multimedia-technik ss’05 ! multimedia-technik ss’05 prof. dr. peter kneisel

inhalt Grundlagen Anwendungen Praktische Anwendungen 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 Lauflängenkodierung Nullunterdrückung Vektorquantisierung Pattern Substitution Huffmann .... 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 Ton sondern Text und Graphik und Ton eingesetzt Genauere Definition ... ... später

Der Mensch behält von dem, was er liest 10% was er hört 20% 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.

1.2 der medienbegriff perzeptionsmedium repräsentationsmedium 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

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 Datenträger Worauf/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 ! 1.2.7 zusammenfassung medienbegriff Perzeptionsmedium Wie nimmt der Mensch Informationen auf ? Repräsentationsmedium Wie wird die Information im Rechner kodiert ? Präsentationsmedium Worauf/Womit wird die Information ein-/ ausgegeben ? Speichermedium Worauf/Womit werden Informationen gespeichert ? Übertragungsmedium Worüber wird Information übertragen ? Informationsaustauschmedium Welcher Informationsträger wird zum Austausch von Information zwischen Orten verwendet ?

! 1.2.8 schlussfolgerung Das Perzeptionsmedium (wie nimmt der Mensch die Information auf) kommt dem Begriff Medium im Kontext der Informationsverarbeitung am nächsten.

1.2.9 kleine übung Wo und wie ist das Fernsehen einzuordnen ? Perzeptionmedium auditiv, visuell: Musik, Sprache, Geräusch, Bild, Graphik, Animation, Video Repräsentationsmedium Video/Audio (PAL) Präsentationsmedium Eingabe (Kamera, Mikrofon), Ausgabe (Bildschirm, Lautsprecher) Speichermedium Magnetband Übertragungsmedium Koaxialkabel, Glasfaser, Luft, luftleerer Raum Informationsaustauschmedium Speichermedium, 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 DTP  Kombination von Text und Graphik Fernsehen  Kombination aus Video und Audio Der Begriff Multimedia ist eher qualitativ als quantitativ zu definieren

1.3.5 definition: unabhängigkeit Die Medien müssen unabhängig voneinander zu verarbeiten sein Gegenbeispiel: Film (Video) mit Untertitel (Text) T T

1.3.6 definition: kommunikationsfähigkeit Austausch von Informationen über Rechnergrenzen hinweg Gegenbeispiel: Offline Lern-CDs Kommunizierende Multimediasysteme 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 ! 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.

1.4 anforderungen multimediasystem synchronisation datendurchsatz echtzeit zusammenfassung anforderungen

1.4.1 synchronisation Asynchrone Übertragung Synchrone 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 Zwischenspeicherbedarf

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 Anwendung: HDTV, HD-Videokonferenzen, VOD

1.4.3 echtzeit weiche Echtzeit harte 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 ! 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

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 Anwendungen t

! 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 danach nur Differenzen t

! 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

1.5.4 zusammenfassung charakteristik ! 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

! 1.5.5 kleine übung Digitales Fernsehen Videosignal, PAL-Verfahren aufgenommen, im Rechner ohne Kompression digitisiert und über die Luft digital übertragen. Streng periodisch streng gleichmäßig zusammenhängend Web-Fernsehen MPEG kodiertes Videosignal, über 16Mbit/sec Token-Ring übertragen: schwach periodisch schwach gleichmäßig unzusammenhängend

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.

! 1.6.2 medienbegriff Perzeptionsmedium Wie nimmt der Mensch Informationen auf ? Repräsentationsmedium Wie wird die Information im Rechner kodiert ? Präsentationsmedium Worauf/Womit wird die Information ein-/ ausgegeben ? Speichermedium Worauf/Womit werden Informationen gespeichert ? Übertragungsmedium Worüber wird Information übertragen ? Informationsaustauschmedium Welcher Informationsträger wird zum Austausch von Information zwischen Orten verwendet ?

1.6.3 schlussfolgerung medienbegriff ! 1.6.3 schlussfolgerung medienbegriff Das Perzeptionsmedium (wie nimmt der Mensch die Information auf) kommt dem Begriff Medium im Kontext der Informationsverarbeitung am nächsten.

! 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.

! 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

! 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

! 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.

