1. Übertragung der Bild- und Toninformation

1.1 Prinzip der Bildübertragung 

Fernsehen als ein Übertragungsverfahren der elektrischen Nachrichtentechnik, beruht auf der kontinuierlichen Umwandlung der Helligkeits- und Farbverteilung einer Bildvor­lage in ein entsprechendes elektrisches Signal, das leitungsgebunden oder auf dem Funk­weg dem Empfangssystem zugeführt und dort wieder in ein äquivalentes optisches Bild umgewandelt wird.

Sowohl von der Historie als auch von der Technik her baut das Fernsehen auf der Über­tragung und Wiedergabe von Schwarzweißbildern, also der Helligkeitsverteilung der Bildvorlage, auf. Über ein optisch-elektrisches Wandlersystem wird dazu von den einzel­nen Bildelementen, den Bildpunkten, nacheinander in bestimmter Folge ein elektrisches Signal erzeugt. Aus der zweidimensionalen geometrischen Zuordnung der Bildpunkte leitet sich so durch den Vorgang der Bildabtastung ein von der Zeit abhängiges Signal ab, dessen Momentanwert der Helligkeit des gerade abgetasteten Bildpunktes proportio­nal ist. Empfangsseitig wird nach entsprechender Aufbereitung das elektrische Signal einem elektrisch-optischen Wandler, der Fernsehbildröhre, zugeführt und als ein Abbild der Helligkeitsverteilung der Bildvorlage wiedergegeben (Bild 1.1). Eine kontinuierli­che Wiedergabe von bewegten Bildvorlagen erreicht man, wie beim Kinofilm, durch Übertragung einer entsprechenden Anzahl von Teilbildern.

 

 

 

Bildabtastung

Die Abtastung der Bildvorlage durch den Lesestrahl erfolgt zeilenweise von links nach rechts und von oben nach unten. Der Abtaststrahl wird dazu horizontal und vertikal abgelenkt. Der Vorgang läßt sich vergleichen mit der Bewegung des Gesichtsfeldes beim Lesen eines Textes von links nach rechts längs der Textzeilen und raschem Zurückspringen auf den Beginn der nächstfolgenden Zeile. Vom Ende der letzten Zeile am unteren Bildrand wird der Abtaststrahl zum Ausgangspunkt am linken oberen Bildrand zurück­ geführt und das Zeilenraster wiederholt durchlaufen. Die Ablenkung des Lese- bzw. Schreibstrahles in der horizontalen und vertikalen Richtung und die sich damit erge­bende Rasterstruktur zeigt Bild 1.2.

Damit sich der Lesestrahl beim Bildwiedergabesystem und der Schreibstrahl gleichzeitig in richtiger Zuordnung über die Bildfläche bewegen, werden geeignete Synchronisierzei­chen übertragen.

 

 

 

 

Durch den Abtastvorgang werden die einzelnen Bildpunkte von der geometrischen in die zeitliche Verbindung gebracht. In der Darstellung nach Bild 1.3 wird vereinfachend davon ausgegangen, daß der Abtaststrahl in vernachlässigbar kurzer Zeit zum Anfang der nächsten Bildzeile zurückkehrt. Tatsächlich ist dazu, wie noch gezeigt wird, aber eine bestimmte Zeitdauer zu berücksichtigen.

 

 

Im allgemeinen erhält man von einer Bildvorlage als Signalstrom eine sehr vielgestaltige Impulsfolge, die einen schwankenden zeitlichen Mittelwert aufweist, entsprechend dem mittleren Helligkeitswert der Bildvorlage. Dieser, sowie auch hochfrequente Signalkom­ponenten, bedingt durch feine Bilddetails, müssen dem Empfänger unverfälscht zuge­führt werden. Daraus ergibt sich als untere Frequenzgrenze für das zu übertragende Bild­signal der Wert Null. Die obere Frequenzgrenze wird durch die Bildpunktauflösung bestimmt und im Abschnitt 1.2.1 berechnet.

Zeilenzahl

Die Qualität der Bildübertragung wird durch die Auflösung des Bildes, d. h. durch die Anzahl der Zeilen und Bildpunkte in der Zeile, bestimmt. Die Auflösung und damit die Bildschärfe ist um so besser, je höher die Zeilenzahl ist. Mit zunehmender Zeilenzahl wachsen aber auch die Anforderungen an das Übertragungssystem, so daß es gilt, einen vernünftigen Kompromiß zu finden.

Eine Mindestzahl von Zeilen ist notwendig, damit die Rasterstruktur des wiedergegebe­ nen Bildes nicht störend in Erscheinung tritt. Diese kann jedoch nur im Zusammenhang mit dem Betrachtungsabstand des Fernsehbildes und dem Auflösungsvermögen des menschlichen Auges gefunden werden. Als optimaler Betrachtungsabstand wurde lange Zeit der etwa fünffache Wert der Bildhöhe angenommen. Bei diesem Betrachtungsabstand soll die Zeilenstruktur nicht mehr sichtbar sein, das heißt es soll die Grenze des Auflösungsvermögens des menschlichen Auges erreicht werden. Der Grenzwinkel a₀, unter dem das Auge zwei Linien noch trennen kann, ist keine eindeutige Konstante. Er kann aber unter normalen Bedingungen mit a₀ = 1,5' angenommen werden. Mit dem aus Bild 1.4 erkennbaren Ansatz

 

 

und dem Wert tan = tan a₀ z 4 · 10-4 erhält man eine Näherungsformel zur Berech­nung der notwendigen Zeilenzahl Z mit

 

 

Das bedeutet mit einem vielfach angenommenen Wert von EIH = 5 eine Zahl von Z = 500 sichtbaren Zeilen. Dieses Ergebnis findet man auch annähernd in den einge­führten Standard-Fernsehsystemen.

Nach der in der Bundesrepublik Deutschland und vielen europäischen und außereuro­ päischen Ländern geltenden CCIR-Norm 1 Standard B und G sind 625 Zeilen für den gesamten Rasterdurchlauf festgelegt, wovon wegen der Austastung für den vertikalen Strahlrücklauf nur 575 Zeilen im sichtbaren Bildfeld liegen. Bei der US-Norm, CCIR­ Norm Standard M, mit 525 Zeilen verbleiben etwa 485 Zeilen für das sichtbare Bild (2).

