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Michael Czechowski 81156284ac update 223015b chapter 1: new slides, speaker notes, abbreviation fixes

- add download/upload speed slides with ADSL/FTTH context
- add quiz slide (250 Mbit/s → MB/min)
- add analog vs. digital and sampling slides
- add cd-audio vertiefung (erklaerung slide)
- expand "was sind daten?" with content
- expand speaker notes with sources and terminology (DE/EN)
- resolve all abbreviations in speaker notes: FTTH, ITU, NTSC, PAL, NHK, IEC
- fix typo: "eie" → "eine" binärdatei
- fix spelling: "spektrogram" → "spektrogramm"
- update zettabyte example and 181 ZB as projection not fact

2026-04-16 18:10:00 +02:00

50 KiB

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true	gaia	true		Dateiformate, Schnittstellen, Speichermedien & Distributionswege (223015b)	Michael Czechowski – HdM Stuttgart – SoSe 2026	Dateiformate, Schnittstellen, Speichermedien & Distributionswege

Dateiformate, Schnittstellen, Speichermedien & Distributionswege

223015b · Modul "Technik 1" · 1. Semester Digital- und Medienwirtschaft Hochschule der Medien Stuttgart

https://librete.ch/hdm/223015b/

Teil 1: Einführung

Grundlagen, Text & Audio

Was sind Daten?

Was sind (digitale) Daten?

Text — Artikel, Gesetzestext, Chat → .txt .docx .pdf
Bild — Foto, Screenshot, Logo → .jpg .png .svg
Audio — Song, Podcast, Sprachmemo → .mp3 .wav .flac
Video — Reel, Film, Stream → .mp4 .mov .mkv

Was sind (digitale) Daten?

Text — Artikel, Gesetzestext, Chat → .txt .docx .pdf
Bild — Foto, Screenshot, Logo → .jpg .png .svg
Audio — Song, Podcast, Sprachmemo → .mp3 .wav .flac
Video — Reel, Film, Stream → .mp4 .mov .mkv

Alles davon: Am Ende nur Nullen und Einsen

Download: Was bedeuten 150 Mbit/s?

1 Byte = 8 Bit → MB/s = Mbit/s ÷ 8

Vertrag	MB/s	1 GB Film
16 Mbit/s (ADSL)	2 MB/s	~8 Min
50 Mbit/s (ADSL)	6,25 MB/s	~2,7 Min
150 Mbit/s (ADSL)	18,75 MB/s	~54 Sek
1 Gbit/s (Glasfaser)	125 MB/s	~8 Sek

Wie viele Megabyte können bei einer 250 Mbit/s Leitung pro Minute herunterladen werden?

A) 1,8 GB
B) 31,25 MB
C) 1.875 MB
D) 250 MB

Upload: Der stille Flaschenhals

ADSL = Asymmetric Digital Subscriber Line

Vertrag	Download	Upload
16 Mbit/s DSL	16 Mbit/s	1 Mbit/s
50 Mbit/s DSL	50 Mbit/s	10 Mbit/s
150 Mbit/s DSL	150 Mbit/s	40 Mbit/s
Glasfaser (FTTH)	1 Gbit/s	1 Gbit/s

50 MB Upload bei 10 Mbit/s = ~40 Sekunden

Analog vs. Digital

Analog: kontinuierlich — unendlich viele Zwischenwerte Digital: diskret — endlich viele Stufen

Analog (Vinyl): Die Rille ist die Schallwelle — physische Kopie in Geometrie Digital (CD): 44.100 Messpunkte pro Sekunde — Annäherung an die Welle

Sampling: Die Digitalisierung des Klangs

Ziel: Analoge Schallwelle möglichst originalgetreu rekonstruieren

Zwei Dimensionen:

Dimension	Bedeutung	CD-Standard
Abtastrate (Sample Rate)	Messpunkte pro Sekunde	44.100 Hz
Bittiefe (Bit Depth)	Genauigkeit pro Messung	16 Bit

Nyquist-Theorem: Abtastrate muss mindestens 2× die höchste darzustellende Frequenz betragen → 44.100 Hz ÷ 2 = 22.050 Hz (Mensch hört ~20 Hz–20.000 Hz)

Das Problem der Datengröße

Ein konkretes Beispiel

Eine Minute Musik in CD-Qualität:

44.100 Messungen/Sekunde × 16 Bit pro Messung × 2 Kanäle (Stereo) × 60 Sekunden

= 10,6 MB pro Minute

CD-Audio – Vertiefung

Die CD (1982) war nicht das erste digitale Audiomedium — PCM-Aufnahmen existierten seit den späten 1960ern in Tonstudios (u.a. NHK, Nippon Columbia). Die CD war das erste massenmarktfähige digitale Distributionsmedium für unkomprimiertes Audio in Konsumentenhänden.