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

! 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

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 Schneller Vor- und Rücklauf mit Anzeige Wahlfreier Zugriff auf Einzelbild < 500 ms (ohne Kontextinformation) Anwendungen in Dialog und Abfragemodus Format unabhängig vom Darstellungsgerät Adaptierbare Datenraten Hoher Grad an Synchronisation

2.1.4 zusammenfassung einleitung ! 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)

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 DPCM DM Transformation FFT DCT Layered koding Bitposition Unterabtastung Subband-Kodierung Vektorquantisierung Hybride Kodierung JPEG MPEG H.263 ...

2.2.2 grundsätzliche kodierungsarten ! 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.

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 ! 2.2.5 zusammenfassung kodierungsverfahren Im wesentlichen unterscheidet man zwischen Entropiekodierung Quellenkodierung hybride Kodierung Die Kodierung besteht typischerweise aus vier Phasen: Datenaufbereitung Datenverarbeitung Qualtisierung Die Dekodierung erfolgt invers zur Kodierung und kann symetrischn oder asymetrische Aufwände haben

2.3 grundlegende verfahren lauflängenkodierung huffmann-kodierung prädiktion / relative kodierung transformations-kodierung unterabtastung vektorquantisierung spezialformen

! 2.3.1 lauflängenkodierung Voraussetzung Kodierung Dekodierung Beispiel: ABCCCCCCCCDEFGGG ABC!8DEFGGG 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

! 2.3.2 huffmann-kodierung Voraussetzung: Kodierung Dekodierung 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 ! 2.3.2 huffmann-kodierung • beispiel P(C)=0,09 P(E)=0,11 P(CE)=0,2 1 P(D)=0,13 P(A)=0,16 P(AD)=0,29 1 sei P(A) = 0,16 P(B) = 0,51 P(C) = 0,09 P(D) = 0,13 P(E) = 0,11 Kodierung A = 000 B = 1 C = 011 D = 001 E = 010 P(CEAD)=0,49 1 P(B)=0,51 P(BCEAD)=1,0 1 Der Baum wird von oben nach unten mit den zwei Buchstaben (oder Buchstabengruppen) mit den jeweils kleinsten Wahrscheinlichkeiten schrittweise aufgebaut

2.3.3 prädiktion / relative kodierung ! 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 ! 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

! 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

! 2.3.6 vektorquantisierung Voraussetzung: Kodierung Dekodierung 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

2.3.7 spezialformen I Nullunterdrückung Pattern Substitution 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 Adaptiver DPCM Spezial form der Differential Pulse code Modulation (DPCM) Kodierung der Differenzwerte 1 bit (steigend/fallend) Adaptiver 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 ! 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

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

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- bereitung Bildver- arbeitung FDCT Quanti- sierung Entropie- 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

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) Bild n+1 unterscheidet sich von Bild n durch die um die Vektoren verschobenen Teile ? Wer ist gestorben Bild n mit Dynamic PCM erfasst und mit DCT kodiert, dient als Muster für Bild n+1

! 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 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 Multimedia Speichermedien hohe Speicherkapazität wahlfreier Zugriff Transportabilität geringe Kosten schneller Lese-/Schreibzugriff Verfügbarkeit Lesegeräte Handhabung 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) 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) 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 ! 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 Schutzschicht Reflexionsschicht Substratschicht (Polykarbonat) 1,2 m 0,6 m land pit 1,6 m 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

3.2.2 ausprägungen analoge aufzeichnung Digitale 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 ! 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-Signal mehrere ms Rotationsverzögerung bei 1 x Geschwindigkeit ca. 300ms bei 40 x Geschwindigkeit ca. 6,3 ms Seek-Zeit Einstellung des exakten Radiuses ca. 100ms Mögliche Zeiten: unter 100ms

3.2.5 zusammenfassung basistechnologie ! 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 ! 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 Fehlerkorrektur: wie oben beschrieben 2 x 12 x 14 + 3 EFM Füllbits 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) zusammengefasst davon 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 + 3 588 bits 2 x 12 x 8 = 192 bits

3.3.5 aufbau einer CD 3 Bereiche Tracks Blöcke 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 ! 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 Daten (2336 Bytes) 741,85 Mbyte pro CD

3.4.4 überblick datenhierarchie 330000 Blöcke CD 2352 Nutzbytes / 7203 Kanalbytes, Block Vier Arten von Blöcken Audio 73,5 (frame) ... 98 x ... Mode 0 12 4 2336 Nullen Mode 1 12 4 2048 Daten 4 CRC 8 276 CRC Mode 2 12 4 2336 Daten

