AVT

Master Medientechnologie TH Köln

Master Medientechnologie TH Köln


M. H.
Diese Lernkarten behandeln auf Universitätsniveau die Grundlagen der Audio-Video-Technik (AVT) und konzentrieren sich auf Themen wie Bitübertragung, Fehlerkorrektur, Codierung und Standards wie DVB. Sie erläutern Konzepte wie Blockschaltbilder, Symbolübertragung, Interleaving und Qualitätsmessung (PSNR, MSE). Die Karteikarten sind besonders nützlich für Studierende der Technik, die sich mit digitaler Signalverarbeitung und Übertragungstechnik befassen, da sie sowohl theoretische Grundlagen als auch praktische Anwendungen abdecken.
Karten
31
Lernende
8
Sprache
Deutsch
Kategorie
Technik
Stufe
Universität
Erstellt / Aktualisiert
05.03.2017 / 23.10.2025

Lernkarten

Blockschaltbilder Analog -> Digital

  1. Operationverstärker
  2. Tiefpaß
  3. Abtaster mit Taktgeber als zstl.Input
  4. Haltstufe
  5. A/D-Wandler

Blockschaltbild Digital -> Analog

  1. D/A Wandler
  2. Deglitcher
  3. Tiefpaß
  4. Operationsverstärker

Nachteile A/D - Wandlung

  • Begrenzter Signalraum (Clipping)
  • Datenverlust
  • Zeitdiskret
  • Wertediskret

Vorteile A/D - Wandlung

  • Verlustfrei Kopierbar
  • Verlustfrei Speicherbar
  • keine Übertragungsverlust
  • Möglichkeit zur Fehlerkorrektur
  • Möglichkeit zur Datenkomprimierung
  • Möglichkeit zur nicht-linearen Datenverarbeitung

Erläutern Sie den Quantisierungsvorgang

Das Abtasten eines zeit- und wertekontinuierlichem Signals nennt man Quantisierung

Der Vorgang der Quantisierung ist nicht linear und nicht umkehrbar

Hierbei wird die zunächst Abtastrate und die Anzahl der Quantisierungsstufen festgelegt.

In Abhängigkeit der Quantisierungsstufen entsteht dabei ein Fehler, der sich als Quantsierungsrauschen repräsentiert.

Für die Abtastrate muss das Shannon-Theorem eingehalten werden um Aliasing zu vermeiden. Dieses besagt das die Abtastfrequenz mehr als doppelts so groß sein sollte wie die maximal auftretende Frequenz des abzutastenden Signals.
Hat man Abtastrate und Quantisierungstufen gewählt, tastet man das Signal mit der Abtastfrequenz ab und rundet die Werte an den Messpunkten auf die nächste Quantisierungsstufe.

Wichtige Kenngrößen:

  • Anzahl Quantisierungsstufen
  • Wortbreite ( Anzahl der Bits zur Darstellung der Quantisierungstufen)
  • Abtastrate

Beschreiben Sie die Quantisierungkennlinie

grafischer Zusammenhang zwischen Eingangssignal (Analog) und Ausgangssignals

  • linear
    • gleich breite Stufen
  • nicht linear
    • unterschiedliche Stufenbreiten
    • z.b. angepasste an die subjektive Wahrnehmung des Gehörs

MPEG1 Layer2 – Erläutere die Audiodatenkompression schrittweise anhand eines Blockschaltbildes

  1. Eingangssignal 48 kHz/16Bit
    • Weg 1
      1. Aufteilung in 32 Teilbänder á 750 Hz
      2. Bestimmung Skalenfaktoren
    • Weg 2
      1. FFT für 1024 Abtastwerte
      2. Anwendung der Skalenfaktoren auf das Psychoakustische Modell
    • Vereinung
      1. Jedes Teilband erhält spezifische Quantisierungstufen
      2. Bit Packing und Codierung der Zusatzdaten

MPEG1 Layer3 – Erläutere die Audiodatenkompression schrittweise anhand eines Blockschaltbildes

  • Weg 1
    1. Zerlegung in 32 Teilbänder
    2. Durchführung der MDCT
      • Zerteilung in 576 Bänder und 26 ms langen Blöcken
  • Weg 2
    1. FFT für 1024 Abtastwerte
    2. Anwednung Psychoakustisches Modell auf jeden Block
  • Vereinung
    1. Nichtlineare Quantisierung und Steuerung der Bitrate für jeden Block
    2. Huffmann Codierung und Codierung der Nebeninformationen

Welche Eigenschaften der menschlichen visuellen Wahrnehmung macht man sich bei der Video-Datenkompression zunutze?