Warum 44.100 Hz? Kombination aus Nyquist-Limit (2× 20 kHz = 40 kHz Minimum) und Kompatibilität mit Videobandgeräten, die in frühen digitalen Tonstudios als Speichermedium genutzt wurden. NTSC: 3 Samples × 245 Zeilen × 60 Felder = 44.100. PAL: 3 Samples × 294 Zeilen × 50 Felder = 44.100.

Warum 16 Bit? 96 dB Dynamikumfang übersteigt den des menschlichen Gehörs unter realen Hörbedingungen (~80–90 dB). Kompromiss zwischen Qualität und Speicherbedarf auf der physischen Disc.

Das Problem skaliert

Inhalt	Unkomprimiert
1 Song (4 Min)	~42 MB
1 Album (60 Min)	~635 MB
10.000 Songs	~420 GB

Kontext 1990er:

Festplatte: 100–500 MB
56 kbit/s Model → Einfache Songs laden Stunden

Video eskaliert

Eine Minute 4K-Video (unkomprimiert):

3840 × 2160 Pixel × 3 Byte pro Pixel (RGB) × 30 Bilder pro Sekunde × 60 Sekunden

= ~45 GB pro Minute

Ein 2-Stunden-Film: über 5 Terabyte

Artemis II orbitiert

	Apollo (1969)	Artemis II (2026)
Bandbreite	~50 kbit/s	260 Mbit/s
Video	SW, ~320 Zeilen	HD live, 4K gespeichert
Codec	analog	H.265 (HEVC)

260.000.000 Bit/s ÷ 8 (Bit pro Byte) = 32,5 MB/s × 60 Sekunden = 1,95 GB pro Minute

Apollo: 50 kbit/s = 0,375 MB/min

Kompressionsraten in der Praxis

Medium	Unkomprimiert	Komprimiert	Faktor
1 Song (4 Min)	~42 MB	~4 MB (MP3 128)	~10×
1 Foto (12 MP)	~36 MB	~3 MB (JPEG)	~12×
1 Min 4K-Video	~45 GB	~375 MB (H.264)	~120×

Zwei Arten der Kompression

Verlustfreie Kompression (Lossless)

Prinzip: Redundanz entfernen

Beispiel Lauflängenkodierung (Run-Length-Encoding):

Original:    AAAAABBBCCCCCCCC (16 Zeichen)
Komprimiert: 5A3B8C            (6 Zeichen)

→ 62% kleiner, 100% wiederherstellbar

Anwendung:

ZIP-Archive, PNG-Bilder, FLAC-Audiodateien, RAW-Dateien, Programmcode

Verlustbehaftete Kompression (Lossy)

Prinzip: Irrelevanz entfernen → Warum Daten speichern, die niemand wahrnimmt?

Verlustbehaftete Kompression (Lossy)

Prinzip: Irrelevanz entfernen → Warum Daten speichern, die niemand wahrnimmt?

Die Frage: Was nimmt ein Mensch eigentlich (nicht oder sehr schlecht) wahr?

Das Ohr hört nicht alle Frequenzen (hohe und tiefe Töne) gleich gut
Das Auge sieht nicht alle Farbnuancen gleich scharf
Laute Töne überdecken leise Töne (Maskierung)
Luminanz (Helligkeit/Dunkelheit) besser erkennen als Chrominanz (Farbunterschiede)
und Vieles mehr

Verlustfrei vs. Verlustbehaftet

	Verlustfrei (Lossless)	Verlustbehaftet (Lossy)
Prinzip	Redundanz entfernen	Irrelevanz entfernen
Reversibel	Ja	Nein (Information unwiederbringlich verloren)
Reduktion	30–50%	80–99%
Formate	ZIP, PNG, FLAC, GIF	JPEG, MP3, H.264/H.265

Faustregel:

Medien für EndnutzerInnen (Ton, Bild, Film) → Lossy oft akzeptabel
Quellmaterial, Code, Archive (RAW) → Lossless nötig

Kompression – Vertiefung

Claude Shannon definierte 1948 die Entropie als theoretische Untergrenze der Kompression. Ein Text mit gleichmäßiger Zeichenverteilung hat hohe Entropie (schwer komprimierbar); repetitive Texte haben niedrige Entropie.

