungen
Anforderungen M
ultimedia
hohe Speicherkapazität
w
ahlfreier Zugriff
Transportabilität
geringe Kosten
schneller Lese-/Schreibzugriff
Verfügbarkeit Lesegeräte
H
andhabung
Speichermedien Magnetische
Diskette Festplatte Magnetbänder (TK50, DAT, ...)
Optische Compact Disc (CD, DVD)
!
3.1.2 historie • bis zur CD-ROM
1973 Video Long Play (VLP) Bildplatte analoge (wertdiskret, zeitkontinuierlich) Technik wenig Erfolg
1982 Compact Disc Digital Audio (CD-DA) digitale Technik. Spezifiziert von Philips/Sony (Red Book) 30 Mio CD-DA-Player, 450 Mio CDs in ersten 5 Jahren
1985 CD read only Memory (CD-ROM) spezifiziert von Philips/Sony (Yellow Book) 1988 Spezifikation der physikalischen Struktur (ECMA-119) Konsortium High-Sierra Proposal: Spezifikation der logischen
Struktur (ISO 9660,)
3.1.3 historie • erweiterungen
1986 CD interactive (CD-I) spezifiziert von Philips/Sony (Green Book)
1987 Digital Video Interactive (DVI) spezifiziert von Philips/Sony (De-)Kompression von Video-/Audiodaten auf CD-ROM
1989 CD-ROM extended Architecture (CD-ROM/XA)
spezifiziert von Philips/Sony Spezifikation für mehrere Medien auf optischen
Datenträgern
3.1.4 historie • beschreibbare CD
1991 CD write once (CD-WO / CD-R) Spezifiziert im Orange Book einmal beschreibbar
1991 CD magneto optical (CD-MO) Spezifiziert im Orange Book mehrmals beschreibbar
1995 CD read write (CD-RW) Spezifiziert (1991) im Orange Book löschbare und mehrmals beschreibbare CD
1997 Digital Video Disc (DVD) Spezifikation vom DVD-Konsortium
3.1.5 zusammenfassung überblick
Die Anforderungen von Multimediasystemen an eine Speichermedium sind z.Z. nur mit optischen Speichermedien realisierbar
Die Entwicklung vollzog sich bislang in drei Etappen
Bis zur CD-ROM Erweiterung, insbesondere der logischen Struktur auf CD-
ROM Erweiterung der physikalischen Fähigkeit um die
Beschreibbarkeit
Die "Krone" der aktuellen Entwicklung stellt die DVD dar
Die Entwicklung wird weiter rasant verlaufen
!
3.2 basistechnologie (read only)
aufbau ausprägungen digitale informationsdarstellung problem: zugriffsgeschwindigkeit zusammenfassung basistechnologie
3.2.1 aufbau
Abtastung durch Laserstrahl ca. 780 nm, 1 m Fokus in 1 mm Abstand
Eine Spur (nicht wie bei HD), von innen nach außen 1,66 bit / m, 1 Mio bit/mm2
Keine Verschleiß, keine magnetischen Effekte
Schutzschicht
Reflexionsschicht
Substratschicht(Polykarbonat)
1,2 m
0,6 mland
pit
1,6 m
!
3.2.2 ausprägungen
analoge aufzeichnung wertdiskret (0, 1) zeitkontinuierlich
Übergang zwischen 0 / 1 / 0 kann zu jedem Zeitpunkt erfolgen
Bsp.Video Long Play (VLP)
Digitale Aufzeichnung wert- und zeitdiskret
3.2.3 digitale informationsdarstellung
Kodierung pits und lands kodieren logische Nullen Flanken zwischen pit/land bzw. land/pit kodiereb logische
Einsen
Zwei aufeinander folgende Einsen sind nicht darstellbar
Einfügen von Füllbits zwischen die bits eines Bytes und zwischen Bytes (sog. Verbindungsbits)
Synchronisation Synchronisation der CD in der Zeit über Synchronisations-
Bitmuster
Fehlererkennung Redundante Bits zur Fehlererkennung und -korrektur
!
3.2.4 problem: zugriffsgeschwindigkeit
Zugriffszeiten von ca. 400 bis ca. 100 msec akzeptabel für Audio, für Daten im Vergleich zur HD (6 ms) schlecht.
Gründe: Synchronisationszeiten
Einstellung der internen Taktfrequenz auf CD-Signalmehrere ms
Rotationsverzögerungbei 1 x Geschwindigkeit ca. 300msbei 40 x Geschwindigkeit ca. 6,3 ms
Seek-ZeitEinstellung des exakten Radiusesca. 100ms
Mögliche Zeiten: unter 100ms
3.2.5 zusammenfassung basistechnologie
Eine Compact Disk besteht aus einem Substrat auf das eine reflektierende Schicht aufgebracht ist. Die Reflexionsschicht wird durch eine transparente
Schutzschicht vor Beschädigung geschützt
Nach den wenig erfolgreichen analogen Aufzeichnungsverfahren wird heute nur noch digital aufgezeichnet.
Die physikalische Informationsdarstellung ist extrem redundant
Die Zugriffsgeschwindigkeit mit nicht viel weniger als 100ms gilt als grundsätzliches Problem
!
3.3 CD-DA
technische daten physikalische grenzen fehlerkorrektur frames aufbau einer CD zusammenfassung CD-DA
3.3.1 technische daten
Durchmesser: 12 cm konstante Bahngeschwindigkeit
Constant linear Velocity, CLV Umdrehungszahl abhängig vom Radius der Bahn Spiralförmige Spur mit ca. 20000 Windungen (LP: 850
Windungen)
Länge der Pits: n x 0,3 m 44,1 KHz Abtastrate (PulseCodeModulation) à
16 bit Stereo (172,3 Kbyte/sec) Dynamik 96dB (LP: 50-60dB) Laufzeit: mindestens 74 min
Nutzdaten (ohne Fehlerkorrektur) 747 Mbyte
3.3.2 physikalische grenzen
Probleme Jeder Wechsel Pit/Land bzw. Land/pit entspricht einer Eins.
Eins-Folgen lassen sich aufgrund der Laserauflösung nicht korrekt lesen.
Der minimale Abstand ist 2 bit (also 1001)
Lange Null-Folgen (Pit-Plateaus oder Land-Täler) erschweren die Synchronisation
Nicht nur innerhalb eines Bytes, sondern auch zwischen benachbarten Bytes können Eins-Folgen entstehen
Eight-to-Fourteen Modulation (EFM) fügt Bits ein Ein Byte wird mit 14 bit kodiert
z.B. 00000000 01001000100000
3 Füllbits verhindern Eins-Folgen zwischen Bytes
!
3.3.3 fehlerkorrektur
Fehler resultieren meist aus Kratzer und Verschmutzung und sind burst-artig
Fehlerbehandlung in zwei Ebenen(Cross Interleaved Reed Solomon)
1. Ebene Verfahren nach Reed-Solomon Aus 24 Audiobytes werden 2 Gruppen von je 4 Korrekturbytes
gebildet Erste Gruppe korrigiert Einzelbytefehler Zweite korrigiert Doppelbytefehler und erkennt weitere Fehler
2. Ebene: Framekonzept hintereinanderliegende Datenbytes auf mehrere Frames (588
Kanalbitblöcke / 24 Audiobytes) verteilt so betrifft ein burst-artiger Fehler nur wenige Bytes
Fehlerrate 10 -8 : Kratzer von 7.7 mm, Löcher von 2mm können erkannt werden
!
3.3.4 frames
Audiodaten Je zwei Gruppen à 12 Audiobytes, Jede Gruppe enthält
Low- bzw. High-Byte des linken und rechten Kanals.
