Digitale Fernseh- und Hörfunktechnik in Theorie und Praxis (eBook)

MPEG-Basisbandcodierung, DVB-, DAB-, ATSC-, ISDB-T-Übertragungstechnik, Messtechnik

Walter Fischer (Autor)

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2010 | 3. Aufl. 2010
XXIV, 858 Seiten
Springer Berlin (Verlag)
978-3-642-15047-0 (ISBN)

Infos

Der Autor behandelt praxisnah die wichtigsten digitalen TV-, Rundfunk- bzw. Multimedia-Standards. Darüber hinaus erläutert er in Grundlagenkapiteln u. a. die analoge Fernsehtechnik, digitale Modulation, COFDM oder mathematische Transformationsverfahren. Messtechnik und Messpraxis werden anhand zahlreicher Beispiele vertieft. Der Band ist eine deutlich erweiterte Neuauflage des Bandes 'Digitale Fernsehtechnik'. Die 3. Auflage wendet sich vor allem an Spezialisten aus der Praxis aber auch an Studierende der Nachrichtentechnik.

Walter Fischer, Dipl. Ing.(FH), geb. 2.6.1961 Studium der Elektrotechnik 1979-83, Diplomarbeit im Bereich TV-Messtechnik bei Prof. Mäusl, FH München. Seit 1985 bei Rohde&Schwarz München, dort bis 1999 im Bereich der Entwicklung TV-Messtechnik. Seit 1999 Trainer im Rohde&Schwarz Trainingszentrum München für den Bereich analoge und digitale TV-Technik. Zahlreiche Seminare im Bereich DVB weltweit (mehr als 3000 Seminarteilnehmer).

Inhalt

Vorwort 5
Vorwort zur zweiten deutschen Auflage 7
Vorwort zur ersten deutschen Auflage 9
Geleitwort zur ersten deutschen Auflage 11
Inhaltsverzeichnis 12
1 Einleitung 24
2 Analoges Fernsehen 31
2.1 Abtastung einer Schwarz-Weiß-Bildvorlage 35
2.2 Horizontalund Vertikal-Synchronimpuls 36
2.3 Hinzunehmen der Farbinformation 38
2.4 Übertragungsverfahren 41
2.5 Verzerrungen und Störungen 43
2.6 Signale in der Vertikalaustastlücke 45
2.7 Messungen an analogen Videosignalen 49
3 Der MPEG-2-Datenstrom 56
3.1 Der Packetized Elementary Stream (PES) 59
3.2 Das MPEG-2-Transportstrompaket 63
3.3 Informationen für den Empfänger 67
3.3.1 Synchronisierung auf den Transportstrom 68
3.3.2 Auslesen der aktuellen Programmstruktur 69
3.3.3 Der Zugriff auf ein Programm 71
3.3.4 Zugriff auf verschlüsselte Programme 72
3.3.5 Programmsynchronisation (PCR, DTS, PTS) 74
3.3.6 Zusatz-Informationen im Transportstrom (PSI / SI / PSIP) 77
3.3.7 Nicht-private und private Sections und Tabellen 77
3.3.8 Die Service Information gemäß DVB (SI) 87
3.4 PSIP gemäß ATSC 101
3.5 ARIB-Tabellen gemäss ISDB-T 103
3.6 DMB-T (China) Tabellen 105
3.7 Weitere wichtige Details des MPEG-2 Transportstromes 105
3.7.1 Die Transport Priority 106
3.7.2 Die Transport Scrambling Control Bits 106
3.7.3 Die Adaptation Field Control Bits 107
3.7.4 Der Continuity Counter 107
4 Digitales Videosignal gemäß ITU-BT.R601 (CCIR601) 108
5 High Definition Television – HDTV 113
6 Transformationen vom Zeitbereich in den Frequenzbereich und zurück 118
6.1 Die Fouriertransformation 119
6.2 Die Diskrete Fouriertransformation (DFT) 122
6.3 Die Fast Fouriertransformation (FFT) 124