3.4.5 zusammenfassung CD-ROM ! 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 Form 2 verbesserte Fehlererkennung und -korrektur Definition eines Sub-Headers Sync 12 Head 4 SubHead 8 Data 2048 EDC 4 ECC 276 Form 2 auf Kosten der Fehlerbehandlung eine um 13% höhere Datenausnutzung Sync 12 Head 4 SubHead 8 Data 2324 EDC 4

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 ! 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 Bild Video 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-XA CD-I CD-DA CD Bridge Disc CD-I Ready Disc

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 ! 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 ! 3.8.1 physikalischer aufbau CD-R Schutzschicht Reflexionsschicht Substratschicht (Polykarbonat) Absorptionschicht 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

3.8.2 logischer aufbau CD-R Lead In Data Lead Out Regular CD-R Lead In Data Lead Out ... Hybrid 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

! 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 Anmerkung DVD-5 12 SS SL 4,38 GB > 2 Std. Video DVD-9 12 SS DL 7,95 GB ca. 4 Std. Video DVD-10 12 DS SL 8,75 GB ca. 4,5 Std Video DVD-18 12 DS DL 15,9 GB > 8 Std Video 8 SS SL 1,36 GB ca. 0,5 Std Video 8 SS DL 2,48 GB ca. 1,3 Std Video 8 DS SL 2,72 GB ca. 1,4 Std Video 8 DS DL 4,95 GB ca. 2,5 Std Video DVD-R 12 SS SL 3,68 GB DVD-R 12 DS SL 7,38 GB DVD-R 8 SS SL 1,15 GB DVD-R 8 DS SL 2,3 GB DVD-RAM 12 SS SL 2,4 GB DVD-RAM 12 DS SL 4,8 GB SS Single Side DS Double Side SL Single Layer DL 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 ... Blöcke ... 16 x ... 2064 Bytes Sektoren (16 pro Block + Fehlererkennung) 4832 Bytes 12 Byte Sektor Header 160 Byte Nutzdaten 172 Byte Nutzdaten 168 Byte Nutzdaten 4 Byte Fehlererkennung Zeilen (12 pro Sektor) ... 10 x ... 33024 Bytes von 37856 Bytes Nutzinformation ( 87%)

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-Prüfung Erneute Fehlererkennung Ebene 5: Track Zwischenspeicher Eventuell Umwandlung der festen Datenrate in variable Datenrate. Nutzdaten hier noch 10,08 Mbit/s Ebene 6: Datentransfer zum MPEG-Dekoder Verteilung der Daten (Demultiplexing) auf Anwendungen (z.B. MPEG-Dekoder)

3.9.6 vergleich CD  DVD CD DVD Durchmesser ca. 120 mm 80mm / 120mm Stärke ca. 1,2 mm 1,2 mm Laser-Wellenlänge 780 nm (Infrarot) 650/635 nm (rot) Track-Abstand 1,6 m 0,74 m Min. Pit-Länge 0,83 m 0,4 m Daten-Layer 1 1 / 2 Seiten 1 1/2 Kapazität ca. 650 MB bis 15,9 GB Video-Standard MPEG-1 MPEG-3 Videokapazität ca. 1 Std bis 8 Std Sound-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: 16 Blöcke (à 2352 Byte, 2048 Byte Nutzinformation) System Area herstellerspezifischer Bereich Volume Descriptor Terminator kennzeichnet das Ende der Dateisysteme Primary Volume Descriptor Länge des Dateisystems Länge und Adresse der Path Table Supplementory Volume Descriptors eventuell weitere 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 ISO 9660 CD/DA CD-ROM/XA ISO 9660 DVI CD-ROM CD-R/WO CD-RW/MO Rockbridge, Joliet, El Torito 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 Verteilkommunikation (Broadcast) 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 Burstartig Schmalband Weitband ... 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) ! 4.1.2.1 standarddienste (teleservices) Als Standarddienst bezeichnet man im wesentlichen die Dienstgruppen, deren Anwendung durch Normierungsgremien und damit eventuell in Varianten vom Netzbetreiber festgelegt werden Telefax Bildschirmtext Telex Teletex Temex Telebox400

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 Gruppe 2 Gruppe 3 Gruppe 4 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) ! 4.1.2.2 übermittlungsdienste (bearer services) 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 Sprachdienst Datendirektverbindung Datex-P Datex-L Datex-M Vermittelndes Breitbandnetz

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 ! 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