Fehlerkorrektur: wie oben beschrieben Control- und Display Byte
8-bit (sog. P,Q,R,S,T,U,V,W-Subchannels) Die Subchannels von 98 Frames werden zu Blöcken
(Subchannel-frames) zusammengefasstdavon sind 72 bit Nutzinformation
P-Subchannel: Unterscheidung CD-DA / CD mit Daten Q-Subchannel: Inhaltsverzeichnisses, Zeiten
Synchronisationsmuster Kennzeichnung des Framestarts mit 12 Einsen, 12 Nullen
und 3 Füllbits
2 x 4 x 14 + 3
14 + 3
24 + 3
2 x 12 x 14 + 3
EFMFüllbits
588 bits2 x 12 x 8 = 192 bits
3.3.5 aufbau einer CD
3 Bereiche Lead-in: Inhaltsverzeichnis mit Beginn aller Tracks Tracks zur Speicherung der Daten Lead-out: Zur Begrenzung der Tracks
Tracks max. 99 Tracks pro CD-DA Jeder Track kann mehrere positionierbare Index-Points
besitzen Meist nur zwei Index-Points:
IP0: Anfang des Tracks
IP1: Anfang der Audiodaten
IP1 - IP0 wird als Track-Pregap bezeichnet (2 - 3 Sec)
Blöcke 98 Frames werden logisch zu Blöcken zusammengefasst In Blöcken sind nur Subchannels von Bedeutung
3.3.6 zusammenfassung CD-DA
CD-DAs speichern Musik in einer, vergleichbar zur LP, herausragenden Qualität.
Aufgrund physikalischer Grenzen müssen Eins-Eins-Sequenzen durch die Eight-Fourteen-Modulation (EFM) und Füllbits vermieden werden.
Die CD-DA besitzt ausgereifte Mechanismen zur Korrektur von burst-artigen Fehlern.
Audiodaten werden in Frames mit Fehlerredundanz-, Informations- und Synchronisationsdaten logisch zusammengefasst.
Eine CD-DA besteht, neben einem ein- und ausführenden Teil, aus bis zu 99 Tracks.
!
3.4 CD-ROM
anforderungen ansatz modi überblick datenhierarchie zusammenfassung
3.4.1 anforderungen
CD-ROM sollen neben Audiodaten auch Rechnerdaten und weitere Medien speichern können.
Die CD-ROM soll den wahlfreien Zugriff auf die Daten ermöglichen
die CD-DA besitzt als Positionspunkte nur die Tracks mit ihren (meist 2) Index-Points
die Auflösung der Positionierung bei CD-ROM soll höher sein
Die CD-ROM soll eine gegenüber der CD-DA verbesserte Fehlerkorrektur besitzen
3.4.2 ansatz
die CD-ROM kennt zwei Typen von Tracks Audio-Tracks
entsprechen der CD-DA
Daten-Tracks
Innerhalb der Tracks darf nur ein Medium gespeichert sein
Eine CD-ROM kann aber unterschiedliche Medien beinhalten
gemischte CD-ROMS werden als Mixed Mode Disc bezeichnet
im Mixed Mode werden zunächst die Datentracks und anschließend die Audio-tracks angeordnet
3.4.3 modi
Mode 0 dient zur Abgrenzung von Speicherblöcken alle Nutzdaten sind auf Null gesetzt
Mode 1 zur Fehleredundanten Speicherung von Daten Aufteilung des Blocks:
Verwaltungsinformation (16 Bytes: Sync, Header) Daten (2048 Bytes) Fehlerredundanz (280 Bytes, damit Fehlerrate < 10-12)
650 Mbyte pro CD-ROM
Mode 2 für weitere Medien Aufteilung der Blöcke
Verwaltungsinformation (16 Bytes: Sync, Header) Daten (2336 Bytes)
741,85 Mbyte pro CD
!
2352 Nutzbytes / 7203 Kanalbytes, 2352 Nutzbytes / 7203 Kanalbytes, Block
330000 Blöcke330000 BlöckeCD
3.4.4 überblick datenhierarchie
Mode 0 1212 44 2336 Nullen 2336 Nullen
Mode 1 1212 44 2048 Daten2048 Daten 4 CRC4 CRC 88 276 CRC276 CRC
Mode 2 1212 44 2336 Daten 2336 Daten
Vier Arten von Blöcken
Audio 73,5 (frame)73,5 (frame) 73,5 (frame)73,5 (frame) 73,5 (frame)73,5 (frame)... 98 x ...
3.4.5 zusammenfassung CD-ROM
Die CD-ROM soll wahlfrei und fehlerunanfällig multimediale Daten zugänglich machen
Neben Audio-Blöcken gibt es Modi für Rechnerdaten und sonstige Medien
Die Datenhierarchie unterteilt eine CD-ROM in Blöcke (entweder Audio, Daten oder sonstiges Medium) die wiederum entsprechend ihres Verwendungszweckes unterstrukturiert sind
!
3.5 CD-ROM/XA
ansatz forms daten innerhalb der forms zusammenfassung CD-ROM/XA
3.5.1 ansatz
Gleichzeitige Wiedergabe von Medien soll ermöglicht werden
die ist bei CD-ROM nicht vorgesehen "historische" Vorgänger: CD-I, DVI
Ansatz Erweiterung der CD-ROM Spezifikation Verwendung von Mode-2 Blöcken die Verzahnung unterschiedlicher Medien innerhalb eines
Tracks ist möglich Definition von zwei Untermodi, sog. Forms
3.5.2 forms
Form 1 verbesserte Fehlererkennung und -korrektur Definition eines Sub-Headers
Form 2 auf Kosten der Fehlerbehandlung eine um 13% höhere
Datenausnutzung
Sync12
Sync12
Head4
Head4
SubHead8
SubHead8
Data2048
Data2048
EDC4
EDC4
ECC276
ECC276
Sync12
Sync12
Head4
Head4
SubHead8
SubHead8
Data2324
Data2324
EDC4
EDC4
3.5.3 daten innerhalb der forms
Audiodaten mit ADPCM (adaptive Difference Pulse Modulation) komprimiert
Differenz wird jeweil mit 4 bit kodiert 19 Stunden Musik theoretisch möglich dadurch Kombination mit anderen Medien möglich
4 Audio-Qualitätssstufen Level B Stereo
Abtastfrequenz 37,8 KHz (CD-DA 41,1 KHz) Kompressionsrate zu CD-DA 4:1 (4 Stunden, 48 min Musik)
Level B Mono Kompressionsrate 8:1 (8 Stunden, 36 min Musik)
Level C Stereo Abtastfrequenz 18,9 KHz Kompressionsrate 8:1
Level C Mono 19 Stunden, 12 min Musik
3.5.4 zusammenfassung CD-ROM/XA
Gleichzeitige Wiedergabe verschiedener Medien möglich
Nutzt Mode-2 der CD-ROM Spezifikation für Erweiterungen
form 1: sehr fehlerredundante Daten form 2: 13% mehr Daten
Für das Audio-Format sind 4 Qualitätsstufen bis zum Kompressionsfaktor 1:16 (bzgl. CD-DA) spezifiziert.
MPEG verwendet kein adPCM und ist zu CD-ROM/XA nicht komatibel
!