6.4 Praktische Realisierung und Anwendung der DFT und FFT 125
6.5 Die Diskrete Cosinustransformation (DCT) 126
6.6 Signale im Zeitbereich und deren Transformierte im Frequenzbereich 129
6.7 Systemfehler der DFT bzw. FFT und deren Vermeidung 132
6.8 Fensterfunktionen 135
7 Videocodierung gemäß MPEG-2 und MPEG-4 137
7.1 Videokomprimierung 137
7.1.1 Zurücknahme der der Quantisierung von 10 auf 8 Bit 141
7.1.2 Weglassen der Hund V-Lücke 141
7.1.3 Reduktion der Farbauflösung auch in vertikaler Richtung (4:2:0) 143
7.1.4 Weitere Schritte zur Datenreduktion 143
7.1.5 Differenz-Plus-Code-Modulation von Bewegtbildern 144
7.1.6 Diskrete Cosinustransformation mit nachfolgender Quantisierung 150
7.1.7 Zig-Zag-Scan und Lauflängencodierung von NullSequenzen 157
7.1.8 Huffmann-Codierung 158
7.2 Zusammenfassung 158
7.3 Aufbau des Videoelementarstroms 161
7.4 Modernere Videokomprimierungsverfahren 164
7.5 MPEG-4 Advanced Video Coding 164
8 Komprimierung von Audiosignalen gemäß MPEG und Dolby Digital 174
8.1 Das digitale Audioquellensignal 174
8.2 Geschichte der Audiokomprimierung 176
8.3 Das psychoakustische Modell des menschlichen Ohres 177
8.4 Grundprinzip der Audiocodierung 182
8.5 Teilbandcodierung bei MPEG Layer I, II 185
8.6 Transformationscodierung bei MPEG Layer III und Dolby Digital 187
8.7 Mehrkanalton 189
8.8 Neue Entwicklungen – MPEG-4 189
9 Videotext, Untertitel und VPS gemäß DVB 192
9.1 Videotext und Untertitel 193
9.2 Video Program System (VPS) 196
9.3 WSS – Wide Screen Signalling 200
9.4 Praktische Beispiele 201
10 Digitale Videostandards und Schnittstellen im Vergleich 203
10.1 MPEG-1 und MPEG-2, Video-CD und DVD, M-JPEG und MiniDV 203
10.2 MPEG-3, MPEG-4, MPEG-7 und MPEG-21 206
10.3 Physikalische Schnittstellen für digitale Videosignale 210
10.3.1 "CCIR601" Parallel und Seriell 211
10.3.2 Synchrone, parallele Transportstromschnittstelle (TS PARALLEL) 212
10.3.3 Asynchrone serielle Transportstromschnittstelle (TS-ASI) 215
10.3.4 SMPTE310-Schnittstelle 215
10.3.5 DVI-Schnittstelle 215
10.3.6 HDMI-Schnittstelle 217
10.3.7 HD-SDI-Schnittstelle 217
10.3.8 Gigabit-Ethernet-Schnittstelle als Transportstromverteiler 217
11 Messungen am MPEG-2-Transportstrom 218
11.1 Verlust der Synchronisation (TS-Sync-Loss) 219
11.2 Fehlerhafte Sync-Bytes (Sync_Byte_Error) 221
11.3 Fehlende oder fehlerhafte Program Association Table (PAT) (PAT_Error) 221
11.4 Fehlende oder fehlerhafte Program Map Table (PMT) (PMT_Error) 222
11.5 Der PID_Error 223
11.6 Der Continuity_Count_Error 224
11.7 Der Transport_Error 226
11.8 Der Cyclic Redundancy Check-Fehler 226
11.9 Fehler der Program Clock Reference (PCR_Error, PCR_accuracy) 227
11.10 Der Presentation Time Stamp Fehler (PTS_Error) 229
11.11 Fehlende oder fehlerhafte Conditional Access Table (CAT_Error) 230
11.12 Fehlerhafte Wiederholrate der Service Informationen (SI_Repetition_Error) 231
11.13 Überwachung der Tabellen NIT, SDT, EIT, RST und TDT/TOT 232
11.14 Nicht referenzierte PID (unreferenced_PID) 233