Früher eingeführte Systeme arbeiteten mit 405 Zeilen (Großbritannien) oder 819 Zeilen (Frankreich). Wegen zu geringer Auflösung beziehungsweise wegen zu großer Frequenz­ bandbreite ist man jedoch überwiegend auf die 625-Zeilen-Norm übergegangen. Zeilen­ zahlen zwischen 500 und 600 haben sich auch aus anderen Gründen als optimal erwie­sen: Die Leistungsfähigkeit der bis heute eingeführten optisch-elektronischen Systeme in bezug auf die Auflösung und den Störabstand bei den üblichen Beleuchtungsverhältnis­ sen liegt in dieser Größenordnung [3, 4, 5, 6, 7).

1  CCIR: Comite Consultatif International des Radiocommunkations, seit Dezember 1992 übergeführt in UIT/ITU-R, Union Internationale des Telecommunicationsllnternational Telecommunication Union - Radiocommunication Sector.  

Bei einem Betrachtungsabstand von fünffacher Bildhöhe beträgt der vertikale Bildfeld­ winkel etwa 11°, der horizontale 15°, wegen des bisher geltenden Bildseitenverhältnisses von 4:3. Das Fernsehbild wird unter diesem geringen Bildfeldwinkel tatsächlich nur als Szenenausschnitt wahrgenommen. Ein zukünftiges hochauflösendes Fernsehsystem, HDTV (High Definition Television), wird mit seinen Parametern mehr dem menschli­chen Gesichtsfeld angepaßt sein. Die Anzahl der sichtbaren Zeilen wird dabei auf das Zweifache erhöht (1152 sichtbare Zeilen im Vergleich zu 575 bzw. 576 sichtbaren Zeilen beim europäischen Standard) und das Bildseitenverhältnis (horizontal zu vertikal) auf 5,33:3 (16:9) vergrößert. Dies läßt einen geringeren Betrachtungsabstand (EIH   = 2,5) zu und erweitert damit den Bildfeldwinkel bis zu etwa 25° in vertikaler bzw. 40° in hori­zontaler Richtung, womit der Eindruck eines szenenhaften Bildes zustande kommt [8]. Näheres zu HDTV siehe im Abschnitt 1.3 und Kap. 6.

Bildwechselfrequenz

Bei der Festlegung der Bildwechselfrequenz sind die physiologischen Eigenschaften des menschlichen Sehorgans zu berücksichtigen. Zunächst muß davon ausgegangen werden, daß zur Wiedergabe eines kontinuierlichen, schnellen Bewegungsvorgangs eine be­ stimmte Mindest-Teilbildfrequenz erforderlich ist, damit keine störenden Diskontinuitä­ten im Bild entstehen. Ein Wert von 16 Teilbildern je Sekunde stellt hier die untere Grenze dar. Beim Kinofilm arbeitet man mit 24 Teilbildern je Sekunde. Dieser Wert könnte auch beim Fernsehen übernommen werden, doch es wurde hier mit Rücksicht auf eine mögliche Verkopplung mit der Netzfrequenz eine Bildwechselfrequenz von fw = 25 Hz bei 50 Hz Netzfrequenz beziehungsweise fw = 30 Hz bei 60 Hz Netzfre­quenz gewählt.

Eine Bildwechselfrequenz von 25 Hz reicht jedoch für eine flimmerfreie Bildwiedergabe nicht aus. Die subjektiv empfundene Flimmerstörung eines in der Helligkeit periodisch schwankenden Bildfeldes hängt von verschiedenen Faktoren ab, vornehmlich aber von der Frequenz der Helligkeitsschwankung und dem Verhältnis der Hellzeit zur Dunkel­ zeit. Die Flimmergrenzfrequenz liegt nun wesentlich über dem Grenzwert der Teilbild­wechselfrequenz für kontinuierliche Bildwiedergabe. Unter den üblichen Betrachtungs­ bedingungen des Fernsehbildes rechnet man mit einer Bildschirm-Leuchtdichte von etwa 60 bis 80 cd/m2, wobei die Flimmergrenzfrequenz dann zwischen 50 und 60 Hz liegt.

Es besteht somit ein erheblicher Unterschied zwischen der für kontinuierliche Bewe­ gungsauflösung notwendigen Bildwechselfrequenz und der Flimmergrenzfrequenz. Die­ses Problem lag auch schon beim Einführen des Kinofilms vor und wurde dort ohne eine Erhöhung der Teilbildfrequenz gelöst. Durch eine sogenannte Flimmerblende wird die Projektion jedes Einzelbildes einmal unterbrochen, wobei der Eindruck der doppelten Bildwechselfrequenz entsteht.

Beim Fernsehen verstärkt sich der Eindruck der Helligkeitsschwankung gegenüber dem Kinofilm sogar noch durch das zeilenweise Schreiben des Bildes. Wenn auch durch das Nachleuchten des Leuchtstoffes am Bildschirm eine gewisse Verringerung des Flimmer­effektes erreicht werden kann, so darf dies nicht über die Zeitdauer einer Abtastperiode ausgedehnt werden, da sonst Störungen durch Nachziehen bei raschen Bewegungen auf­ treten. Insgesamt betrachtet muß somit die Wechselfrequenz für ein Teilbild auf minde­stens 50 Hz erhöht werden.

Zeilensprungverfahren

Die Bildwechselfrequenz auf den doppelten Wert zu erhöhen wäre zwar eine Möglich­keit, um das Flimmern zu vermeiden. Es hätte aber gleichzeitig eine Erweiterung der not­wendigen Übertragungsbandbreite um den Faktor zwei zur Folge. Ähnlich wie beim Kinofilm hat man auch beim Fernsehen eine einfache aber geniale Lösung mit dem Zei­lensprungverfahren gefunden. Versuche ergaben nämlich, daß die Wechselfrequenz auf kleine Bildbereiche bezogen relativ niedrig sein kann, wenn nur das Zeilenraster genü­gend oft geschrieben wird.

Nach dem Zeilensprungverfahren, auch Zwischenzeilenverfahren genannt,  werden die Z Zeilen des gesamten Rasters auf zwei Halbraster aufgeteilt, die ineinander verschach­telt sind und die zeitlich nacheinander übertragen werden. Jedes Halbraster enthält Z/2 Zeilen und läuft in der Zeit t = Tw/2 = 1/2fw ab. Das bedeutet, daß dem ersten Halb­raster die Zeilen 1, 3, 5, ... und dem zweiten Halbraster die Zeilen 2, 4, 6, ... nach der geometrischen Zeilennumerierung zugeschrieben werden (Bild 1.5).