Frequenzabhängikeit des visuellen Systems

niedrige Auflösung der Farbwarhnehmung

Encoder - MPEG – Erläutere die Videodatenkompression schrittweise anhand eines Blockschaltbildes des Encoders

  • Zentrales Element : JPEG Kodierung
    • DCT
    • Quantisierung
    • VLC ( Huffman/ZigZag-Scan)
  • Bildspeicher
    • enthält vorangegangenes Bild für Differenzbild-Bildung
  • Prädiktion
    • wird druch eine Bewegungsvektorenschätzung unterstützt
    • Bewegungsvektoren werden mit übertragen
    • Bildumsortierung für Bewegungsvektorenschätzung notwendig
    • Puffer zur Steuerung der Datenrate
  •  

Decoder - MPEG – Erläutere die Videodatenkompression schrittweise anhand eines Blockschaltbildes des Decoders

  • Puffer um variable Datenraten an den Demuxer weiterzugeben
  • Demuxer trennt Bilddaten von Zusatzdaten
  • inverse VLC (VLD) .inverse Quantisierung und Inverse DCT
    • man erhält Bildinformation im Ortsbereich
  • Mittels Bewegungsvektoren werden Vorhersagewerte ermittelt und aufaddiert
  • Umsortierung für richtige Anzeige

JPEG – Erläutere die Bilddatenkompression schrittweise anhand eines Blockschaltbildes der JPEG-Codierung

  • Blockscanning
    • Unterteilung in makro blöcke
  • DCT
    • Umwandlung von Frequenz zu Ortsbereich
  • Quantisierung
    • Entfernen von nicht notwendigen Frequenzen
  • Zig-Zag-Scan
    • Niedrige Frequenzen werden als erstes gespeichert
  • VCL
    • Huffman-Codierung

MPEG2-Multiplexer - Erkläre die Funktion eines MPEG2-Multiplexers anhand eines Blockschaltbildes.

Zusätzlich zu den Bilddaten müssen noch Zusatzinformationen übertragen werden. Dafür gibt es den Multiplexer.

  • Taktrückgewinnung im Decoder
  • Synchronität
  • zusatz Infos ( Programm, Crypto)

 

  • Audio-, Video-, und Zusatzdaten werden in Packets unterteilt und mit Steuerinformationen versehen (PES)
  • PES werden in kleine Pakete zerlegt und zu Transport Stream oder einem Program Stream gemultiplext

Unterschied Transport- und Programstream

Transportstream:

  • mehrere verschiedene Zeitbasen möglich
  • Geeignet für gestörte Kanäle (Satellit)
  • feste Packetlänge

Programstream:

  • gemeinsame Zeitbasis
  • nur in nahezu ungestörten Kanälen ( HDD)
  • variable Packetlänge

Welcher Streamtyp wird für den DVB Standard verwendet?

Transportstream

Wie wird die Synchronisation von Audio- und Videodaten zwischen Encoder und Decoder sichergestellt?

über die relativen zeitangaben in den Packet

Program Clock Reference und System Time Clock werden alle 0.1s abgeglichen

 

MPEG2 - Datenmultiplexer - Erkläre die Funktion eines MPEG2-Multiplexers anhand eines Blockschaltbildes.

  • Audio-, Video- und Zusatzdaten werden in Packets unterteilt und mit Steuerinformationen versehen
  • Die unterschiedlichen PES werden in kleinere Pakete zerlegt und
    anschließend zu einem Transport Stream (TS) oder einem Program
    Stream (PS) gemultiplext.
  • Beim digitalen Fernsehen über Satellit, Kabel und terrestrische Sender
    nach dem DVB-Standard wird der MPEG 2 Transport Multiplex
    verwendet

 

Was für Messverfahren existieren grundsätzlich? (objektiv/ subjektiv)

Objektiv

  • Video Quality Rating
    • Double Stimulus Conitinuous Quality Scale
    • Single Stimulus Continuous Quality Scale

Subjektiv

  • Mean Opinion Score

Was ist die Problematik von Werten wie PSNR und MSE in der Messtechnik?

Die Parameter PSNR und MSE liefern keine direkte Aussage über die subjektive Bildqualität

  • Übereinstimmung von subjektiver Bildqualität und PSNR liegt nur bei ca. 80%

Was wird statt PSNR und MSE unternommen um die Bildqualität zu beurteilen?

Um möglichst identische Ergebnisse von objektiven Messverfahren und subjektiven Qualitätsbeurteilungen zu erreichen, versucht man, die Eigenschaften des menschlichen Sehsinnes in einem Human Visual System (HVS) nachzubilden

Dieses liefert mttels VQR einen Meaon Opinion Score predicted welcher mit dem reellen MOS verglichen wird

Welche zwei Formen von Tests lassen sich für MPEG2 Transport Streams unterscheiden?

  • Conformance Test
    • Überprüfung des Aufbaus und aller Elemente des Transport Stream auf Einhaltung der Spezifikation, ISO 13818 Part 4.
  • Health Check
    • Überprüfung wichtiger Parameter während des laufenden Betriebes (monitoring) unter normalen Betriebsbedingungen (quasi-fehlerfreier TS)

Die DVB-Measurement Group hat drei Gruppen von Systemstests nach Wichtigkeit definiert.

Welche Eigenschaften bzw. Fehler werden in Gruppe 1 geprüft?

Welche in der 2. und 3. Gruppe?

1. Gruppe

  • Synchronisation
  • Übertragungsfehler
  • Fehler in der Zusammensetzung des TS

 2. und 3. Gruppe

  • Einhaltung der Wiederholraten
  • Existenz der unterschiedlichen Elemente
  • Abweichungen in den Zeitwerten

Was für Fehlerarten gibt es?