11.15 Fehler bei der Übertragung zusätzlicher Service Informationen SI_other_Error 233
11.16 Fehlerhafte Tabellen NIT_other, SDT_other_Error, EIT_other_Error) 234
11.17 Überwachung eines ATSC-konformen MPEG-2Transportstroms 234
12 Bildqualitätsanalyse an digitalen TV-Signalen 236
12.1 Methoden zur Bildqualitätsmessung 238
12.1.1 Subjektive Bildqualitätsanalyse 239
12.1.2 Double Stimulus Continual Quality Scale Method DSCQS 240
12.1.3 Single Stimulus Continual Quality Scale Method SSCQE 240
12.2 Objektive Bildqualitätsanalyse 240
12.3 Zusammenfassung und Ausblick 246
13 Grundlagen der Digitalen Modulation 248
13.1 Einführung 248
13.2 Mischer 250
13.3 Amplitudenmodulation 252
13.4 IQ-Modulator 254
13.5 Der IQ-Demodulator 262
13.6 Anwendung der Hilbert-Transformation bei der IQ-Modulation 267
13.7 Praktische Anwendungen der Hilbert-Transformation 270
13.8 Kanalcodierung/Fehlerschutz 271
13.9 Analoge Modulationsverfahren im Vergleich 276
13.9.1 Amplitudenmodulation 277
13.9.2 Varianten der Amplitudenmodulation 280
13.9.3 Frequenzmodulation 281
13.9.4 Phasenmodulation 285
13.10 Bandbegrenzung modulierter Trägersignale 286
13.11 Zusammenfassung 289
14 Übertragung von digitalen Fernsehsignalen über Satellit DVB – S/S2 290
14.1 Die DVB-S-Systemparameter 293
14.2 Der DVB-S-Modulator 296
14.3 Faltungscodierung 300
14.4 Signalverarbeitung im Satelliten 306
14.5 Der DVB-S-Empfänger 307
14.6 Einflüsse auf der Satellitenübertragungsstrecke 311
14.7 DVB-S2 314
15 DVB-S/S2 Messtechnik 323
15.1 Einführung 323
15.2 Messung der Bitfehlerverhältnisse 324
15.3 Messungen an DVB-S/S2-Signalen mit einem Spektrumanalyzer 326
15.3.1 Näherungsweise Ermittelung der Rauschleistung N 328
15.3.2 C/N, S/N und Eb/N0 330
15.3.3 Ermittelung des EB/N0 330
15.4 Modulation Error Ratio (MER) 333
15.5 Messung des Schulterabstands 333
15.6 DVB-S-Empfänger-Test 334
16 Die Breitbandkabelübertragung gemäß DVB-C 336
16.1 Der DVB-C-Standard 337
16.2 Der DVB-C-Modulator 339
16.3 Der DVB-C-Empfänger 340
16.4 Störeinflüsse auf der DVB-C-Übertragungsstrecke 342
17 Die Breitbandkabelübertragung nach ITU-T J83B (Nordamerika) 345
17.1 J83B-Übertragungsparameter 347
17.2 J83B-Basisband-Eingangssignale 348
17.3 Forward Error Correction 348
17.4 Berechnung der Nettodatenrate 350
17.5 Rolloff-Filterung 351
17.6 Fall-off-the-Cliff 351
18 Messungen an digitalen TV-Signalen im Breitbandkabel 353
18.1 DVB-C/J83A, B, C-Messempfänger mit Konstellationsanalyse 354
18.2 Erfassung von Störeinflüssen mit Hilfe der Konstellationsanalyse 358
18.2.1 Additives weißes gauß’sches Rauschen (AWGN) 358
18.2.2 Phasenjitter 361
18.2.3 Sinusförmiger Interferenzstörer 362
18.2.4 Einflüsse des IQ-Modulators 362
18.2.5 Modulation Error Ratio (MER) Modulationsfehler 365
18.2.6 Error Vector Magnitude (EVM) 367
18.3 Messung der Bitfehlerverhältnisse (BER) 367
18.4 Messungen mit einem Spektrumanalyzer 368
18.5 Messung des Schulterabstandes 371
18.6 Messung der Welligkeit im Kanal bzw. Kanalschräglage 371