 

 

Der Wechsel vom ersten zum zweiten Halbraster erfolgt bei ungerader Zeilenzahl, zum Beispiel mit Z = 625, am Ende des ersten Halbrasters nach Durchlaufen einer halben Zeile. Damit erübrigt sich ein besonderes Hilfssignal zum periodischen Versatz der bei­ den Halbraster und es ist stets die Voraussetzung geschaffen, daß die Zeilen des zweiten Halbrasters in den Zwischenräumen des ersten Halbrasters liegen und somit ein gleich­mäßig verteiltes Gesamtraster entsteht.

An Stelle von 25 Vollbildern je Sekunde mit je 625 Zeilen werden also 50 Halbbilder mit je 312 1/2 Zeilen übertragen. Es ergibt sich somit eine Halbbildwechselfrequenz, auch als Rasterwechselfrequenz oder Vertikalfrequenz fv bezeichnet, von fv = 50 Hz. Die Periodendauer des Halbbildwechsels beziehungsweise der Vertikalablenkung beträgt Tv = 1/fv = 20 ms.

Für die Standards B und G der CCIR-Norm leitet sich mit 625 Zeilen je Vollbild oder 312 1 /2 Zeilen je Halbbild hieraus eine Zeilenwechselfrequenz (Zeilenfrequenz) oder Horizontalfrequenz fh ab mit dem Wert 

fh = 625 · 25 Hz =   312 1/2 · 50 Hz =   15625 Hz.

Die Periodendauer des Zeilenwechsels beziehungsweise der Horizontalablenkung beträgt Th = 1 /fh = 64 µs. Es ist in der Fernsehtechnik üblich, die Periodendauer einer Zeile durch den Buchstaben H anzugeben. Im Fall der CCIR-Norm B, G entspricht somit H = Th = 64 µs.

Horizontal- und Vertikalablenkfrequenz müssen synchron und phasenstarr miteinander verkoppelt sein. Man erreicht dies beim Zeilensprungverfahren durch Ableitung der bei­ den Frequenzen aus der doppelten Horizontalfrequenz 2 ·fh (Bild 1.6).

 

Die Anwendung des Zeilensprungverfahrens erhöht zwar die Rasterwechselfrequenz auf 50 Hz und damit in den Bereich der Flimmergrenzfrequenz. Es verbleibt aber, insbeson­ dere in Bildpartien mit großer Helligkeit, ein 50-Hz-Flächenflimmern. An horizontalen Kanten mit hohem Kontrast versagt das Zeilensprungverfahren ganz. Hier entsteht ein 25-Hz-Kantenflimmern. Eine Beseitigung dieser Flimmereffekte kann nur über eine Erhöhung der Bildwiedergabefrequenz auf einen Wert von 75 Hz oder 100 Hz erfolgen. Dies ist heute möglich mittels digitaler Bildspeichersysteme.

1.2 BAS-Signal

Unter dem BAS-Signal versteht man das (für Schwarzweiß-Bildübertragung) komplette Fernsehsignal, das sich aus dem eigentlichen Bildsignal (B), dem Austastsignal (A) und dem Synchronsignal (S) zusammensetzt. Das Bildsignal enthält die zeilenweise gewon­nene Information über die Helligkeitsverteilung der zu übertragenden Bildvorlage. 

1.2.1 Bandbreite des Bildsignales

Das vom Bildsignal oder Videosignal belegte Frequenzband wird durch die Bildpunkt­ auflösung in horizontaler Richtung und durch die Zeilenzahl bestimmt. Die Auflösung in vertikaler Richtung ist wegen der Zeilenstruktur diskontinuierlich und quantisiert, in horizontaler Richtung ergibt sich durch die kontinuierliche Bewegung des Abtaststrahles eine Verschleifung von Hell-Dunkel-Kanten. Zur Berechnung der höchsten im Bildsignal vorkommenden Frequenzkomponente, der maximalen Bildfrequenz, wird der Einfach­heit halber zunächst von gleicher Auflösung des Bildes in horizontaler und vertikaler Richtung ausgegangen, das heißt die Bildpunktbreite b wird gleich dem Zeilenabstand oder der Zeilenbreite a angenommen (Bild 1.7). Wechseln sich ein heller und ein dunk­ler Bildpunkt aufeinanderfolgend und von Zeile zu Zeile versetzt ab, dann erhält man ein Schachbrettmuster, das die höchstmögliche Auflösung der Bildvorlage wiedergibt. Man spricht deshalb im Zusammenhang mit der maximalen Bildfrequenz auch von der ,,Schachbrettfrequenz".

 

 

Der Abtaststrahl muß nach Durchlaufen jeder Zeile und jedes Teilbildes wieder zurück­ geführt werden. Dazu sind Rücklaufzeiten erforderlich. Während des Strahlrücklaufes werden sowohl der Lesestrahl in dem Aufnahmewandler als auch der Schreibstrahl in der Bildröhre dunkel gesteuert. Die notwendigen Rücklaufzeiten tr,h und tr,v innerhalb der Periodendauer Th der Horizontalablenkung beziehungsweise Tv der Vertikalablenkung sind in Bild 1.8 im zeitlichen Verlauf der Ablenkströme angegeben. Die Rücklaufzeiten müssen innerhalb der Intervalle ta,h beziehungsweise ta,v der Strahlaustastung liegen. Für diese sind nach der CCIR-Norm bestimmte Zeiten festgelegt.

 

 

In den CCIR-Standards B, G beträgt die Zeitdauer der Horizontalaustastung

ta,h = 12  ± 0,3 µs,

entsprechend 18,75 % von der Periodendauer Th und die Zeitdauer der Vertikalaustastung

ta,v  = 25 ·H  + ta,h  = 1,612 ms,

entsprechend etwa 80 % von der Periodendauer Tv.

Von der gesamten Zeilenperiodendauer Th steht somit zur Übertragung des Bildinhaltes einer Zeile nur die Zeit Th· (1 -0, 1875) = 52 µs und von der gesamten, der Perioden­ dauer Tw = 2 · Tv zugeordneten Zeilenzahl Z nur der Anteil Z · (1-0,08) = 575 Zeilen für die Bildübertragung zur Verfügung. Dies läßt sich durch eine reduzierte Rasterfläche für das sichtbare Bild ausdrücken (Bild 1.9).