3.6 CD-I
ansatz medien zusammenfassung CD-I
3.6.1 ansatz
CD-I soll(te) multimediale Anwendungen in der Unterhaltungselektronik verfügbar machen
CD-I ist nicht nur ein Speichermedium sondern ein System, bestehend aus
optisches Speichermedium Abspielgerät
basierend auf MC-68K Prozessor-Familie
Betriebssystem RTOS basierend auf OS/9
In-/Output Geräte Joystick, Maus RGB-Monitor, Fernseher
Kompatibel zu CD-DA
3.6.2 medien
Audio Level A: 37,8 KHz Abtastung, 8 bit ADPCM, 2,4 Stunden
Stereo Level B: 37,8 KHz Abtastung, 4 bit ADPCM, 4,8 Stunden
Stereo Level C: 18,9 KHz Abtastung, 4 bit ADPCM, 9,6 Stunden
Stereo
Bild YUV-Modus
360 x 240 Pixel bei 18 bit = 194 Kbyte
Color Look Up Table (CLUT - ähnlich GIF) 720 x 240 Pixel bei 4 bit/Pixel (3,7 oder 8) = 86 KByte
RGB-Modus 360 x 240 Pixel bei 15+1 bit/Pixel = 172 Kbyte
Video Lauflängenkodierung (20000 Byte/Bild)
3.6.3 zusammenfassung CD-I
CD-I ist eine Systembeschreibung, konzipiert für multimediale Anwendungen in der Unterhaltungselektronik
Speziell: Verknüpfung Audio-Daten mit weiteren Medien
CD-i verknüpft Audio mit Standbildern und Bewegtbildern
z.B. Bilder der Interpreten Cover Video-Clips
CD-I ist seit 1997 vom Markt verschwunden
!
3.7 weitere formate (read only)
CD-I ready format CD bridge disc photo CD digital video interactive (DVI) zusammenfassung weitere formate
3.7.1 CD-I ready format
CD-I Speichermedien, d.h. die Audioteile, sollen auch auf CD-DA Abspielgeräten abspielbar sein.
Ablage der zusätzlichen (nicht Video-) Information in Track-Pregap
zwischen IP0 und IP1
Erweiterung des Pregaps von 2-3 Sekunden auf 182 Sekunden
Abspielen einer CD-I Ready Format Mit CD-DA: Ignorieren des Pregaps Abspielen mit CD-I: Auslesen und Interpretieren des Pregaps Mixed Mode Abspielen auf CD-I: Gleichzeitiges Interpretieren
des Pregaps und Abspielen der zugehörigen Audiodaten.
3.7.2 CD bridge disc
Ansatz wie CD-I Ready Format:Schaffung der Abwärtskompatibilität
Allerdings hier: Schaffung der Kompatibilität zu CD-ROM/XA und CD-I statt CD-DA
Beziehungen:
CD-XACD-ICD-DA
CDBridgeDisc
CD-IReadyDisc
3.7.3 photo CD
Entwickelt von Eastman Kodak und Philips Basiert auf CD-WO-Technik
ein Teil ist schon beschrieben ein zweiter Teil einmal beschreibbar
Anwendung einer CD Bridge Disc alos kompatibel zu CD-I und CD-ROM/XA
Zur Speicherung von Bildern Speicherung erfolgt durch entwickelndes Photolabor
Qualitäten Luminanz und 2 x Chrominanz mit je 8 bit 6 Auflösungen
128x192, 256x384, 512x768, 1024x1536, 2048x3072,4096x6144
Kompression mit JPEG
3.7.4 digital video interactive (DVI)
Beschreibt, wie DV-I, ein System Kompressions- und Dekompressionsalgorithmen für
Bewegtbilder in Echtzeit Benutzerschnittstelle (Audiovisual Kernel, AVK) Datenformate
DVI ist weniger Speiche-r, als vielmehr Kompressionstechnologie
verwendet CD-ROM Mode 1 zur Speicherung ähnliche Entwicklungen auch bei Commodore:
Commodore Dynamic Total Vision - CDTV)
3.7.5 zusammenfassung weitere formate
CD-I ready format versucht, wahrscheinlich aus Marketing-Gründen, die Abwärtskompatibilität zu CD-DA herzustellen
CD bridge disc versucht dassselbe mit CD-I und CD-XA
Kodaks Photo-CD ist eine Anwendung der CD Bridge Disc Technologie und hat im Nischensektor einigen Erfolg
DVI ist eine (De-)Kompressionstechnologie und wird wahrscheinlich von den MPEG-Entwicklungen überrollt.
!
3.8 CD recordable (CD-R / CD-WO)
physikalischer aufbau CD-R logischer aufbau CD-R zusammenfassung CD-R
3.8.1 physikalischer aufbau CD-R
Zusätzliche Absorptionschicht zwischen Reflexionsschicht und Substratschicht
Vorab eingravierte Spur Irreversible Änderung der Reflexionseigenschaften
Durch Erhitzung auf 2500C durch Laser
CD-Rs sind in "normalem" Gerät lesbar CD-R werden manchmal auch als CD-WO (Write
Once) bezeichnet
Schutzschicht
Reflexionsschicht
Substratschicht(Polykarbonat)Absorptionschicht
!
3.8.2 logischer aufbau CD-R
Abspeichern des Inhaltsverzeichnisses im Lead-IN
Vor 1992 konnten Geräte nur einen Lead-In (eine Session) erkennen regular CD-R
Nach 1992 waren multi-session-fähige Geräte auf dem Markt hybrid CD-R
Lead InLead In DataData Lead OutLead Out
Regular CD-R
LeadIn
LeadIn
DataDataLeadOut
LeadOut
LeadIn
LeadIn
DataDataLeadOut
LeadOut
LeadIn
LeadIn
DataDataLeadOut
LeadOut
...
Hybrid CD-R
3.8.3 zusammenfassung CD-R
Die CD-R ist ein WORM (Write Once, Read Multiple)
Die Information wird durch Erhitzen mit einem Laser in speziellen CD-Schreibgeräten gebrannt
der Brennvorgang ist kontinuierlich, bedarf also einer konstanten Zuführung von Daten durch den Rechner
Neuere CD-R Geräte sind multi-session-fähig Die CD-R könnte die CD-DA ablösen ist in der
Produktion allerdings teurer
!
3.9 Digital Versatile Disc (DVD)
standards versionen technik aufbau dekoder vergleich CD DVD zusammenfassung DVD
3.9.1 standards
Die DVD-Standards wurden 1996 vom DVD-Konsortium im "Buch A" bis "Buch E" spezifiziert
Folgende Standards sind in diesen Büchern beschrieben:
DVD-ROM (Buch A: DVD Read Only Specification)Speichermedium hoher Kapazität. Nachfolger der CD-ROM
DVD-Video (Buch B: DVD Video Specification)Speichermdeium für lineare Videodatenströme
DVD-Audio (Buch C: DVD Audio Specifivcation)Speichermedium für lineare Audiodatenströme, Nachfolger der CD-DA
DVD-R (Buch D: DVD Recordable Specification)Einmalig beschreibbare DVD, Nachfolger der CD-R
DVD-RW/RAM (Buch E: DVD Rewritable Specification)Wiederbeschreibbare DVD, Nachfolger der CD-RW
3.9.2 versionen
Bezeichnung Ø Seiten Schichten Kapazität AnmerkungDVD-5 12 SS SL 4,38 GB > 2 Std. VideoDVD-9 12 SS DL 7,95 GB ca. 4 Std. VideoDVD-10 12 DS SL 8,75 GB ca. 4,5 Std VideoDVD-18 12 DS DL 15,9 GB > 8 Std Video
8 SS SL 1,36 GB ca. 0,5 Std Video8 SS DL 2,48 GB ca. 1,3 Std Video8 DS SL 2,72 GB ca. 1,4 Std Video8 DS DL 4,95 GB ca. 2,5 Std Video
DVD-R 12 SS SL 3,68 GBDVD-R 12 DS SL 7,38 GBDVD-R 8 SS SL 1,15 GBDVD-R 8 DS SL 2,3 GBDVD-RAM 12 SS SL 2,4 GBDVD-RAM 12 DS SL 4,8 GB
SS Single SideDS Double SideSL Single LayerDL Double Layer
3.9.3 technik
Die technischen Grundlagen der DVD entsprechen denen der CD
Die Vergrößerung der Speicherkapazität wurde bei der DVD durch folgende Maßnahmen erreicht:
Verkleinerung der Pits (von 0,6 m auf 0,24 m) und damit auch der Abstände zwischen aufeinanderfolgenden und nebeneinanderliegender Pits (von 1,6 m auf 0,74 m).