Verlustfreie Kompression erreicht diese Grenze durch:

Statistische Kodierung: Huffman, Arithmetic Coding
Wörterbuch-Methoden: LZ77, LZ78, DEFLATE (ZIP, PNG, TAR)
Originalzustand ist exakt rekonstruierbar

Verlustbehaftete Kompression unterschreitet die Grenze, indem sie menschliche Wahrnehmungsgrenzen ausnutzt:

Sinneskanal	Psychophysisches Modell	Ausnutzung
Gehör	Maskierungseffekte, Hörschwelle	MP3: Töne unter Maskierungsschwelle weglassen
Sehen	Farbauflösung, Kontrastempfindlichkeit	JPEG: Chroma-Subsampling, hohe Frequenzen verwerfen

Shannon-Limit: Verlustfreie Kompression ist durch Entropie begrenzt; Verlustbehaftete Kompression kann beliebig weit gehen — auf Kosten der Qualität.

Alltagsbeispiele für Kompression sammeln
Wie sieht Kompression aus, wenn man es visualisieren würde? Eine Maske, hinter der nichts zu sehen ist?

Die Grundbausteine

Bits, Bytes und ihre Darstellung

Das Bit

Kleinste Informationseinheit

0 oder 1
AN oder AUS
Strom fließt oder nicht
Schwarz oder Weiß
Richtig oder Falsch

Das Byte

1 Byte = 8 Bits

0 0 1 0 1 0 1 0

Das Byte

1 Byte = 8 Bits

0 0 1 0 1 0 1 0

Das Byte als Dezimalzahl

1 Byte (1B) = 8 Bits (8b)

0 0 0 0 0 0 0 0   ->   0

0 0 0 0 0 0 0 1   ->   1

0 0 0 0 0 0 1 0   ->   2

0 0 0 0 0 0 1 1   ->   3

0 0 0 0 0 1 0 0   ->   4

0 1 0 0 0 0 0 0   ->   64

0 1 1 1 1 1 1 1   ->   127

1 1 1 1 1 1 1 1   ->   ?

»256 Shades of Gray«

Was kann man mit 256 Zuständen machen?

256 Zeichen (Buchstaben, Zahlen, Symbole)
256 Helligkeit bzw. Luminanz (0 = Schwarz/Dunkel, 255 = Weiß/Hell)
256 Lautstärkestufen
Zahlen 0–255 (oder –128 bis +127)

Farben: RGB-Modell

1 Pixel = 3 Bytes

Rot: 0–255
Grün: 0–255
Blau: 0–255

Beispiele: FF 00 00 = Rot 00 FF 00 = Grün 00 00 FF = Blau 00 00 00 = Schwarz FF FF FF = Weiß

Das Problem: Sprachen

Die Welt hat mehr als 256 Zeichen!

Englisches Alphabet: 52 (A–Z, a–z)
- Ziffern: 10 (0–9)
- Sonderzeichen: ~30

≈ 90 Zeichen passen problemlos in 1 Byte

Jedoch ohne ä, ö, ü, ß, é, à, ç, α, β, 中, 日, 🌸

Unicode: Ein Standard für alle

Unicode (1991): Jedes Schriftsystem der Welt

>150.000 Zeichen:

Latein, Kyrillisch, Arabisch, Chinesisch, Japanisch...
Mathematische Symbole, Emoji, historische Schriften

UTF-8: Variable Länge (1–4 Bytes pro Zeichen)

Zeichen 0–127: identisch mit ASCII (Abwärtskompatibilität!)
1.112.064 gültige Codepunkte
Umlaute: 2 Bytes · CJK: 3 Bytes · Emoji: 4 Bytes

Beispiel: Bytes zählen

Text: "Hello·🌸·こんにちは·(Kon-ni-chi-wa)"

Zeichen	Bytes
`Hello·`	6 × 1 = 6 Bytes (ASCII)
`🌸`	4 Bytes (Emoji)
`·`	1 Byte
`こんにちは`	5 × 3 = 15 Bytes (Hiragana)
`·(Kon-ni-chi-wa)`	16 Bytes (ASCII)

Gesamt: 42 Bytes für 29 sichtbare Zeichen

Hexadezimal

Die Sprache der Datei-Analyse

Hexadezimal: Lesbarkeit

Für den Menschen ungeeignet: 01010000 01001110 01000111

Hexadezimal (Base 16): 50 4E 47 (= "PNG" in ASCII)

Jede Hex-Ziffer = 4 Bits (ein "Nibble") 0–9, A–F (10=A, 11=B, ..., 15=F)

5 = 0101 0 = 0000 4 = 0100 E = 1110 4 = 0100 7 = 0111

ASCII Tabelle (0–127): https://www.asciitable.com

ASCII

One Zeichensatz to rule them all

WTF!?