 

Für das sichtbare Bild ist ein rechteckiges Format mit dem Seitenverhältnis B / H = 4/3 festgelegt. Bei gleicher Auflösung in horizontaler und vertikaler Richtung berechnet sich hieraus eine Anzahl von

4/3 · 625 · (1-0,08)      767 Bildpunkte je Zeile

und von

4/3 · 625 · (1-0,08) · 625 · (1-0,08)          440833 Bildpunkte

je Bild.

Diese Anzahl von Bildpunkten wird übertragen in einer Zeit von

64 µs · (1-0,1875) · 625 · (1-0,08) = 29,9 ms.

Für die Zeit TBP zum Durchlaufen eines Bildpunktes ergibt sich dann

T BP =    29,9 ms      0,067
                  440833    =           µs.

Die höchste Bildfrequenz tritt auf, wenn helle und dunkle Bildpunkte aufeinanderfolgen (Bild 1.10). Das Bildsignal weist dann eine Periodendauer auf von

TB =   2 · TBP   =   0,135 µs

 

 

Wegen des endlichen Durchmessers des Abtaststrahles und der damit verbundenen Ver­schleifung des Hell-Dunkel-Überganges genügt es, die Grundschwingung des rechteck­-förmigen idealisierten Signalverlaufes zu übertragen. Dies führt zu einer höchsten vor­ kommenden Bildfrequenz von

 

 

Die Grenze der Auflösung in vertikaler Richtung ist durch die Zeilenstruktur gegeben. Bei voller vertikaler Auflösung und fehlender Vorfilterung würde durch den zeilenweisen Abtastvorgang ein Übersprechen im Spektrum auftreten, das zu Schwebungseffekten im wiedergegebenen Bild führen könnte. Es wird deshalb durch eine „optische Unschärfe" die Auflösung in vertikaler Richtung etwas reduziert. Um die Auflösung in horizontaler und vertikaler Richtung wieder anzugleichen, wird eine Reduktion der Horizontalauf­ lösung und damit der notwendigen Übertragungsbandbreite um etwa den Faktor 2/3 vorgenommen. Dieser Faktor wird als KELL-Faktor bezeichnet, unter Bezugnahme auf R. D. KELL, der sich eingehend mit dem Problem der Fernsehbildzerlegung beschäftigt hat [3, 4, 6). Man kommt so letztendlich auf eine Bandbreite des Videosignales von Bvideo = 5 MHz

Dieser Wert ist in der CCIR-Norm B, G festgelegt.

 

 

Man erkennt, dass die Rasterwechselfrequenz fv linear und die Zeilenzahl Z quadratisch in die maximale Bildfrequenz eingeht. Dies gewinnt insbesondere bei dem hochauflösen­ den Fernsehsystem HDTV an Bedeutung, siehe dazu Abschnitt 1.3.2.

1.2.2 Austastsignal

Während des horizontalen und vertikalen Strahlrücklaufes wird das Bildsignal in seinem zeitlichen Verlauf unterbrochen, es wird „ausgetastet". Der Signalpegel wird auf einem definierten Austastwert festgehalten, um ein Überschreiben des aus dem Hinlauf aufge­nommenen Bildinhalts zu vermeiden. Der Austastwert liegt geringfügig unter dem Schwarzwert des Bildsignales. Die Differenz zwischen Schwarzwert und Austastwert wird als Schwarzabhebung bezeichnet. Zugunsten einer besseren Ausnutzung des Aus­ steuerbereiches wird jedoch meistens auf die Schwarzabhebung verzichtet. Dies sieht auch der letzte Stand der CCIR-Norm B, G vor.

Die Austastung des Bildsignales wird durch das Austastsignal vorgenommen,  das sich aus den zeilenfrequenten Horizontal-Austastimpulsen mit der Dauer,  ta.h  = 12 µs und den im Rhythmus des Halbbildwechels erscheinenden Vertikal-Austastimpulsen mit der Dauer ta,v  = 1,612 ms zusammensetzt. Das so modifizierte Bildsignal wird dadurch zum BA-Signal (Bild 1. 11).

 

 

1.2.3 Synchronsignal

Das empfangsseitig auf der Fernsehbildröhre geschriebene Zeilenraster muß synchron mit dem sendeseitigen Zeilenraster ablaufen. Dazu werden neben dem Bildsignal noch Synchronimpulse erzeugt und übertragen. Sie steuern gleichermaßen die Ablenkeinrich­ tungen beim Aufnahme- und Wiedergabewandler. Eingebracht werden die Synchronim­pulse während des horizontalen und vertikalen Strahlrücklaufes, wo das Bildsignal aus­ getastet wird. Pegelmäßig liegt das Synchronsignal unter dem Austastwert, es entspricht damit einem Signalniveau „schwärzer als schwarz" ( Bild 1.12).

 

 

Die Impulse zur Synchronisierung der Horizontal- und Vertikalablenkung müssen ein­ deutig unterscheidbare Merkmale aufweisen. Innerhalb des wertmäßig zugeordneten Spannungsbereiches ist dies möglich durch die unterschiedliche Folgefrequenz und durch verschiedene Impulsdauer.

Nach der CCIR-Norm B, G beginnt der Horizontal-Synchronimpuls 1,5 µs nach dem Horizontal-Austastimpuls (Bild 1.13). Diese sogenannte vordere Schwarzschulter (c) bietet die Sicherheit, daß der Zeilenrücklauf bestimmt in die Horizontal-Austastlücke fällt. Die Vorderflanke des 4,7 µs (d) breiten Horizontal-Synchronimpulses ist bestim­mend für das Einsetzen der Synchronisierung. Die hintere Schwarzschulter (b- d) dient als Bezugspegel. Sie wird aber auch für die Übertragung des zusätzlichen Farbsynchron­ signales (Burst) beim NTSC- und PAL-Farbfernsehsystem genutzt. Der Horizontal­ Synchronimpuls wird im Bildwiedergabegerät über ein Differenzierglied (Hochpaß) aus dem Synchronsignalgemisch ausgesiebt. Damit bleibt das Kriterium der Synchronisa­tion durch die Vorderflanke erhalten.