Vergrößerter Datenbereich Effizientere Bikodierung: (EFM+ - Eight to fourteen+)
8/16 Modulation, dadurch Einsparung der Füllbits. Effizientere Fehlerkorrektur Geringerer Sektor-Overhead Benutzung beider Seiten Verwendung von zwei Fokusierungsebenen
!
3.9.4 aufbau
37856 Bytes 37856 Bytes 37856 Bytes 37856 Bytes...
Blöcke
... 16 x ...2064 Bytes 2064 Bytes 2064 Bytes
Sektoren (16 pro Block + Fehlererkennung)
4832 Bytes
33024 Bytesvon 37856 BytesNutzinformation( 87%)
12 Byte Sektor Header160 Byte Nutzdaten
172 Byte Nutzdaten
172 Byte Nutzdaten
168 Byte Nutzdaten 4 Byte Fehlererkennung
Zeilen (12 pro Sektor)
... 10 x ...
3.9.5 dekoder
Die Dekodierung erfolgt beim Durchlauf von 6 Ebenen Ebene 1: Synchronisation, 8/16 Demodulation, Sektorerkennung
Eingehende Kanalbitrate 26,16 Mbit/s, danach 13 Mbit/s. Ebene 2: Fehlererkennung (EDC) und -beseitigung (ECC)
Nutzdatenrate sinkt auf 11,08 Mbit/s. Ebene 3: Discrambling und Descryption
Entfernung von Permutationen und Verschlüsselungen (als Kopierschutz)
Ebene 4: EDC-PrüfungErneute Fehlererkennung
Ebene 5: Track ZwischenspeicherEventuell Umwandlung der festen Datenrate in variable Datenrate. Nutzdaten hier noch 10,08 Mbit/s
Ebene 6: Datentransfer zum MPEG-DekoderVerteilung der Daten (Demultiplexing) auf Anwendungen (z.B. MPEG-Dekoder)
3.9.6 vergleich CD DVD
CD DVDDurchmesser ca. 120 mm 80mm / 120mmStärke ca. 1,2 mm 1,2 mmLaser-Wellenlänge 780 nm (Infrarot) 650/635 nm (rot)Track-Abstand 1,6 m 0,74 mMin. Pit-Länge 0,83 m 0,4 mDaten-Layer 1 1 / 2Seiten 1 1/2Kapazität ca. 650 MB bis 15,9 GBVideo-Standard MPEG-1 MPEG-3Videokapazität ca. 1 Std bis 8 StdSound-Tracks 2-Kanal MPEG 2-Kanal PCM
(optional 8 Ströme)Untertitel bis zu 32 Sprachen
3.9.7 zusammenfassung DVD
DVD deckt die Funktionalitäten aller CD-Standards ab
Unterschiedlicher Versionen unterscheiden sich im Durchmesser sowie der Anzahl der Seiten und Schichten
Die Speicherkapazität beträgt zwischen 1,3 GB und 15,9 GB haben
Die DVD-Technik optimiert der CD-Technik Die DVD ist in Blöcke, Sektoren und Zeilen
strukturiert Der DVD Dekoder durchläuft 6 Ebenen Die DVD stellt in (fast) allen Bereichen einen
Fortschritt gegenüber der CD dar
!
3.10 logische formate
der ISO 9660 standard die ISO 9660 struktur erweiterungen der ISO 9660 verwendung zusammenfassung logische formate
3.10.1 der ISO 9660 standard
1990 wurde im Del Webb's High Siera Hotel & Casino der High Sierra Proposal erarbeitet. Dieser Proposal war Vorlage für den ISO 9660-Standard
Die ISO 9660 definiert ein File-System, bestehend aus:
Definition eines Directory Baumes Zusätzlich Liste aller Direktories (Path Table) Path Table kann bei erstem Zugriff auf CD lokal gespeichert
werden
Probleme Dateiattribute Lange Filenamen Bootfähigkeit
!
3.10.2 die ISO 9660 struktur
Das File-System wird im ersten Track abgelegt:
Primary Volume DescriptorLänge des DateisystemsLänge und Adresse der Path Table
16 Blöcke (à 2352 Byte, 2048 Byte Nutzinformation)
System AreaherstellerspezifischerBereich
Supplementory Volume Descriptorseventuell weitere Dateisysteme
...
Volume Descriptor Terminatorkennzeichnet das Ende der Dateisysteme
3.10.3 erweiterungen der ISO 9660
Rockbridge Erweiterung Anpassung an UNIX-Filesystem lange Dateinamen Links Zugriffsrechte
Joliet Filesystem Anpassungen an Windows 95 / NT insb. lange Dateinamen
El Torito Erweiterung um boot-Fähigkeit
ISO 13490 Bessere Unterstützung der Multisession-Fähigkeiten
!
3.10.4 verwendung
keine Dateisystem CD/DA CD-ROM/XA
ISO 9660 DVI CD-ROM CD-R/WO CD-RW/MO
Rockbridge, Joliet, El Torito CD-ROM CD-R/WO CD-RW/MO
ISO13490 DVD
3.10.5 zusammenfassung
Dateisysteme können nach der ISO9660 Spezifikation auf einer CD angelegt werden
Nach ISO 9660 sind Informationen über das Dateisystem ab dem 16. Sektor im 1. Track untergebracht
Erweiterungen der ISO 9660 erlauben u.A. längere Dateinamen, Dateiattribute und Links
Die bedeutenden Erweiterungen sind die Rockbridge Erweiterung, das Joliet Filesystem, die El Torino Erweiterung und die ISO 13490
Die meisten CD-Formate unterstützen alle Dateisysteme bis auf die ISO13490. Letztere wird bei der DVD eingesetzt.
!
kapitel 4 transfersysteme
Dienste Netze Vermittlungsknoten Kommunikationsmodelle Signalisierung Breitbandkommunikation zusammenfassung
4.1 dienste
Eigenschaften von Diensten Die Dienste
Teleservices Bearer Services Funkdienste
Zusammenfassung& Ausblick
4.1.1 eigenschaften von diensten
Informationsart Kommunikationsart Bandbreitenbedarf
4.1.1.1 informationsart
Aggregatzustände der Information Sprache Text Bild (bewegt, stehend) Daten
Informationsarten Nutzinformation Steuer- und Signalisierungsinformation
z.B. HOOKON, HOOKOFF, Wählzifferneingabe, Dienstmerkmalaktivierung, ...