89 50 4E 47 0D 0A 1A 0A
00 00 00 0D 49 48 44 52
00 00 01 90 00 00 01 2C

What the HEX-Code

89 50 4E 47 ...

Binär	Hex	Dez	ASCII
`1000 1001`	`89`	137	✗ (> 127)
`0101 0000`	`50`	80	P
`0100 1110`	`4E`	78	N
`0100 0111`	`47`	71	G

→ 89 übersteigt den ASCII-Raum und markiert eine Binärdatei

Magic Numbers

Dateityp-Identifikation durch erste Bytes

Format	Magic Number (Hex)	Lesbar?
PNG	`89 50 4E 47`	✗ P N G
JPEG	`FF D8 FF`	✗ ✗ ✗
PDF	`25 50 44 46`	% P D F ✓
ZIP	`50 4B 03 04`	P K ✗ ✗

Wichtig: ASCII = nur 0–127! Werte darüber (z.B. 89 = 137) sind nicht druckbar (non-printable). Hex-Editoren zeigen dafür . oder ÿ als Platzhalter.

Dateneinheiten

Einheit	Bytes	Potenz	Beispiel
Byte	1	10⁰	Farbwert eines Pixels
Kilobyte (KB)	1.000	10³	Kleiner Programmcode
Megabyte (MB)	1 Million	10⁶	Textdokument
Gigabyte (GB)	1 Milliarde	10⁹	Kinofilm in FullHD
Terabyte (TB)	1 Billion	10¹²	~12h Video in 4K
Petabyte (PB)	1 Billiarde	10¹⁵	Netflix-Gesamtarchiv
Exabyte (EB)	1 Trillion	10¹⁸	Alle E-Mails weltweit/Tag
Zettabyte (ZB)	1 Trilliarde	10²¹	Globale Datenmenge 2025

Dateneinheiten – Vertiefung

Zwei konkurrierende Standards existieren seit der IEC-Normierung 1998:

Präfix	SI (Dezimal)	IEC (Binär)	Differenz
Kilo	1.000 (10³)	1.024 (2¹⁰) KiB	2,4%
Mega	1.000.000 (10⁶)	1.048.576 MiB	4,9%
Giga	10⁹	2³⁰ GiB	7,4%
Tera	10¹²	2⁴⁰ TiB	10%

Warum der Unterschied wächst: (2¹⁰)ⁿ ÷ (10³)ⁿ = 1,024ⁿ. Bei Terabyte sind es bereits 10% Abweichung.

Festplatten-Marketing: Hersteller nutzen SI (dezimal), Betriebssysteme zeigen IEC (binär). Eine „1 TB"-Festplatte zeigt daher nur 931 GiB an — technisch korrekt, aber verwirrend.

Historischer Kontext: RAM wurde immer binär gemessen (2ⁿ Adressen), Festplatten ursprünglich dezimal (physikalische Geometrie). Die IEC führte 1998 KiB/MiB/GiB ein — diese Notation setzt sich langsam durch.

Datenwachstum der Menschheit

Jahr	Datenmenge	Kontext
100.000 v. Chr.	0	Erste Menschen, nur Sprache
3.000 v. Chr.	~wenige KB	Keilschrift, Hieroglyphen
1450	~wenige GB	Gutenberg, Buchdruck
1986	2,6 EB	99% analog (Bücher, Vinyl, VHS)
2007	295 EB	94% digital
~2025	~175–181 ZB	Prognose (IDC DataSphere Forecast, 2021)

Der digitale Wendepunkt

Jahr	Analog	Digital	Digital-Anteil
1986	2,6 EB	0,02 EB	1%
2002	—	—	50% (Wendepunkt)
2007	18 EB	277 EB	94%

Perspektive:

1986: "Petabyte" war ein theoretisches Konzept
Magnetband lebt: LTO-Tapes bleiben günstigstes Archivmedium (AWS Glacier, Film-Archive, Rechenzentren)

Digitaler Wendepunkt – Vertiefung

Die Studie von Hilbert & López (Science 332, 2011) analysierte 60 Speichertechnologien von 1986–2007. Der Wendepunkt 2002 markiert den Moment, ab dem mehr Information digital als analog existierte.