Innerhalb der Vertikal-Austastlücke wird der Vertikal-Synchronimpuls übertragen. Er ist mit einer Dauer von 160 µs (2,5 H) wesentlich länger als der Horizontal-Synchronim­puls. Damit während dieser Zeit kein Ausfall der Horizontal-Synchronisierung erfolgt, wird der Vertikal-Synchronimpuls kurz unterbrochen. Die Unterbrechung geschieht

 

 

wegen des Halbzeilenversatzes der beiden Teilraster im Abstand von H/2. In dem Bild 1.14, mit der Darstellung der kompletten Vertikal-Synchronimpulsfolge im ersten und zweiten Halbbild, sind die für die Horizontal-Synchronisierung maßgebenden Impuls­ flanken markiert. Das Zeilensprungverfahren bedingt auch, daß der Vertikal-Synchron­ impuls um H/2 in bezug auf den letzten Horizontal-Synchronimpuls von einem Halb­bild zum anderen verschoben ist.

 

Das Kriterium für die Synchronisierung der Vertikalablenkung gewinnt man durch Inte­gration des vollständigen Synchronsignales, bei der wegen der Tiefpaßwirkung des Inte­griergliedes und der längeren Impulsdauer des Vertikal-Sychronimpulses nur dieser den entscheidenden Beitrag liefert.

 

 

Die dem Vertikal-Synchronimpuls vorangehenden Horizontal-Synchronimpulse ergäben jedoch wegen des H/2-Versatzes in den beiden Halbbildern unterschiedliche Anfangsbe­dingungen für den Integrationsvorgang (Bild 1.15, links). Dies könnte zu einem fal­ schen Einsetzen der Vertikal-Sychronisierung und damit zu einer Paarigkeit der Raster­zeilen führen. Es werden deshalb dem eigentlichen Vertikal-Synchronimpuls fünf schmale (2,35 µs) Ausgleichsimpulse, die Vorimpulse oder Vortrabanten, jeweils im Abstand von H/2 vorausgeschickt, damit in jedem Halbbild gleiche Anfangsbedingun­gen für die Integration herrschen (Bild 1.15, rechts). In ähnlicher Weise sorgen fünf Nachimpulse für eine gleichmäßige Rückflanke der integrierten Vertikal-Teilimpulse.

Zur Zählweise der Zeilen in Bild 1.14 ist noch folgendes zu sagen: In der Fernsehtechnik ist es üblich, entgegen der Aufteilung in ungeradzahlige und geradzahlige Zeilen gemäß Bild 1.5, die aufeinanderfolgend ablaufenden Zeilen durchgehend zu numerieren. Das erste Halbbild beginnt bei der Vorderflanke des Vertikal-Synchronimpulses mit Zeile 1 und es weist 312 1 /2 Zeilen auf. Davon fallen die ersten 22 1 /2 Zeilen in die Vertikal­ Austastlücke. Das zweite Halbbild beginnt nach 312 1/2 Zeilen in der Mitte der 313. Zeile bei der Vorderflanke des Vertikal-Synchronimpulses und endet mit der 625. Zeile. Danach wiederholt sich die Zählweise im Rhythmus von zwei Halbbildern.

Bild 1.16 zeigt im doppelt-logarithmischen Maßstab das Frequenzspektrum des voll­ ständigen Synchronsignales im Frequenzbereich bis 50 kHz. Gestrichelt ist in dieser Dar­stellung die Trennung der Spektralkomponenten in ihre wesentlichen Anteile unterhalb und oberhalb von 5 kHz zur Gewinnung des Vertikal- und Horizontal-Synchronanteils. Die Trennung erfolgt durch einfache RC-Tief- bzw. Hochpässe.

Das Synchronsignal wird an der Videosignalquelle pegelgerecht dem BA-Signal zuge­setzt. Man erhält so das BAS-Signal. Der Normspannungswert für das BAS-Signal beträgt in der Studio- und Fernsehmeßtechnik 1 Volt (Spitze-Spitze-Wert), wobei auf den BA-Anteil 70 % (0,7 V) und auf den S-Anteil 30 % (0,3 V) entfallen. Als Bezugspegel kann der Austastwert gelten (nach CCIR-Norm) mit dem Weißwert bei 100 % und dem Synchronwert bei -43 % oder der Synchronpegel, wobei dann der Austastwert bei 30 % vom Weißwert liegt (siehe dazu Bild 1.12). Der Bezugswiderstand in der Videotechnik ist 75 Ohm.

 

Eigenschaften eines HDTV-Signales

Die Bildwiedergabequalität des bisher behandelten und eingeführten Fernsehsystems ist, besonders im Vergleich zum Kinofilm, noch nicht optimal. Als Schwachpunkte wären anzuführen

• die mäßige Detailauflösung
• ein störendes Zeilenflimmern
• das 50 Hz Großflächenflimmern bei großer Bildhelligkeit
• das 25 Hz Flackern an horizontalen Kanten

und einige Schwächen im Zusammenhang mit der Farbbildwiedergabe, auf die hier noch nicht eingegangen werden kann.

Darüber hinaus bietet das Kinobild mit seiner großen Fläche ein besseres Realitätsemp­ finden, insbesondere bei einem breiten Bildformat. Das menschliche Gesichtsfeld weist einen Betrachtungswinkel von etwa 150 ° in der vertikalen und etwa 200 ° in der horizon­talen Richtung auf. Im Abschnitt 1.1.2 wurde schon erwähnt, daß bei dem bisher ange­ nommenen  Betrachtungsabstand von der fünffachen Bildhöhe der Bildfeldwinkel nur 11 ° beziehungsweise 15 ° beträgt. Ein der Realität näher liegender Eindruck des Fern­sehbildes unter einem vertikalen Betrachtungswinkel von mindestens 25 °, bei einem Betrachtungsabstand von etwa 2,5 facher Bildhöhe, erfordert nach GI. (1.2) mindestens 1000 sichtbare Zeilen.

Zeilenzahl

In Anlehnung an die bisherige europäische CCIR Norm mit insgesamt 625 Zeilen ging man bei der Festlegung der Parameter für ein hochauflösendes Fernsehverfahren (High Definition Television, HDTV) zunächst von einer Verdopplung der Zeilenzahl aus. Wegen des im Übertragungskanal weiterhin beizubehaltenden Zeilensprungverfahrens und der dabei zweckmäßigerweise ungeraden Zeilenzahl wurde nach einem deutschen Vorschlag ursprünglich ein Wert von 1249 Zeilen als Arbeitsstandard festgelegt. Mit Rücksicht auf ein wirklichkeitsnäheres Bild wurde das Bildformat auf 5:3 geändert.