Managementinformation z.B. zum zur Überwacunf, Konfiguration, Auswertung von
Netzen
4.1.1.2 kommunikationsart
Dialog Zwei und mehr Kommunikationspartner tauschen Information aus
individuell simultan (in Echtzeit) bidirektional
typische Dienste: (Bild-)Fernsprechen
Verteilkommunikation (Broadcast) Ein Sender versendet Information an viele Empfänfer
unidirektional
typische Dienste: Rundfunk, Fernsehen
Abrufkommunikation Ein Kommunikationspartner ruft individuel auch anderen zugängliche
Informationen ab unsymetrisch bidirektional (unterschiedliche Bandbreiten für Hin- und Rückweg)
typische Dienste: BTX, Video on Demand (VoD)
!
4.1.1.3 bandbreitenbedarf
Konstant ... Wenn der Zeitbezug des Ablaufs von Bedeutung ist typische Dienste: fast alle
Burstartig geringer (wenige bps) bis hoher Bandbreitenbedarf typische Dienste: Telemetrie, Datenübertragung
Schmalband üblicherweise <64Kbps typischer Dienst: Sprachübertragung, Bildübertragung
Weitband n * 64Kbps, n klein (<30), also < 2Mbps typ. Dienste: hochqualitative Sprach- /Audio-, Bildübertragung
Breitband > 2Mbs typische Dienste: HDTV (565Mbps), Multiplex
4.1.2 die dienste (services)
Standarddienste (Teleservices) Übermittlungsdienste (Bearer Services) Funkdienste
4.1.2.1 standarddienste (teleservices)
Telefax Bildschirmtext Telex Teletex Temex Telebox400
Als Standarddienst bezeichnet man im wesentlichen die Dienstgruppen, deren Anwendung durch Normierungsgremien und damit eventuell in Varianten vom Netzbetreiber festgelegt werden
!
4.1.2.1.1 telefax • grundeigenschaften
Übertragung von Bildinformation durch Abtastung (Fernkopierer)
seit 1980 Übertragung DIN A4 ca. 1 Minute Abtastung
vertikal: 7,7 Zeilen/mm horizontal: 8 Zeilen/mm
Übertragungsraten: 2,4/4,8/7,2/9,6 bps (De-)Kompression durch Lauflängenkodierung
der Daten mittels Gruppe 3: Modifiziertem Huffmann-Code (MHC) Gruppe 4: Modifiziertem Read Code (MRC)
4.1.2.1.1 telefax • gruppen
Gruppe1 4 Zeilen/mm, ohne Kompression, ca. 6min/DIN A4 in Deutschland nicht zugelassen
Gruppe 2 4 Zeilen/mm, mit Kompression, ca. 3min/DIN A4 in Deutschland zugelassen
Gruppe 3 ca 8 Zeilen/mm, mit Kompression, ca. 1min/DIN A4 in Deutschland am verbreitetsten
Gruppe 4 ca 8Zeilen/mm, mit Kompression, ca. 10sec/DIN A4 Anschluss an ISDN möglich
4.1.2.1.7 intelligent net (IN)
IN ist eine Technologie, die die Implementierung und Einführung neuer Dienste
vereinfacht verbilligt beschleunigt herstellerunabhängig macht
einige erste Dienste: Service 130 - Freephone (0130 ...) Televotum - Meinungsforschung (0137 ...) Teledialog - Kandidatensuche (0138 ...) Service 180 - Ursprungsabhängige Anrufsteuerung (0180 x ...) Virtuelles privates Netz (VPN) CTM (Cordless Terminal Mobility): DECT Netze Family Dienst Universal Number, ..., ..., ..., ..., ...,
!
4.1.2.2 übermittlungsdienste (bearer services)
Sprachdienst Datendirektverbindung Datex-P Datex-L Datex-M Vermittelndes Breitbandnetz
Als Datendienste (Datenteledienste, Dateldienste, Bearer Services) bezeichnet man im wesentlichen die Dienstgruppen, die es ermöglichen, Daten transparent, d.h. ohne weitere Bearbeitung im Netz zu übermitteln
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4.1.2.2.1 sprachdienst
'Klassisches' Fernsprechen ca. 45 Millionen Teilnehmer (D) ca. 144 Millionen Innlandsgespräche/Tag ca. 4 Millionen Auslandsgespräche/Tag Durchschnittsdauer eines Gespräches: ca. 120
sec Gesprächsaufbauzeit: <10sec (IWF), <1sec
(MFV) Übertragungsbandbreite
300Hz-3400Hz 64Kbit/s (bei 8000 Abtastpunkten zu je 8bit)
4.1.2.2.2 datendirektverbindung
Direktrufanschlüsse, Standleitungen, Festverbindungen. Keine Vermittlung notwendig.
Übertragungsraten: 50bps bis 1,92 Mbit/s ca. 250000 Datendirektverbindungen (D)
ca. 20000 private Anwender (Banken, Versicherungen, Touristikunternehmen, ...) der Rest: öffentliche Anwender (Behörden)
Übertragungsarten Analoge Übertragung über Modem
Geschwindigkeiten in ITU-T X.1 Empfehlung festgelegt Modulationsverfahren in den ITU-T V Empfehlungen festgelegt Modem-Ansteuerung oft V.25 (AT-Befehle: Hayes-Standard)
Direkte digitale Übertragung über ISDN ISDN: max 144Kbps ISDN-Primärmultiplex = 30 x ISDN = 1,92Mbps
Direkte digitale Übertragung über DSL ADSL: 768Kbps, 1024 Kbps, 2048 KBps, …
4.1.2.2.3 datex-P
Dienst zur verbindungslosen Übertragung von Daten Protokoll nach ITU-T X.25 Verfügbarkeit variabler Bandbreiten
300 - 64000 bit/s (zukünftig auch 1,92 Mbit/s 80% davon 9,6 kbit/s Bitfehlerwahrscheinlichkeit: 10-9
In Deutschland z.Z.: durchschnittliche Übertragungsstrecke: 60 km durchschnittliche Dauer einer Verbindung: 300s durchschnittliche Aufbauzeit: 500ms
Ausbau Einstufiges, vollvermaschtes Netz, 132 Knoten über 100Kanäle à 64kbit zwischen den Knoten 190 Netze in 92 Ländern
!
4.1.2.2.6 vermittelndes breitbandnetz
Dienst zur Übertragung von Daten (Audio, Video)
Seit 1989 Verfügbarkeit einer festen Bandbreite:
140Mbit/s Signalisierung 2,4 Kbit/s nach ITU-T X.21
Hauptsächliche Nutzung: Videokonferenzen Ausbau:
80 Städte 13 Anschlussknoten, 3 Durchgangsknoten
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4.1.2.3 funkdienste
Sprachdienst Funkrufempfänger (Pager) DECT Betriebsfunk Satellitenfunk
Megacool und Affengeil
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4.1.2.3.1 sprachdienst
'Klassischer' Sprachdienst über Funk realisiert Netze und Dienstanbieter in Deutschland
C-Netz Seit 1985 nahezu flächendeckend in D Analogtechnik
D-Netz (T.-Mobil D1, Vodafon D2) Seit 1991 europaweit, weltweit (mit Lücken) Digitaltechnik, 900 MHz
E-Netz (E1, E2, O2) Digitaltechnik, 1800 MHz
UMTS Seit 2004
Zusatzdienste SMS Mailbox MMS Videotelefonie …
4.1.2.3.2 funkrufempfänger (pager)
Dienst zur Rufsignalübermittlung an kleine Funkempfänger mittels Telefon
Eurosignal 3 Rufbereiche in D: Süd/Nord (87,365 MHz), Mitte (87,34MHz) Zuordnung von max. 4 Codenummern pro Empfänger
Cityruf 50 Rufbereiche (pro Bereich 3 UHF-Frequenzen um 460 MHz) Übertragung von Zeichen Systeme: Euromessage/Alphapage/Teledrin, Quix, Scall
Ermes (European Radio Message System) Nach ETSI-Standard (1992) 169,4-169,8 MHz, Übertragungsrate 6,25bps bzw. -zeit < 2,5 Min diverse Dienstmerkmale: Rufumleitung, Nachrichtennumerierung,
Prioritätsruf Einsatz als Transparentdaten-Empfänger
Klasse 0bis 4 Codes
Klasse 1NumerikKlasse 2a-Numerik
Klasse 3Transparent-daten
!