Was 1986 „analog" bedeutete:

Bücher, Zeitungen, Magazine: ~8 EB
Vinyl-Schallplatten, Musikkassetten: ~12 EB
VHS-Kassetten, Filmrollen: ~60 EB

Warum analog stagnierte: Physische Medien haben Kapazitätsgrenzen. Eine VHS speichert ~10 GB; eine Blu-ray (2006) bereits 50 GB auf kleinerer Fläche.

LTO-Magnetband überlebt trotz „alter" Technologie:

Medium	Kosten/TB	Lebensdauer	Energiebedarf
SSD	~50 €	5–10 Jahre	Dauerstrom
HDD	~15 €	3–5 Jahre aktiv	Dauerstrom
LTO-9	~5 €	30+ Jahre	Nur beim Zugriff

AWS Glacier, Google Coldline und Film-Archive nutzen LTO — langsamer Zugriff, aber unschlagbar günstig und langlebig.

181 Zettabyte – Was bedeutet das?

Prognose 2025: Welt erzeugt ca. 175–181 ZB pro Jahr

1 ZB = 250 Milliarden DVDs
29 Terabyte pro Sekunde (Hochrechnung)

Zum Vergleich:

2007: 295 Exabyte (Hilbert & López, Science 2011)
2020: ~64 Zettabyte (IDC)
~2025: ~175–181 ZB (IDC DataSphere Forecast, Prognose von 2021)

AI-generierte Inhalte 2025

Wie viel Content ist heute synthetisch?

Bereich	AI-Anteil
Neue Webseiten	~74% enthalten AI-Content
Web-Text gesamt	~30–40% AI-generiert
Neue Artikel	~52% von AI geschrieben
Social-Media-Bilder	~71% AI-generiert

Prognose 2026: 90% des Online-Contents synthetisch

Teil 2: Die MP3-Revolution

Psychoakustik & Audio-Kompression

Analoge Medien

Distribution: physisch (Kauf, Verleih, Kopie)

Text
- Bücher, Zeitungen, Zeitschriften, Lochkarten
Bild
- Fotografie (Negativ, Dia, Polaroid), Mikrofilm
Audio:
- Schallplatte (Vinyl, Schellack), Tonband, Musikkassette
Video:
- Film (35mm, Super 8), VHS, Betamax

Analoge Medien – Vertiefung

Analoge Speicherung codiert Information als kontinuierliche physikalische Größe: Rillentiefe (Vinyl), Magnetfeldstärke (Tonband), Silberkorn-Dichte (Film). Es gibt keine diskreten Stufen — theoretisch unendliche Auflösung, praktisch begrenzt durch Rauschen.

Generationsverlust entsteht, weil jede Kopie neues Rauschen addiert:

Schallplatte → Kassette: Frequenzgang leidet, Rauschen steigt
VHS → VHS: Farbsättigung sinkt, Schärfe nimmt ab
1. Generation: oft unbrauchbar

Medium	Typische Auflösung	Dynamik
Vinyl (audiophil)	~20–20.000 Hz	~70 dB
Tonband (Studio)	~30–15.000 Hz	~55 dB
35mm Film	~4K-äquivalent	~13 Blendenstufen

Paradox der Analogtechnik: Das Original ist einzigartig und unersetzlich — aber genau deshalb anfällig. Jedes Abspielen einer Schallplatte trägt mikroskopisch Material ab; jeder Filmdurchlauf riskiert Kratzer.

Analoge Medien: Vor- und Nachteile

Vorteile	Nachteile
Kein Abspielgerät nötig (Buch, Foto)	Qualitätsverlust bei jeder Kopie
Haptisches Erlebnis	Physischer Verschleiß
Unabhängig von Strom/Internet	Begrenzte Haltbarkeit
Keine Formatkonvertierung	Platzbedarf bei Lagerung
Eindeutiges Original	Aufwendige Durchsuchbarkeit

Von Analog zu Digital: Die Kopier-Revolution

Das Problem analoger Kopien: Kassette → Kassette → Kassette = immer schlechter

Was Digital anders macht:

Identische Kopien — kein Qualitätsverlust, nie
Einfache Massenproduktion — Copy & Paste
Perfekte Archivierung — Bits verändern sich nicht

Daher: "Raubkopien" Der Begriff entstand, weil digitale Kopien tatsächlich identisch mit dem Original waren — nicht wie bei Kassetten eine schlechtere Version.