Bitfehler

  • einzeln auftretende Fehler in einem Bitstrom
    • Entstehung durch Rauschen

Burstfehler/Bündelfehler

  • ein n Bit Burstfehler ist definiert durch einen Block der Länge n Bit, von dem mindestens das erste und letzte Bit falsch ist. Einzelne Bits innerhalb des Blocks müssen nicht falsch sein.
    • entstehen z. B. durch Fadingeinbrüche, Brückendurchfahrten…

Symbolfehler

  • bezeichnet ein verfälschtes Symbol der Länge von k Bit (z. B. 8 Bit od. 1 Byte). Innerhalb des Symbols können bis zu k Bitfehler auftreten

Bei Kenntnis der auftretenden Fehlerarten eines Übertragungskanals können Codes konstruiert werden, die die auftretenden Fehler besonders gut korrigieren können

Welche Begriffe und Definitionen gibt es in den Fehlerkorrekturverfahren?

Bitfehlerrate (Bit Error Rate BER)

  • bezeichnet die Häufigkeit der fehlerhaft empfangenen Bits im Verhältnis zur Gesamtzahl der empfangenen Bits

Symbolfehlerrate (Symbol Error Rate SER)

  • bezeichnet die Häufigkeit der fehlerhaft empfangenen Symbole im Verhältnis zur Gesamtzahl der empfangenen Symbole

Automatic Repeat Request (ARQ)

  • erkennt der Empfänger bei der Übertragung einen Fehler, so bittet er den Sender um Wiederholung (nur bei bidirektionalen Kommunikations systemen möglich
    • für die meisten Rundfunkanwendungen nicht möglich

Forward Error Correction (FEC)

  • ermöglicht dem Empfänger das Erkennen und Korrigieren von Übertragungsfehlern

Erkläre das Konzept des Fehlerschutzes bei der Übertragung von TV-Signalen nach dem DVB-Standard anhand eines Blockschaltbildes.

Erkläre die grundsätzliche Funktionsweise von Block- und Faltungscodes.

Blockcode

  • Datenstrom wird in feste Blöcke der Länge m aufgeteilt (m = Anzahl der Symbole)
  • Symbole können aus einem Bit (Binärcodes)  od. mehreren Bits (mehrwertige Codes,Symbolcodes) bestehen
    • besonders geeignet zur Korrektur von Symbolfehlern

Faltungscode

  • Keine Aufteilung in Blöcke fester Längen
  • Eingangsinformation wird über mehrere Ausgangsdaten „verschmiert“
    • besonders geeignet zur Korrektur von einzelnen Bitfehlern

Was ist Interleaving?

Beim Interleaving wird die Nachricht ni Bläcke unterteilt und zuerset der erste Bit aller Blöcke übertragen, dann der zweite usw.

Dadurch werden eigentliche Burstfehler auseiandergezogen und werden so korrigierbar durch andere Verfahren.

Vorteile

  • Keine Übertragung zusätzlicher Daten
  • Schtutz vor Burstfehler

Nachteil

  • höhere Latenz
  • ausreichend Puffer notwendig

Was ist ein NRZ-Basisbandsignal und welche Rolle spielen die 1. und 2. Nyquist-Bedingung bei der Übertragung?

1er und 0er können nicht ideal übertragen werden. Deswegen muss ein zeitkontinuierliches Signal gefunden werden das eine beliebige Bitfolge abbildet und eindeutig auswertbar macht.

Dafür wird mittels einem Halteglied eine Folge von Dirac-Impulse erzeugt und anschließend entsprechend gefiltert. Durch diese Filterung kann es zu Intersymbol Interferenzen an den Abtastzeitpunkten kommen. Daher wird eine Bandbegrenzung bei halber Taktfrequenz  durchgeführt wodurch Signalimpulse enstehen die bei den Nachbarabtastzeitpunkten 0 durchgänge besitzen

 

1. Nyquistbedingung besagt das zu den Abtastzeitpunkten die Nachbarfrequenzen einen 0-Durchgang erreichen müssen

2. Nyquistbedingung sagt das zwischen 2 Abtastzeitpunkten die Amplitude, der Amplitudenwert die halbe Grundschwinungsamplitude besitzen muss

Was ist die Konsequenz aus der 2. Nyquistbedingung und wie wird in der Praxis damit umgegangen?

Die Konsequenz ist eine cos-förmiger Frequenzgang-Abfall.

In der Praxis wird dies durch eine Überlagerung von zwei Teilfiltern erreicht ( Sender- und Empfängerseite)

Hierbei wird die auf dem Übertragungsweg hinzugekommene Rauschleistung begrenzt und der SNR maximeirt

Was ist der Unterschied zwischen unipolarer und bilpolarer Übertragung?

bipolarer

min : –A

max: +A

unipolarer

min: 0

max.: A

Unterschied QAM und QPSK

QPSK

  • Phasenverschiebung

QAM

  • Phasenverschiebung
  • Amplitudenmodulation

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