In den Ländern, wo nach dem CCIR Standard M eine Zeilenzahl von 525 eingeführt ist, insbesondere in Japan und USA, wurde jedoch eine andere Zeilenzahl für ein Hochzei­len-Fernsehen gewählt. Wohl aus einem Mittelwert zwischen 1050 und 1250 Zeilen ergab sich der Wert von 1125 Zeilen. Gleichzeitig wurde nach diesem Standard die Halbbild­wechselfrequenz von 60 Hz beibehalten, was einer weitgehenden Unterdrückung von Flimmerstörungen entgegenkommt. Auf Drängen amerikanischer Rundfunkanstalten wurde das Bild-Seitenverhältnis noch auf 5,33:3 verändert. So ergaben sich für den von der japanischen Rundfunkanstalt NHK (Nippon Hoso Kyokai) aufgestellten Vorschlag für eine HDTV-Norm folgende Parameter:

• 1125 Zeilen Zeilensprungverfahren
• Bild-Seitenverhältnis 5,33: 3 (16:9)
• Rasterwechselfrequenz 60 Hz, was eine Zeilenfrequenz von 33750 Hz ergibt.

Der Wunsch - damals 1995 - nach einem weltweiten HDTV Fernseh Standard ist zwar sehr ausgeprägt, um möglichst aufwendige Normwandlungen und damit verbundenen Qualitätsverlust zu vermeiden. Die vielen Bemühungen scheiterten aber letztlich doch an nationalen Interes­sen. Es zeichnete sich zunächst ein deutlicher Vorsprung des NHK-Standards ab. Die Ent­wicklung in USA verlief jedoch dann wieder zugunsten von 1050 Zeilen wegen der besse­ren Kompatibilität zu dem 525 Zeilensystem [6, 9, 10, 11].

Das größte Hindernis auf dem Weg zu einer weltweiten Einigung auf einen gemeinsamen Standard liegt in den unterschiedlichen Rasterwechselfrequenzen von 50 Hz und 60 Hz. Im Jahr 1987 haben sechs europäische Länder beim CCIR einen eigenständigen Vor­schlag für eine HDTV Produktionsnorm eingebracht. Im Projekt EUREKA EU95 wur­ den folgende Parameter definiert [11, 12]:

• 1250 Zeilen, davon 1152 aktive Zeilen
• Bildwechselfrequenz 50 Hz progressive Abtastung Bildseitenverhältnis 16:9

Die Anwendung der progressiven Abtastung, d. h. kein Zeilensprung, bringt wesentliche Vorteile bei der Normwandlung. Geometrisch benachbarte Zeilen sind stets auch zeitlich aufeinanderfolgend. Damit reduziert sich bei einer nachfolgenden Bildsignalverarbei­tung der Speicheraufwand für Interpolationsprozesse.

Mit Übergang auf progressive Abtastung bei gleicher Bildwechselfrequenz erhöht sich allerdings die Bandbreite des Videosignales auf das Zweifache. Wie später im Abschnitt 6.1 noch detailliert dargestellt, gibt es auch bei der progressiven Abtastung noch eine bandbreitensparende Variante, die Quincunx-Abtastung, auf die vielfach zurückgegangen wird.

Während in Japan auch heute noch am NHK-Standard mit 1125 Zeilen festgehalten wird, bahnte sich in den USA eine völlig andere Entwicklung an. Ausgelöst durch die 1992 getroffene Entscheidung für ein digitales HDTV System wurde von dem „Grande Alliance"-Gremium, bestehend aus Forschungsinstituten und Industrieunternehmen, nicht ein HDTV Standard, sondern eine „HDTV Standard Familie" mit sechs möglichen Varianten festgelegt.

Basierend auf quadratischen Bildpunkten, wegen der engen Verbindung zur Computer­ technik, wurden zwei Auflösungsformate mit 1280 (H) x 720 (V) Bildpunkten bzw. 1920 (Horizontal) x 1080 (Vertikal) Bildpunkten entsprechend den Zeilenzahlen von 788 bzw. 1182 (Gesamtzeilenzahl) und einem Bildseitenverhältnis von 16: 9 definiert, mit möglichen Rasterwechselfrequenzen von 23,976 Hz/24 Hz, 29,97 Hz/30 Hz bzw. 59,94 Hz/60 Hz bei durchwegs progressiver Abtastung. Die Entscheidung für eine Sendenorm soll von den Programmanbietern getroffen wer­den, ein zukünftiger HDTV Empfänger stellt sich automatisch auf die bestmögliche Bildwiedergabequalität ein.

Bandbreite des Bildsignales

Die maximale Bildpunktfrequenz berechnet sich beim Zeilensprungverfahren  nach GI. (1.3) bzw. mit Zak, = 1152 aktiven Zeilen bei insgesamt Z = 1250 Zeilen und mit Th,akt = 13,33 µs innerhalb der Zeilenperiodendauer von Th = 16 µs sowie dem Bildseitenverhältnis von B/H = 16/9 und der Bildwechselfrequenz fv = 50 Hz aus

 

zu

 

Bei progressiver Abtastung ergibt sich der zweifache Wert mit fs, max = 76,8 MHz. Unter Berücksichtigung eines KELL-Faktors von 0,65 erfordert dies eine Video-Übertra­gungsbandbreite mit 50 MHz.

Synchronsignal

Eine wesentliche Änderung erfolgt beim Synchronsignal. Wegen der digitalen Verarbei­tung der breitbandigen HDTV-Signale ist eine hohe zeitliche Genauigkeit der Abtast­werte in bezug auf das Zeilenraster erforderlich. Die Festlegung des Zeilenbeginns mit der Vorderflanke des Horizontal-Synchronimpulses ist in diesem Fall wegen des Einflus­ses von Amplitudenänderungen und linearen sowie nichtlinearen Verzerrungen nicht mehr ausreichend. Es wurde deshalb ein neuer, sogenannter Drei-Pegel-Synchronimpuls definiert (Bild 1.17). Der Bezugspunkt für den Zeilenbeginn liegt nun beim Nulldurch­gang des zweiseitig gerichteten Impulses. Damit wird man weitestgehend unabhängig von nichtlinearen Verzerrungen des Synchronimpulses. Das Spektrum dieses Impulses mit definierter Anstiegs- und Abfallzeit ist im wesentlichen auf tiefe Frequenzen im breitbandigen HDTV Signal begrenzt. Näherungsweise kann der Horizontal-Synchron­impuls nun als eine Schwingung mit etwa 1 MHz betrachtet werden.