Quelle: c64-wiki.de/wiki/Raubkopie

Digitale Medien

Distribution: Datenträger (CD, USB), Download, Streaming, P2P

Text
- E-Book (PDF, EPUB), Dokumente (TXT, DOCX)
Bild
- Digitalfoto (JPEG, PNG, RAW, WebP, GIF)
Audio
- Audiodatei (MP3, FLAC, WAV, AAC, OGG)
Video
- Videodatei (MP4, MKV, AVI, WebM)

Digitale Medien – Vertiefung

Digitale Speicherung quantisiert kontinuierliche Signale in diskrete Werte. Der Quantisierungsfehler (Differenz zum Original) ist der Preis der Digitalisierung — aber einmal digitalisiert, bleibt die Information exakt.

Bit-identische Kopien revolutionierten die Medienindustrie:

Keine Qualitätskette mehr: 1000. Kopie = 1. Kopie = Original
Kosten pro Kopie: praktisch null (nur Speicherplatz)
Perfekte Archivierung: Bits altern nicht (nur der Datenträger)

Aspekt	Analog	Digital
Kopiervorgang	Physikalischer Prozess	Bit-Kopie
Qualität pro Generation	Verschlechtert	Identisch
Fehlerkorrektur	Unmöglich	Möglich (ECC, RAID)
Formatmigration	Verlust	Verlustfrei möglich

Die Kehrseite: Digitale Obsoleszenz. Ein DOCX von 2025 ist in 50 Jahren womöglich unlesbar — während ein Buch von 1525 heute noch lesbar ist. Offene Formate (PDF/A, FLAC, PNG) mildern dieses Risiko.

Digitale Speichermedien

Optische Speicher
- CD, DVD, Blu-ray
Magnetische Speicher
- Festplatte (HDD), Magnetband (LTO)
Flash-Speicher
- SSD, USB-Stick, SD-Karte
Cloud-Speicher
- Dropbox, Google Drive, iCloud, AWS S3

Digitale Speichermedien – Vertiefung

Jede Technologie hat physikalische Vor- und Nachteile:

Optisch (CD/DVD/Blu-ray): Laser liest Pits (Vertiefungen) und Lands (Erhöhungen). Robust gegen Magnetfelder, aber empfindlich gegenüber Kratzern und UV-Licht. M-DISC verspricht 1000 Jahre — unter Laborbedingungen.

Magnetisch (HDD/LTO): Magnetisierte Bereiche auf rotierenden Platten oder Band. HDDs haben bewegliche Teile (Verschleiß); LTO-Bänder sind passiv und extrem langlebig, aber sequentieller Zugriff.

Flash (SSD/USB/SD): Elektronen in Floating Gates speichern Bits. Keine beweglichen Teile, aber begrenzte Schreibzyklen (TLC: ~3.000, SLC: ~100.000). Ohne Strom verlieren Zellen nach Jahren ihre Ladung.

Szenario	Empfehlung	Grund
Betriebssystem	NVMe SSD	Geschwindigkeit
Videoarchiv	HDD	Kapazität/Preis
Langzeitarchiv	LTO + M-DISC	Lebensdauer
Austausch	USB/SD	Portabilität

Cloud ist physisch HDD/SSD/LTO in Rechenzentren — kein eigenes Medium, sondern Zugriffsmethode.

Das Speicherproblem der Digitalisierung

Ziel: Analoge Schallwelle möglichst originalgetreu rekonstruieren

CD-Qualität (1982): 44.100 Hz × 16 Bit × 2 Kanäle = 10,584 MB/Minute

Inhalt	Größe	Problem (1990er)
1 Song (4 Min)	~42 MB	Ausreichend Speicher
1 Album (60 Min)	~635 MB	Gesamte Festplatte

Die Abtastrate (Sample Rate)

Analog → Digital ≙ Kontinuierlich → Diskret

Nyquist-Theorem:

Um eine Frequenz zu rekonstruieren, braucht man mindestens 2× so viele Samples. 44.100 Hz ÷ 2 = 22.050 Hz max. darstellbare Frequenz (Mensch hört: ~20 Hz bis ~20.000 Hz → passt!)