! 4.1.2.3 funkdienste Sprachdienst Funkrufempfänger (Pager) DECT Betriebsfunk Satellitenfunk Megacool und Affengeil

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) ! 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 0 bis 4 Codes Klasse 1 Numerik Klasse 2 a-Numerik Klasse 3 Transparent- 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 Chekker 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 www.inmarsat.francetelecom.fr/ english/decouverte/decouvs.htm Varianten Inmarsat A,B,C Dienste Telefon, Fax, Datentransfer Geschwindigkeiten 9,6-64 Kbit/s

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 incompatible cellular 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 Complete Calling 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 Breitband - ISDN

! 4.1.3.3 mobilfunkdienste Mobilfunksystem der 3. Generation Technik 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, ...

! BREITBAND 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

! 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

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 Übertragungseinrichtungen 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 Übermittlung als Zusammenfassung der beiden Hauptfunktionen Übertragung und Vermittlung

4.2.1.3 eigenschaften von netzen ! 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 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 Netze Mit 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 Asynchron/Synchron 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 Anläßlich des 10. Jahrestages des Bestehens Überblick Die letzte Meile Die ersten Meilen Anläßlich des 10. Jahrestages des Bestehens unserer 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 diese Ebenen wurden mit den 4 Ziffern der Ortsvorwahl eindeutig festgelegt. 95% aller Gespräche wurden aber über Querverbindungen realisiert OVSt KVSt HVSt ZVSt AVSt

! 4.2.2.1.2 das digitale festnetz Fernnetz (DIVF-Technik) AVSt ZVSt 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) ! 4.2.2.1.3 das digitale Funknetz (GSM) BTS Base Transceiver Station BSC Base Station Controller MSC Mobile Services Switching Center

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 Asynchronous ! 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

4.2.2.2.2 kupferdoppelader 0,3 km 1,7 km Hk Hauptkabel Eltg Endleitung In Teilstücken à max. 320 Meter 150-2000 Doppeladern (Schnitt 400) HVt Hauptverteiler Eltg Endleitung EVz Endverzweiger zum KVz 6-600 Doppeladern (Schnitt 36) KVz Kabelverzweiger

4.2.2.2.3 V 5.1 • V 5.2 V 5.1 V 5.1 Multiplexer V 5.2 Konzentrator 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

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 analog beim 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 Fall B Suche des Optimums: Geringere Anschlussleitungskosten Höhere Kosten für VSt, Verbindungsleitungen Fall B Höhere Anschlussleitungskosten Geringere Kosten für VSt, Verbindungsleitungen Suche des Optimums: Anzahl VSt Kosten

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 zu anderen 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 Interkontinental: 8 AVSTn (am Ort der ehemaligen ZVSTn) 6% aller Gespräche Interkontinental: Frankfurt Düsseldorf München In Frankfurt: Zentrale mit Anschluss zu allen Ländern (30 Länder nur handvermittelt erreichbar) Transitverkehr ankommender internationaler Verkehr

! 4.2.2.3.6 übertragungsnetz Ursprünglich plesiochrone Übertragung Breitbandige PCM-Strecken bis 120 Mbit/s Koax Richtfunkstrecken: bis 565 Mbit/S Seit 1987 zunehmend synchrone Übertragung SDH bis 2,5 Gbit/s LWL extrem flexibel bei der Bandbreitenzuteilung Data Highway - weltweit führend

4.2.2.3.7 zusammenfassung Struktur Die letzte Meile Die ersten Meilen 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 2234 Teilnehmerkennzahl Bereichskennzahl (Ortsnetzkennzahl) Länderkennzahl Verkehrsausscheidungsziffer (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- nisses 2. (...) chancengleicherund funktionsfähiger Wettbewerb (...) 3. (...) flächendeckende Grundversorgung (...) zu erschwinglichen Preisen 4. (...) 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 Bandbreite Vermittlungsdienste 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 Lokale Anbieter Transport-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 Netzstrukturen 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 Die Dienste Informationsart Kommunikationsart Bandbreitenbedarf Die Dienste Teleservices Bearer Services Funkdienste

4.7.3 netze Allgemeines über Netze Netzstrukturen Netzbetreiber Netze im Überblick Funktionen eines Netzes Eigenschaften von Netzen Netzstrukturen Das analoge Festnetz Das digitale Festnetz Das digitale Funknetz (GSM) Netzbetreiber Rechtliches Die Betreiber