18.7 DVB-C/J83ABC-Empfänger-Test 371
19 Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex (COFDM) 373
19.1 Warum Mehrträgerverfahren? 375
19.2 Was ist COFDM? 378
19.3 Erzeugung der COFDM-Symbole 383
19.4 Zusatzsignale im COFDM-Spektrum 392
19.5 Hierarchische Modulation 394
19.6 Zusammenfassung 395
20 Die terrestrische Übertragung von digitalen TV-Signalen über DVB-T 396
20.1 Der DVB-T-Standard 399
20.2 Die DVB-T-Träger 400
20.3 Hierarchische Modulation 406
20.4 DVB-T-Systemparameter des 8/7/6-MHz-Kanals 408
20.5 DVB-T-Modulator und Sender 418
20.6 Der DVB-T-Empfänger 421
20.7 Störeinflüsse auf der DVB-T-Übertragungsstrecke 426
20.8 DVB-T-Gleichwellennetze (SFN) 435
20.9 Mindestens notwendiger Empfängereingangspegel bei DVB-T 443
21 Messungen an DVB-T-Signalen 450
21.1 Messung der Bitfehlerverhältnisse 452
21.2 Messungen an DVB-T-Signalen mit einem Spektrumanalyzer 454
21.3 Konstellationsanalyse an DVB-T-Signalen 458
21.3.1 Weißes Rauschen (AWGN = Additive White Gaussian Noise) 458
21.3.2 Phasenjitter 459
21.3.3 Interferenzstörer 460
21.3.4 Echos, Mehrwegeempfang 460
21.3.5 Dopplereffekt 460
21.3.6 IQ-Fehler des Modulators 460
21.3.7 Ursache und Auswirkung von IQ-Fehlern bei DVB-T 463
21.4 Messung des Crestfaktors 473
21.5 Messung des Amplituden-, Phasenund Gruppenlaufzeitganges 473
21.6 Messung der Impulsantwort 474
21.7 Messung des Schulterabstandes 475
22 DVB-H/DVB-SH – Digital Video Broadcasting for Handhelds 480
22.1 Einführung 480
22.2 Konvergenz zwischen Mobilfunk und Broadcast 482
22.3 DVB-H – die wesentlichen Parameter 484
22.4 DSM-CC Sections 485
22.5 Multiprotocol Encapsulation (MPE) 486
22.6 DVB-H – Standard 487
22.7 Zusammenfassung 491
22.8 DVB-SH 494
23 Digitales Terrestrisches Fernsehen gemäß ATSC (Nordamerika) 497
23.1 Der 8VSB-Modulator 502
23.2 8VSB-Bruttound Nettodatenrate 511
23.3 Der ATSC-Empfänger 512
23.4 Störeinflüsse auf der ATSC-Übertragungsstrecke 512
23.5 ATSC-M/H „Mobile DTV“ 513
23.5.1 Kompatiblität zur bestehenden ATSC-Rahmenstruktur 514
23.5.2 MPEG-4-Videound Audio-Streaming 516
23.5.3 ATSC-M/H-Multiplexer 517
23.5.4 ATSC-M/H-Modulator 520
23.5.5 Bildung von Gleichwellennetzen 521
23.6 Closed Captioning 523
23.7 Analog Switch-off 525
24 ATSC/8VSB-Messtechnik 526
24.1 Messung der Bitfehlerverhältnisse 527
24.2 8VSB-Messungen mit Hilfe eines Spektrumanalysators 528
24.3 Konstellationsanalyse an 8VSB-Signalen 529
24.4 Ermittelung des Amplitudenund Gruppenlaufzeitganges 531
25 Digitales Terrestrisches Fernsehen gemäß ISDB-T (Japan) 534
25.1 Layer-Bildung 537
25.2 Basisbandcodierung 539
25.3 Änderungen in der Transportstromstruktur 539
25.4 Blockschaltbild 541
25.5 Kanaltabellen 542
25.6 Leistungsfähigkeit von ISDB-T 542
25.7 Weitere ISDB-Standards 544
25.8 ISDB-T-Messtechnik 545
25.9 Zusammenfassung 546
26 Digital Audio Broadcasting DAB 547
26.1 Vergleich DAB und DVB 548
26.2 DAB im Überblick 552
26.3 Der physikalische Layer von DAB 558