4.1.2.3.4 DECT
Anschlusstechnik (kein Dienst) zum Anschluss mobiler Endgeräte an analoge oder ISDN-Nebenstellenanlagen
Technik: Digitale Übertragung Frequenzbereich: 1880 - 1900 MHz 10 HF-Träger à 1,729 MHz Bandbreite
und 24 Zeitschlitzen Jeder Zeitschlitz:
32 Kbit/s Sprache, 6,4 Kbit/s Signalisierung Abhörsicherung durch Scrambler
Technik auch für den Einsatz auf der "letzten Meile" möglich
4.1.2.3.5 betriebsfunk
Sprachdienst im analogen Funkbereich Taxis, Notdienste, Überwachungsdienste, ...
Chekker analoger Bündelfunkdienst Frequenzbereich: 410-418 / 420-428 MHz Sprachbereich 0,3-2,55 KHz digitale Signalisierung: 1,2 Kbit/s Aktionsradius: ca 50 km
Modacom Digitaler Funkdienst Frequenzbereich: 410-430 MHz Kanalzugriff: DSMA (Digital Sense Multiple Access) Dienstmerkmale: Überwachung der Mobileinheit, Roaming,
Handover, DX-P-Zugang
4.1.2.3.7 satellitenfunk - inmarsat
Varianten Inmarsat A,B,C
Dienste Telefon, Fax,
Datentransfer
Geschwindigkeiten 9,6-64 Kbit/s
www.inmarsat.francetelecom.fr/english/decouverte/decouvs.htm
4.1.2.3.6 satellitenfunk - iridium
Global satellite voice and paging services through the smallest satellite terminals available
One convenient phone number and a single unified bill when roaming between wireless and satellite networks
Roaming onto previously incompatiblecellular networks
Simple and cost-effective worldwide paging Full array of features: Voice Mail, Call
Forwarding,Paging - to ensure you're always in touch
No charges to receive calls with CompleteCalling Party Pays
Future fax and data service enhancements … first satellites have been destroyed :-(
4.1.3 Ausblick
Rückblick Mobilfunkdienste Festnetzdienste ... und überhaupt
4.1.3.2 historisches: zusammenhänge
Bre
itban
d -
ISD
N
4.1.3.3 mobilfunkdienste
Mobilfunksystem der 3. Generation UMTS (Universal Mobile Telecommunication Systems) FPLMTS (Future Public Land Mobile Telecommunic.
Systems) IMT-2000 (International Mobile Communication - 2K)
Technik Größere Bandbreiten: 1885-2025 MHz, 2110-2200 MHz Weiterentwicklete Kanalzugriffsverfahren:
CDMA (Code Division Multiple Access) ATDMA (Advanced Time Division Multiple Access)
Integration aller im Festnetz verfügbarer Dienste, zudem IN, B-ISDN (in ATM-Technologie), Satellitenzugriff, CT-Technologie
Multimediadienste, ...
!
4.1.3.4 festnetzdienste
Vollständige Digitalisierung International im Übertragungs- und Vermittlungsbereich Auch im Endgerätebereich
Höhere Bandbreiten Datenintensivere Anwendungen
Audio Video Multimedia
Integration der Dienste Sprache, Text, Bild, Daten
Netzmanagement Betrieb Wartung Schnittstellen
BREITBAND
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4.1.3.5 allgemein
Integration privater/öffentlicher Sprach/Datennetze ATM
Integration der Dienste ISDN, B-ISDN
Tolle neue Dienste Telematik, Telemedizin, Auskunfteien, .....
Vereinheitlichung des Netzmanagements IN, TMN, SNMP
... Und das alles wahnsinnig
global benutzerfreundlich schnell billig
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4.2 netze
Allgemeines über Netze Netzstrukturen Netzbetreiber Zusammenfassung
4.2.1 allgemeines über netze
Netze im Überblick Funktionen eines Netzes Eigenschaften von Netzen
4.2.1.1 netze im überblick
Übertragungswege TLN-Anschlussleitungen, Netzknotenverbindungen,
Querleitungen, Freiraum (Richtfunk, Satellitenstrecken)
Übertragungseinrichtungen Regeneratoren (Relais), Modems, Leitungstreiber,
optische/elektrische Wandler, Scrambler, ...
Vermittlungseinrichtungen Wähler, Koppelnetze, (De-)Multiplexer, Speicher
Endgeräte TE (Terminal Equipment: Telefone, Telefax, Anrufbeantworter, ...)
4.2.1.2 funktionen eines netzes
Vermitteln von Komunikationspartnern Übertragen von Information
Übermittlungals Zusammenfassung der beiden HauptfunktionenÜbertragung und Vermittlung
4.2.1.3 eigenschaften von netzen
Grad der Diensteintegration Geographische Ausdehnung Vermittlungsmethode Zugriffstechnik Mobilität der Netzkomponenten Übertragungsbandbreite Übertragungstechnik Übertragungseinrichtungen
!
4.2.1.3.1 grad der diensteintegration
Dienstspezifische Netze (Dedicated Networks) Netz ist speziell für einen Dienst ausgelegt typische Netze: praktisch alle klassischen Netze:
Fernsprechnetz leitungsvermitteltes Datennetz paketvermitteltes Datennetz Telexnetz ...