Die Bittiefe (Bit Depth)

Wie genau messen wir jeden Punkt?

Bittiefe	Stufen	Dynamikumfang
8 Bit	256	~48 dB
16 Bit (CD)	65.536	~96 dB
24 Bit (Studio)	16.777.216	~144 dB

16 Bit = 2¹⁶ = 65.536 Lautstärkestufen (von absoluter Stille bis maximaler Lautstärke)

Abtastrate (Sample Rate) × Bittiefe (Bit Depth)

Zwei Dimensionen der Digitalisierung:

Dimension	Was bedeutet es?	CD-Qualität
Abtastrate (Sample Rate)	Messungen pro Sekunde (horizontal)	44.100 Hz
Bittiefe (Bit Depth)	Genauigkeit pro Messung (vertikal)	16 Bit

44.100 Hz × 16 Bit × 2 Kanäle = 10,584 MB/Minute

Kompression

Weniger Daten, gleiche(?) Information

Wo liegt der Hebel für Kompression?

CD-Qualität: 44.100 Hz × 16 Bit × 2 Kanäle = 10,6 MB/Min MP3 (128 kbps): = ~1 MB/Min (Faktor 10!)

Container-Parameter (das Raster):

Parameter	Reduzieren →	Konsequenz
Abtastrate	Weniger Messpunkte/Sek	Max. Frequenz sinkt
Bittiefe	Weniger Lautstärkestufen	Mehr Rauschen
Kanäle	Mono statt Stereo	Kein Raumklang

Psychoakustik: Der MP3-Trick

Inhalt (was durchs Raster geht):

Methode	Reduzieren →	Konsequenz
Psychoakustik	Unhörbare Frequenzen	Kaum wahrnehmbar

→ MP3 nutzt hauptsächlich Psychoakustik → Container bleibt ähnlich, Inhalt wird "ausgedünnt"

Die Geburt der MP3

1982: Universität Erlangen-Nürnberg Karlheinz Brandenburg, Diplom-Ingenieur

1987: Fraunhofer IIS entwickelt MPEG-1 Audio Layer III

1988: Patentanmeldung

1992: Erste Software-Implementierung

1995: .mp3 Dateiendung offiziell

Karlheinz Brandenburg

"Vater der MP3"

Diplom-Ingenieur, Universität Erlangen-Nürnberg
Fraunhofer IIS (Institut für Integrierte Schaltungen)
Forschung ab 1982, Patent 1988

Suzanne Vega

"Tom's Diner" (1987)

Der erste Song, der als MP3 kodiert wurde
A cappella (keine Instrumente)
Klare, hohe Frequenzen
Perfekter Stresstest für Kompression
Brandenburg hörte "Tom's Diner" über 10.000 Mal

Wie funktioniert MP3?

Ein Zusammenspiel aus vielen Faktoren:

1. Frequenz-Analyse (FFT) Audio → Frequenzspektrum
2. Psychoakustisches Modell Welche Töne hört Mensch nicht?
3. Quantisierung Unwichtige Frequenzen reduzieren
4. Huffman-Coding Lossless-Kompression der Restdaten

Bitrate: Der Qualitäts-Knopf

Bitrate	Qualität	Kompression
128 kbps	Hörbar schlechter	~11x
192 kbps	Akzeptabel	~7x
256 kbps	Gut	~5,5x
320 kbps	"CD-Qualität"	~4,4x

Original CD: 1.411 kbps (unkomprimiert)

Der Patentkrieg

1990er: Fraunhofer + Thomson halten MP3-Patente

Lizenzgebühren:

$0,75 pro Decoder
$2,50 pro Encoder

Problem: Napster (1999) → unkontrollierte Verbreitung

2017: Patente laufen aus → MP3 ist frei

Napster (1999)

P2P-Filesharing für MP3s

Shawn Fanning, 19 Jahre alt
80 Millionen User in 2 Jahren
Musikindustrie verklagt (2001)
Pandora's Box: Nicht mehr aufzuhalten

Napster & Musikindustrie

1999: Napster startet 2001: 80 Millionen User

Musikindustrie:

CDs kosten $15–20
MP3s gratis (illegal, aber yolo)
Einzelne Songs statt Alben

2001: Napster wird verklagt und schließt

Aber: Pandora's Box offen → LimeWire, Kazaa, BitTorrent, später Spotify

Kulturelle Revolution

MP3 veränderte:

✓ Musik wurde portabel (Walkman → iPod) ✓ Alben wurden irrelevant (Playlists) ✓ Musikkonsum explodierte (kostenlos/billig) ✓ KünstlerInnen verloren Kontrolle

Aber auch: ❌ KünstlerInnen verdienen weniger pro Stream ❌ Audio-Qualität sank (Loudness War) ❌ Physische Medien starben

Fragen & Diskussion

Kontakt: lb-czechowski@hdm-stuttgart.de Folien: Online verfügbar unter https://librete.ch/hdm/223015b

Lizenz & Attribution

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Selbstlernen: Audio-Spektrogramm

Aufgabe (30 Min):

Live Spektrogramm untersuchen https://borismus.github.io/spectrogram/
Mit Effekten experimentieren https://audiomass.co/
Spektrogramme vergleichen Audacity (kostenloser Download nötig) https://manual.audacityteam.org/man/spectrogram_view.html

Selbstlernen: HEX Files

Drei Dateien ohne Dateiendung: hex1 hex2 hex3
Lies erste 16 Bytes aus und identifiziere Dateiformat (Magic Number)
Optional: Datei umbenennen und korrekte Dateiendung anhängen (bspw. .jpg)

Tools:

Hex-Editor: hexed.it
Magic Numbers: en.wikipedia.org/wiki/List_of_file_signatures

50 KiB Raw Blame History Unescape Escape

Dateiformate, Schnittstellen, Speichermedien & Distributionswege

Teil 1: Einführung

Grundlagen, Text & Audio

Was sind Daten?

Was sind (digitale) Daten?

Was sind (digitale) Daten?

Download: Was bedeuten 150 Mbit/s?

Wie viele Megabyte können bei einer 250 Mbit/s Leitung pro Minute herunterladen werden?

Upload: Der stille Flaschenhals

Analog vs. Digital

Analog vs. Digital

Sampling: Die Digitalisierung des Klangs

Das Problem der Datengröße

Ein konkretes Beispiel

CD-Audio – Vertiefung

Das Problem skaliert

Video eskaliert

Artemis II orbitiert

Kompressionsraten in der Praxis

Zwei Arten der Kompression

Verlustfreie Kompression (Lossless)

Verlustbehaftete Kompression (Lossy)

Verlustbehaftete Kompression (Lossy)

Verlustfrei vs. Verlustbehaftet

Kompression – Vertiefung

Die Grundbausteine

Bits, Bytes und ihre Darstellung

Das Bit

Das Byte

Das Byte

Das Byte

Das Byte als Dezimalzahl

Was kann man mit 256 Zuständen machen?

Farben: RGB-Modell

Das Problem: Sprachen

Unicode: Ein Standard für alle

Beispiel: Bytes zählen

Hexadezimal

Die Sprache der Datei-Analyse

Hexadezimal: Lesbarkeit

ASCII

One Zeichensatz to rule them all

WTF!?

What the HEX-Code

Magic Numbers

Dateneinheiten

Dateneinheiten – Vertiefung

Datenwachstum der Menschheit

Der digitale Wendepunkt

Digitaler Wendepunkt – Vertiefung

181 Zettabyte – Was bedeutet das?

AI-generierte Inhalte 2025

Teil 2: Die MP3-Revolution

Psychoakustik & Audio-Kompression

Analoge Medien

Distribution: physisch (Kauf, Verleih, Kopie)

Analoge Medien – Vertiefung

Analoge Medien: Vor- und Nachteile

Von Analog zu Digital: Die Kopier-Revolution

Digitale Medien

Distribution: Datenträger (CD, USB), Download, Streaming, P2P

Digitale Medien – Vertiefung

Digitale Speichermedien

Digitale Speichermedien – Vertiefung

Das Speicherproblem der Digitalisierung

Die Abtastrate (Sample Rate)

Die Bittiefe (Bit Depth)

Abtastrate (Sample Rate) × Bittiefe (Bit Depth)

Kompression

Weniger Daten, gleiche(?) Information

Wo liegt der Hebel für Kompression?

Psychoakustik: Der MP3-Trick

Die Geburt der MP3

Karlheinz Brandenburg

Suzanne Vega

Wie funktioniert MP3?

Bitrate: Der Qualitäts-Knopf

Der Patentkrieg

Napster (1999)

50 KiB

Raw Blame History