26.4 DAB – Forward Error Correction – FEC 570
26.5 DAB-Modulator und Sender 576
26.6 DAB-Datenstruktur 579
26.7 DAB-Gleichwellennetze 585
26.8 DAB Data Broadcasting 586
26.9 DAB+ 588
26.10 DAB-Messtechnik 588
26.10.1 Test von DAB-Empfängern 589
26.10.2 Messungen am DAB-Signal 589
27 DVB-Datendienste: MHP und SSU 593
27.1 Data Broadcasting bei DVB 594
27.2 Object Carousels 595
27.3 MHP = Multimedia Home Platform 597
27.4 System Software Update – SSU 599
28 T-DMB 600
29 IPTV – Fernsehen über Internet 602
29.1 DVB-IP 604
29.2 IP-Schnittstelle ersetzt TS-ASI 605
29.3 Zusammenfassung 606
30 DRM – Digital Radio Mondiale 607
30.1 Audio-Quellencodierung 611
30.2 Fehlerschutz 611
30.3 Modulationsverfahren 612
30.4 Rahmenstruktur 613
30.5 Störeinflüsse auf der Übertragungsstrecke 614
30.6 DRM-Datenraten 615
30.7 DRM-Sendestationen und DRM-Receiver 616
30.8 DRM+ 617
31 Praxis digital-terrestrischer TV-Netze 618
31.1 Die DVB-T-Gleichwellennetze Südund Ostbayern 618
31.2 Playout Center und Zuführungsnetzwerke 622
31.3 Technischer Aufbau der Senderstandorte 622
31.3.1 Sender Wendelstein 623
31.3.2 Sender Olympiaturm München 638
31.3.3 Sender Brotjacklriegel 641
31.4 Messungen in DVB-T-Gleichwellennetzen 643
31.4.1 Messparameter 643
31.4.2 Praktische Beispiele 652
31.4.3 Verhalten von DVB-T-Receivern 658
31.4.4 Empfängertest und Simulation von Empfangsbedingungen in Gleichwellennetzen 659
31.5 Netzplanung 663
31.6 Auffüllen von Versorgungslücken 664
31.7 Fall-off-the-Cliff 667
31.8 Zusammenfassung 668
32 DMB-T oder jetzt DTMB 669
33 Rückkanaltechniken 673
34 Display-Technologien 675
34.1 Alte Wandlersysteme – die Nipkow-Scheibe 677
34.2 Bildröhre 679
34.3 Der Plasma-Bildschirm 682
34.4 Der Flüssigkristall-Bildschirm 684
34.5 Bewegtspiegel-Systeme 686
34.6 Organische Leuchtdioden 686
34.7 Auswirkungen auf die Bild-Wiedergabe 686
34.8 Kompensationsmaßnahmen 688
34.9 Messtechnik 689
34.10 Stand der Technik 690
35 Neue Generation von DVB-Standards 692
35.1 Übersicht über die DVB-Standards 693
35.2 Eigenschaften der alten und neuen DVB-Standards 694
35.3 Möglichkeiten und Ziele der neuen DVB-Standards 695
36 Basisbandsignale für DVB-x2 697
36.1 Eingangssignalformate 697
36.1.1 MPEG-2-Transportströme – TS 698
36.1.2 Generic Fixed Packetized Streams – GFPS 698
36.1.3 Generic Continuous Streams – GCS 699
36.1.4 Generic Encapsulated Streams – GSE 700
36.2 Signalverarbeitungund Aufbereitung im ModulatorEingangsteil 700
36.2.1 Single Input Stream 701
36.2.2 Multiple Input Streams 704
36.3 Standardspezifische Besonderheiten 707
36.3.1 DVB-S2 707
36.3.2 DVB-T2 708
36.3.3 DVB-C2 715
37 DVB-T2 716
37.1 Einführung 716
37.2 Theoretische maximale Kanalkapazität 717
37.3 DVB-T2 Übersicht 719
37.4 Basisband-Interface 720
37.5 Fehlerschutz 720
37.6 COFDM-Parameter 724
37.6.1 Normal Carrier Mode 726
37.6.2 Extended Carrier Mode 728
37.7 Modulationsverfahren 730
37.7.1 Normale Konstellationsdiagramme 730
37.7.2 Begriffsdefinition „Cell“ – Zelle 731