Diensteintegrierende Netze Netz fasst mehrere Dienste zusammen typische Netze: jetzige Netze
(S-)ISDN B-ISDN in ATM-Technik
4.2.1.3.2 geographische ausdehnung
Im öffentlichen Bereich: Ortsnetze
Direkter Anschluss der Teilnehmer Fernnetze
Verbindung mehrerer Ortsnetze, oft hierarchisch strukturiert
Im privaten Bereich: TK-Anlagen (Private Automatic Branch Exchange - PABX)
optimiert für Fernsprechverkehr lokal auf Firmen- oder Campusgelände beschränkt
Lokale Netze (LANs) optimiert auf Datenverkehr lokal auf Firmen- oder Campusgelände beschränkt
Flächendeckende Netze (WANs, MANs) Daten- und Fernsprechnetze als Zubringsnetze
4.2.1.3.3 vermittlungsmethode
Leitungsvermittelt (Durchschaltnetze) kontinuierlicher Informationssurchfluss fester Bandbreite Festgeschaltete Kanäle während der Verbindungsdauer Nach Verbindungsabbau keine Kapazität zur weiteren Steuerung nötig
Festverbindungen Ständiger fester Kontakt der Kommunikationspartner
Paketvermittelnde Netze Anschlussmäßig feste Informationsrate, aber
unterschiedlich lange (frame-orientiert) unterschiedlich oft (cell-orientiert)
Bandbreite nur statistische Größe Zwischenspeicherung der Pakete in den Netzknoten 'virtuelle' Verbindung verbindungsorientiert (mit Auf- und Abbauphase)
verbindungslos (ohne Auf- und Abbauphase)
4.2.1.3.4 zugriffstechnik
Zentralgesteuert Zugangssteuerung in den Netzknoten typisch für öffentliche Netze
Netzknoten ist Master Endgeräte sind Slaves
Demokratisch oder Statistisch gestuert ohne Zentralsteuerung 'Faire' Zugriffsalgorithmen für den Zugriff auf das
Übertragungsmedium (Medium Sharing) typisch für Lokale Netze
4.2.1.3.5 mobilität der netzkomponenten
Leitungsgebundene NetzeMit den Übertragungsmedien:
Verdrillte Kupferleitung (Twisted Pair - TP) niedrige Bandbreiten: ohne metallische Ummantelung (UTP) hohe Bandbreiten ummantelt (STP)
Koaxialkabel für hohe Bandbreiten
Lichtwellenleiter niedrige Bandbreiten: Plastik hohe Bandbreiten: Multimode höchste Bandbreiten: Monomode
Funknetze Festinstalliert
Rundfunk, Fernsehen
Mobilfunknetze Endgeräte mobil (mit/ohne Basisstation)
Asymmetric Digital Subscriber Line(8 MBps up, 1MBps down)
4.2.1.3.6 übertragungsbandbreite
entspricht Unterscheidung der Dienste(siehe 1.1.3)
Schmalband, Weitband, Breitband
4.2.1.3.7 übertragungstechnik
Analog / Digital Analoger Dienst auf analogem Signal
z.B. Rundfunk
Analoger Dinst auf digitalem Signal z.B. Fernsprechen über ISDN
Digitaler Dienst auf digitalem Signal z.B. Datex-Netz
Digitaler Dienst auf analogem Signal Datenübermittlung per Modem
Asynchron/Synchron Asynchron (alt, langsam)
Expliziete Synchronisation aller zu übertragenden Zeichen, die asynchron anfallen können
Synchron (neu, schnell) Zeichenfolge gehorcht synchromen Zeitraster Umwandlung asynchroner Zeichenfolgen in synchrone durch
Überabtastung (Oversampling)
4.2.1.3.8 übertragungsrichtung
Einwegkommunikation simplex (Sx) typisch für Verteilnetze wie Rundfunk, Fernsehen
Alternative Zweiwegkommunikation Halbduplex (Hdx) Senden in beide Richtungen, aber nicht gleichzeitig typisch für Abrufkommunikation (z.B. BTX)
Simultane Zweiwegkommunikation Vollduplex (Dx) Gleichzeitiges Senden in beiden Richtungen möglich
4.2.2 netzstrukturen
Überblick Die letzte Meile Die ersten Meilen
Anläßlich des 10. Jahrestages des Bestehensunserer OVSt war es schon lustig.
4.2.2.1 überblick
Das analoge Festnetz Das digitale Festnetz Das digitale Funknetz (GSM)
4.2.2.1.1 das analoge festnetz
Bis zur Einführung der Digitalisierung gab es national 4 Ebenen (+ eine Auslandsebene)
OVSt Ortsvermittlungsstelle KVSt Knotenvermittlungsstelle HVSt Hauptvermittlungsstelle ZVSt Zentralvermittlungsstelle + AVSt Auslandsvermittlungsstelle
Die Vermittlung durch dieseEbenen wurden mit den 4Ziffern der Ortsvorwahleindeutig festgelegt.
95% aller Gespräche wurdenaber über Querverbindungenrealisiert
OVSt
KVSt
HVSt
ZVSt
AVSt
OVSt
KVSt
HVSt
ZVSt
AVSt
4.2.2.1.2 das digitale festnetz
Fernnetz(DIVF-Technik)
Weitverkehrsnetz 23 WVVSt voll vermascht ohne Teilnehmer, nur Durchgang
Regionalnetz (RN) 20-25 RN-VSTn pro WVVSt vermascht teilweise in funktionaler Kombination
mit Zugangs/Lokalnetz
Zugangs- und Lokalnetz(DIVO-Technik)
ca. 3-4 Lokal-VSTn pro RNVSt Anschluss der Teilnehmer
OVSt
KVSt
HVSt
ZVSt
AVSt
!
4.2.2.1.3 das digitale Funknetz (GSM)
BSCBase StationController
MSCMobile ServicesSwitching Center
BTS BaseTransceiverStation
!
4.2.2.2 die letzte meile
Überblick über Anschlusstechniken Kupferdoppeladern V 5.1 bzw. V 5.2 FITL xDSL SDH
4.2.2.2.1 techniken
Kupferkabel Multiplexer Konzentratoren Fibre in the Loop Wireless Local Loop
(RITL Radio in the Loop) DECT CDMA
x Digital Subscriber Line Synchrone Digitale Hierarchie
Asynchronous
!
4.2.2.2.2 kupferdoppelader
Eltg Endleitung EVz Endverzweiger
zum KVz 6-600 Doppeladern(Schnitt 36)
KVz Kabelverzweiger
0,3 km 1,7 km
Hk Hauptkabel In Teilstücken à max. 320 Meter 150-2000 Doppeladern
(Schnitt 400)
HVt Hauptverteiler
4.2.2.2.3 V 5.1 • V 5.2
V 5.1 Multiplexer Anschluss der Teilnehmer ohne Konzentration Feste Zuordnung von Teilnehmer zu Zeitschlitz
V 5.2 Konzentrator Zuordnung >30 Teilnehmer auf 30 Zeitschlitze Genaue Lokalisierung in VSt durch Signalisierung des
Konzentrators Akzeptables Verhältnis: 10:1
V 5.1
4.2.2.2.4 FITL (Fiber in the Loop)
Verbindung der VSt über ein Optical Line Termination (OLT) zu der abgesetzten Einheit Optical Network Unit (ONU) Ggf. aufspaltung der LWL mit Optical Line Distributor (OLD)
Unterscheidung in Fiber to the Home (FTTH)
Umwandlung Optisch digital - Elektrisch Digital - Elektrisch analogbeim Teilnehmer. Pro Teilnehmer -> teuer
Nur sinnvoll bei großem Bandbreitenbedarf Fiber to the building (FTTB)
Ende der Glasfaser im Gebäude Interessant bei großen Gebäuden
Fiber to the Curb (FTTC) Ende der Glasfaser im Kabelverzweiger (grauer Kasten) Nutzung der Eltg bis zum Endteilnehmer
4.2.2.2.5 xDSL (x Digital Subscriber Line)
Ausnutzung der Bandbreiten von Kupferdoppeladern HDSL (High bit rate Digital Subscriber Line)
Bidirektionale Übertragung mit 2,048 Mbit/s über zwei oder drei Doppeladern (1168 bzw. 784 kbit/s)
Variante SHDSL (Single Pair HDSL) auf einer Doppelader Repeaterfrei bis 3 km
ADSL (Asnchronous Digital Subsrober line) Schneller Kanal zum Teilnehmer (2-9 Mbit/s) langsamer Rückkanal. Darunter