 

 

Auch der Vertikal-Synchronimpuls wird gegenüber dem bisherigen System verändert. Er besteht aus zehn Teilimpulsen mit je 11,85 µs Dauer in fünf Zeilen innerhalb der Verti­kal-Austastlücke, in die jeweils nach der halben Zeilendauer ein Horizontal-Synchronimpuls eingebracht ist [14]. Insgesamt muß ein HDTV-System jedoch unter dem Aspekt der Farbbildübertragung betrachtet werden. Es wird deshalb später nochmals in Kap. 6 darauf eingegangen.

Trägerfrequente Übertragung von analogem Standard-Bild- und Tonsignal

Die Übertragung des Bildsignales bzw. genauer des BAS-Signales sowie eines zum Bild gehörigen Begleittones erfolgt, abgesehen von der Verteilung im Studio und von einer digitalen Signalübertragung, durch Modulation einer hochfrequenten Trägerschwin­ gung. Prinzipiell gilt dies sowohl für drahtgebundene als auch für drahtlose Übertra­ gung. Von den Funk-Verwaltungsorganen wurden bestimmte Frequenzbereiche festgelegt, die ausschließlich oder vorwiegend zur Übertragung von Fernsehsignalen im Bereich des Rundfunk-Fernsehens dienen. Diese liegen im VHF-Bereich (40 bis 230 MHz) und im UHF-Bereich (470 bis 790 bzw. 860 MHz) und für die Satelliten-Übertra­gung im Frequenzbereich um 12 GHz. Darüber hinaus wurden für die Kabelverteilung noch Sonderkanäle im erweiterten VHF-Bereich bereitgestellt. Wegen der bis 5 MHz rei­chenden Modulationssignale ist eine hohe Trägerfrequenz erforderlich. 

Bildsignalübertragung durch Restseitenband-Amplitudenmodulation

Beim Fernseh-Rundfunk in den bisher genutzten Frequenzbereichen (VHF und UHF) sowie in Übertragungssystemen, wo übliche Fernsehempfänger als Bildwiedergabegeräte verwendet werden, erfolgt die Bildsignalübertragung durch Amplitudenmodulation (AM) der hochfrequenten Trägerschwingung. Der Vorteil der Amplitudenmodulation liegt in der relativ geringen Bandbreite des Modulationsproduktes. Es entstehen bei die­ser Modulationsart Seitenschwingungen im Abstand der Frequenz des modulierenden Signales oberhalb und unterhalb der Frequenz der Trägerschwingung. Mit der Band­breite des BAS-Signales von Bvideo = B = 5 MHz wird damit ein hochfrequentes Über­tragungsband mit der Bandbreite BAM = 2 · 5 MHz = 10 MHz beansprucht (Bild 1.18a).

 

Prinzipiell könnte bei der Übertragung ein Seitenband unterdrückt werden, da ja der Signalinhalt in beiden Seitenbändern gleichermaßen enthalten ist. Man käme so mit der Einseitenband-Amplitudenmodulation (ESB-AM, EM) wieder auf eine Übertragungs­bandbreite von BEM = 5 MHz (Bild 1.18b). Wegen des bis zu sehr niedrigen Frequen­zen reichenden Modulationssignales und der deshalb notwendigen steilflankigen Filter zur Unterdrückung eines Seitenbandes, ergeben sich jedoch enorme Schwierigkeiten durch die Gruppenlaufzeitverzerrungen dieser Filter an der Grenze des Durchlaßberei­ches.

Das Problem wird dadurch umgangen, daß an Stelle der Einseitenband-Amplitudenmo­dulation die Restseitenband-Amplitudenmodulation (RSB-AM, RM) angewendet wird. Dabei überträgt man ein Seitenband vollständig und das andere Seitenband nur teilweise mit relativ langsam abfallender Amplitude nach höheren Modulationsfrequenzen hin (Bild 1.18c). Die Einsparung an Frequenzbandbreite beträgt gegenüber der Zweiseiten­band-Amplitudenmodulation (AM) immer noch etwa 4 MHz. Für Modulationssignale mit einer Frequenz bis 0,75 MHz liegt Zweiseitenband-Übertragung vor, bei höherfre­quenten Signalkomponenten findet ein Übergang auf Einseitenband-Übertragung statt.

Empfängerseitig muß aber dafür gesorgt werden, daß die Signalkomponenten, die auch im Restseitenband enthalten sind, nach der Demodulation nicht mit doppelter Ampli­tude erscheinen gegenüber den Signalkomponenten, die nur in einem Seitenband übertragen werden. Es wird deshalb die Empfänger-Durchlaßkurve so ausgebildet, daß sich um die Frequenz des Bildträgers eine linear ansteigende bzw. abfallende Flanke ergibt, die sogenannte NYQUIST-Flanke (Bild 1.19).

 

 

Den einzelnen Fernsehkanälen sind im VHF-Bereich (Bereich I und III) 7 MHz breite (CCIR-Norm, Standard B) und im UHF-Bereich (Bereich IV und V) 8 MHz breite (CCIR-Norm, Standard G) Frequenzbänder zugeteilt. Der hochfrequente Bildsender­ Amplitudenfrequenzgang innerhalb des 7 bzw. 8 MHz breiten Fernsehkanals ist in Bild 1.20 dargestellt. Die Dämpfung des unterdrückten Seitenbandes muß für Frequenzen unterhalb 1,25 MHz vom Bildträger mindestens 20 dB betragen.

Die Empfänger-Durchlaßkurve, bezogen auf den Hochfrequenzbereich (HF), mit der NYQUIST-Flanke zeigt Bild 1.21. Der Übergang vom Durchlaß- zum Sperrbereich erfolgt in einem Frequenzbereich von ±0,75 MHz um die Frequenz des Bildträgers. Bei der Bildträgerfrequenz selbst beträgt der Dämpfungsanstieg gegenüber dem voll übertragenen Seitenband 6 dB, das heißt, die Amplitude des Bildträgers wird auf 50 % ihres eigentlichen Wertes abgesenkt.