37.7.3 Gekippte Q-delayed Konstellationsdiagramme 732
37.8 Rahmenstruktur 734
37.8.1 P1-Symbol 736
37.8.2 P2-Symbole 737
37.8.3 Symbol, Frame, Superframe 739
37.9 Blockdiagramm 739
37.10 Interleaver 739
37.10.1 Interleaver-Arten 740
37.10.2 DVB-T2-Time Interleaver-Konfiguartion 741
37.13 Pilote 744
37.12 Sub-Slicing 747
37.13 Time-Frequency-Slicing (TFS) 747
37.14 PAPR Reduction 748
37.15 Mehrantennensysteme SISO/MISO 750
37.15.1 MISO nach Alamouti 751
37.15.2 Modified Alamouti bei DVB-T2 753
37.16 Future Extension Frames 755
37.17 Auxilliary Data Streams 755
37.18 DVB-T2-MI 756
37.19 SFN’s in DVB-T2 756
37.20 Senderkennung in DVB-T2 757
37.21 Leistungsfähigkeit 758
37.22 Ausblick 758
38 DVB-C2 – der neue DVB-Breitbandkabelstandard 759
38.1 Einführung 759
38.2 Theoretische maximale Kanalkapazität 761
38.3 DVB-C2 – Übersicht 762
38.4 Basisband-Interface 763
38.5 Fehlerschutz 763
38.6 COFDM-Parameter 764
38.7 Modulationsverfahren 765
38.8 Definition einer Zelle (Cell) 766
38.9 Interleaver 767
38.10 Variable Coding and Modulation (VCM) 768
38.11 Rahmenstruktur 768
38.12 Kanalbündelung und Slice-Bildung 769
38.13 Preamble-Symbole 770
38.14 Pilote bei DVB-C2 773
38.15 PAPR-Reduktion 773
38.16 Blockdiagram 775
38.17 Pegelverhältnisse im Breitbandkabel 775
38.18 Leistungsfähigkeit 775
38.19 Ausblick 776
39 DVB-x2-Messtechnik 777
39.1 DVB-S2 777
39.2 DVB-T2 778
39.3 DVB-C2 780
39.4 Zusammenfassung 781
40 CMMB – Chinese Multimedia Mobile Broadcasting 782
41 Weitere Übertragungsstandards 783
41.1 MediaFLO 783
41.2 UKW-FM-Hörfunk 784
41.2.1 Kanalraster und Modulationsverfahren 785
41.2.2 Spektrum eines FM-modulierten Signales 787
41.2.3 Stereo-Multiplex-Signal 789
41.2.4 Radio-Daten-System 793
41.2.5 Minimale Feldstärke und Nachbarkanal-Schutzabstände 794
41.2.6 Störeinflüsse auf der UKW-FM-Übertragungsstrecke 795
41.2.7 Messungen an UKW-FM-Stereo-Signalen 796
41.3 IBOC – HD-Radio 796
41.4 FMextra 798
41.5 Auswirkungen der Digitalen Dividende auf BKund DTV-Netze 798
41.5.1 Anatomie der Mobilfunksignale 799
41.5.2 Terrestrische TV-Netze und Mobilfunk 800
41.5.3 Breitbandkabel-TV-Netze und Mobilfunk 800
41.5.5 Zusammenfassung 803
42 Digitales Fernsehen und digitaler Hörfunk weltweit ein Ausblick 804
Literaturverzeichnis 807
Abkürzungsverzeichnis 815
TV-Kanaltabellen 830
Europa, Terrestrik und Kabel 830
Australien, Terrestrik 833
Nord-Amerika, Terrestrik 834
Nord-Amerika, Kabel 836
Sachverzeichnis 841

Produkt-Details

• Erscheint lt. Verlag: 20.8.2010
• Zusatzinfo: XXIV, 858 S. 687 Abb.
• Verlagsort: Berlin
• Sprache: deutsch
• Themenwelt: Mathematik / Informatik ► Informatik ► Grafik / Design
• Themenwelt: Informatik ► Netzwerke ► Sicherheit / Firewall
• Themenwelt: Technik ► Elektrotechnik / Energietechnik
• Schlagworte: Aufgaben • Codierung • DVB • Fernsehtechnik • MPEG • Multimedia • Nachrichtentechnik • Studiotechnik
• ISBN-10: 3-642-15047-0 / 3642150470
• ISBN-13: 978-3-642-15047-0 / 9783642150470