Fernsprechkanäle hin-/rück gleichschnell. Nutzung: Telefon, VOD (Video on Demand), Internet, ... Repeaterfrei 1,8 bis 3 km
VDSL (Very High Rate Digital Subscriber Line) Übertragungsraten 12 bis 52Mbit/S Repeaterfrei 300 bis 500 Meter Glasfaser bis Kabelverzweiger (FiberToTheCurb)
4.2.2.2.6 SDH (Synchrone Digitale Hierarchie)
SDH ist Technik zwischen VSTen Kleinste Einheit ist Primärsystem (2,048 Mbit/s) Anschaltung mehrerer Einzelanschlüsse über
V 5.1 V 5.2
Weitertransport über STM-1 155Mbit/s STM-4 622Mbit/s
4.2.2.3 die ersten meilen
Vor dem Zugangsebene Optimierung Zugangs/Lokalebene Weitverkehrsebene Auslandsvermittlung Übertragungsnetz Zusammenfassung
4.2.2.3.1 vor der zugangsebene
Bei kleinen Teilnehmerzahlen lohnt sich keine VSt
Konzentratoren Fernüberwachte VStn (über Q3)
erst dann: VSt
4.2.2.3.2 optimierung
Fall A Geringere Anschlussleitungskosten Höhere Kosten für VSt, Verbindungsleitungen
Fall B Höhere Anschlussleitungskosten Geringere Kosten für VSt, Verbindungsleitungen
Anzahl VSt
Kos
ten
Suche desOptimums:
4.2.2.3.3 zugangs-/lokalebene
Je nach Größe eines Ortsbereiches können eine Zugangs-VSt mehrere Ortsbereiche bedienen Ortsbereiche von verschiedenen Zugangs-Vstn bedient
werden
Die (aus der Analogzeit stammenden) Nummerie-rungspläne der Teilnehmer bleiben davon unberührt
ca. 100000 Teilnehmer pro Lokalnetz-VSt TVSt (Teilnehmer-VSt)
4.2.2.3.4 weitverkehrsebene
23 Standort von Weitverkehrs-vermittlungsstellen
Weitere Netzknoten zur Signalisierung(STP - Signalling Transfer Points)
Übergang auch zuanderen Netzen:
Mobilfunk Nationale Festnetzbetreiber Internationale Netze Dienstübergänge (z.B. Dx-P, ...) Anschlüsse Betriebszentren (TMN) Schnittstellen zu IN
4.2.2.3.5 .. und tschüss
Anschluss über AVSTn 8 AVSTn (am Ort der ehemaligen
ZVSTn) 6% aller Gespräche
Interkontinental: Frankfurt Düsseldorf München
In Frankfurt: Zentrale mit Anschluss zu allen
Ländern (30 Länder nurhandvermittelt erreichbar)
Transitverkehr ankommender internationaler
Verkehr
4.2.2.3.6 übertragungsnetz
Ursprünglich plesiochroneÜbertragung
Breitbandige PCM-Strecken bis 120 Mbit/s Koax
Richtfunkstrecken: bis 565 Mbit/S
Seit 1987 zunehmendsynchrone Übertragung
SDH bis 2,5 Gbit/s LWL extrem flexibel bei der
Bandbreitenzuteilung Data Highway - weltweit führend
!
4.2.2.3.7 zusammenfassung
Struktur analogen/digitalen Festnetz Mobilfunknetz
Die letzte Meile Anschlusstechniken:
a/b-Ader, V5.1/V5.2 (Multiplexer/Konzentrator), FITL (FTTx), xDSL SDH
Die ersten Meilen Zugangsebene Weitverkehrsebene Auslandsvermittlung Übertragungsnetz
4.2.2.3.8 ... da war doch noch
00 49 7159 2234TeilnehmerkennzahlBereichskennzahl (Ortsnetzkennzahl)LänderkennzahlVerkehrsausscheidungsziffer (Ausland)
4.2.3 netzbetreiber
Rechtliches § Die Betreiber
4.2.3.1 rechtliches
Gesetzliche Grundlagen Lizenzen §
4.2.3.1.1 gesetzliche grundlagen
Bis 30.08.1994 Bereitstellung von Post- und Fernmeldewesen in Artikel 87f des
Grundgesetzes
Ab 01.08.1996 Telekommunikationsgesetz (TKG) Auszug aus §2:
(1) Die Regulierung (...) ist eine Hoheitliche Aufgabe des Bundes (->Regulierungsbehörde, www.regtp.de)
(2) Ziele (...):1. Wahrung der Nutzerinteressen (...) und des Fernmeldegeheim- nisses2. (...) chancengleicherund funktionsfähiger Wettbewerb (...)3. (...) flächendeckende Grundversorgung (...) zu erschwinglichen Preisen4. (...) Förderung von Telekommunikationsdiensten (...)5. (...) störungsfreie Nutzung von Frequenzen (...)6. (...) Wahrung der öffentlichen Sicherheit.
10% der ca. 8Mio Auslandsgespräche
werden vom BND täglich abgehört
4.2.3.1.2 lizenzen
Zum Betrieb von Übertragungswegen außerhalb privater Grundstücksgrenzen werden Lizenzen benötigt:
Lizenzklasse 1 Betrieb von Übertragungswegen für das Angebot von Mobilfunknetzen für
die Öffentlichkeit Lizenzklasse 2
Betrieb von Übertragungswegen für das Angebot von Satellitenfunkdienstleistungen für die Öffentlichkeit
Lizenzklasse 3 Betrieb von Übertragungswegen für das Angebot von
Telekommunikationsleistungen für die Öffentlichkeit Lizenzklasse 4
Lizenz für das Angebot von Sprachtelefondienst auf der Basis von selbst betriebenen Telekommunikationsrechten (schließt das Recht zum Betrieb von Übertragungswegen ein)
Dienstanbieter ohne Netz sind Lizenzfrei
4.2.3.2 die betreiber
Angebote Ansätze
4.2.3.2.1 angebote
Dark-Fibre Der Betreiber bietet nur das
Übertragungsmedium an(z.B. Glasfaserstrecke)
Der Kunde kann beliebige Signale übertragen.
Dieser Signaltransport muss allerdings vom Kunden selbst geregelt werden
Bandbreite Der Betreiber stellt Schnittstellen
mit festgelegten Bandbreiten zur Verfügung (als Festleitung)
Der Signaltransport wird durch den Betreiber sichergestellt
Die Vermittlung muss vom Kunden geregelt werden.
Vermittlungsdienste Der Betreiber stellt Über-tragung
und Vermittlung bereit Die Verbindung kann vom Kunden
mit variierenden Bandbreiten immer neu aufgebaut werden
IN-Dienste Der Betreiber stellt Dienste oder
Anwendungen zur Verfügung (z.B. e-mail)
Dafür muss der Betreiber die Übertragung, Vermittlung und die Bereitstellung des Dienstes gewährleisten.
!
4.2.3.2.2 ansätze
Globale Anbieter Deutschlandweites Angebot an Leitungen, Bandbreiten,
Vermittlungsdiensten, IN-Diensten und Anwendungen Deutsche Telekom Konkurrenz zur deutschen Telekom: ARCOR, VIAG, RWE, o.tel.o
Lokale Anbieter Regional beschränktes Angebot der gesamten Palette (s.o.) Beschränkung oft auf Städte/Stadtkreise mit zunächst vorwiegend
Geschäftskunden (aber auch privat) Anbieter: Große Firmen (oft Energieerzeuger), Stadtverwaltungen
Transport-Anbieter regional beschränktes oder deutschlandweites Angebot von Leitungen
und Bandbreiten meist keine weiteren Leistungen "Dark Fibre"
4.2.4 zusammenfassung
Allgemeines über Netze Netze im Überblick Funktionen eines Netzes Eigenschaften von Netzen
Netzstrukturen Das analoge Festnetz Das digitale Festnetz Das digitale Funknetz (GSM)
Netzbetreiber Rechtliches Die Betreiber §
4.7.2 dienste
Eigenschaften von Diensten Informationsart Kommunikationsart Bandbreitenbedarf
Die Dienste Teleservices Bearer Services Funkdienste
4.7.3 netze
Allgemeines über Netze Netze im Überblick Funktionen eines Netzes Eigenschaften von Netzen
Netzstrukturen Das analoge Festnetz Das digitale Festnetz Das digitale Funknetz (GSM)
Netzbetreiber Rechtliches Die Betreiber