 

 

Die wesentliche Verstärkung und Selektion wird beim Fernsehempfänger im Zwischen­frequenzbereich (ZF) vorgenommen. Für den Bildträger ist eine Zwischenfrequenz von 38,9 MHz festgelegt. Durch die Frequenzumsetzung mit einer Oszillatorfrequenz ober­ halb der Empfangsfrequenz findet eine Umkehrung der Frequenzlage des übertragenen Seitenbandes statt (Bild 1.22). Ebenso erscheint die im Hochfrequenzbereich nach der CCIR-Norm, Standard Band G, um 5,5 MHz oberhalb der Bildträgerfrequenz liegende Tonträgerfrequenz im ZF-Bereich um 5,5 MHz unterhalb des Bildträgers bei 33,4 MHz. Die Empfänger-Durchlaßkurve für den ZF-Bereich gibt Bild 1.23 wieder.

Die Modulation des hochfrequenten Bildträgers durch das BAS-Signal erfolgt als nega­ tive Amplitudenmodulation, das heißt, hellen Bildstellen entspricht eine niedrige Trägeramplitude und der Synchronimpuls ruft maximale Trägeramplitude hervor (Bild 1.24). Bezogen auf den Synchronspitzenwert mit 100 % liegt der Austastwert oder Schwarzwert bei 75 % und der Weißwert bei 10 bis 12,5 % [2]. Ein Restträger als Weiß­wert von 10 % ist notwendig wegen der Anwendung des Intercarrier-Tonträger-Verfah­rens im Empfänger (siehe Abschnitt 1.4.2). Der Vorteil der Negativmodulation liegt unter anderem in einer günstigen Ausnutzung der Senderleistungsendstufe, weil die Maximalleistung nur kurzzeitig während der Synchronimpulse aufgebracht werden muß, sowie in der periodisch während der Synchronimpulse auftretenden Maximalam­plitude des Trägers als Bezugswert für eine automatische Verstärkungsregelung im Emp­fänger. Zudem machen sich Störimpulse, die dem HF-Signal überlagert werden, am Bildschirm nur als dunkle Punkte bemerkbar.

 

 

Die Anwendung der Restseitenband-Amplitudenmodulation bringt allerdings bei einfa­cher Hüllkurvendemodulation im Empfänger nicht übersehbare Verzerrungen mit sich. Im Videofrequenzbereich von Null bis 0,75 MHz werden beide Seitenbänder symme­ trisch zum Träger voll übertragen. Oberhalb von 1 MHz kann man davon ausgehen, daß nur ein Seitenband übertragen wird. Bei großem Modulationsgrad (helle Bildstellen) führt dies zu einer Verzerrung der Hüllkurve. Im Videofrequenzbereich oberhalb von 2,5 MHz gelangt nur der Grundschwingungsanteil des verzerrten demodulierten Signals zur Bildröhre, der allerdings durch die nichtlineare Verzerrung in seiner Amplitude redu­ziert sein kann. Zudem verschiebt sich der mittlere Helligkeitswert.

Dem begegnet man durch Anwendung der Synchrondemodulation. Der dazu notwen­ dige Referenzträger wird aus dem übertragenen RSB-AM-Modulationsprodukt durch eine Bandbegrenzung auf etwa ±0,5 MHz um den Bildträger und anschließende Ampli­tudenbegrenzung gewonnen (Bild 1.25). Diese Maßnahme erlaubt gleichzeitig, das Tonsignal weitgehend verzerrungsfrei und unabhängig vom Bildinhalt (insbesondere beim Farbfernsehsignal) zu gewinnen.

 

Tonsignalübertragung durch Frequenzmodulation

Der Begleitton wird beim Fernseh-Rundfunk in den bisher genutzten Frequenzbereichen fast ausschließlich durch Frequenzmodulation einer hochfrequenten Tonträgerschwin­gung übertragen. Nach der CCIR-Norm Standard Bund G liegt die Frequenz des Ton­ trägers um 5,5 MHz oberhalb des zugehörigen Bildträgers in dem 7 bzw. 8 MHz breiten Fernsehkanal. Der Frequenzhub beträgt maximal 50 kHz. Das Tonsignal, das im Fre­quenzbereich von 40 Hz bis 15 kHz übertragen wird, erfährt eine Preemphase mit der Zeitkonstante von 50 µs, wodurch empfangsseitig der niederfrequente Signal/Rauschab­ stand verbessert wird. Das Verhältnis von Tonträgerleistung zu Bildträgerleistung wurde von ursprünglich 1:5 wegen Störungen bei der Farbfernsehübertragung auf 1:10 reduziert. Untersuchungen ergaben darüber hinaus, daß selbst bei einem Verhältnis von 1:20 bei einem für einwandfreies Bild ausreichenden Signalpegel auch eine ungestörte Ton­ wiedergabe möglich ist. Die abgestrahlte Leistung des Tonsenders beträgt deshalb heute üblicherweise nur noch 1 /20 der abgestrahlten Leistung des Bildsenders.

Nach dem anfänglich bei Fernsehempfängern üblichen Intercarrier-Ton-Verfahren wird im ZF-Teil des Empfängers durch Überlagerung von Bild- und Tonträger an einer nichtli­nearen Kennlinie (Videodemodulator) ein durch das Tonsignal frequenzmodulierter Dif­ferenzträger (Intercarrier) mit der Frequenz von 5,5 MHz gewonnen. In einem eigenen 5,5-MHz-Ton-ZF-Kanal wird dieser Träger verstärkt, amplitudenbegrenzt und demodu­ liert (Bild 1.26). Die Frequenz des Intercarrier-Tonträgers ist konstant und wird nicht durch eine Fehlabstimmung oder durch Frequenzschwankungen des Empfängeroszilla­ tors beeinflußt. Der Fernsehempfänger ist lediglich auf optimale Bildqualität abzustim­ men bzw. wird mit heutigen Synthesizer-Tunern auf den Bildträger eingestellt. Eine Anwendung dieses Verfahrens setzt allerdings voraus, daß die Amplitude des Bildträgers bei der Überlagerung stets größer ist als die des Tonträgers, um eine Amplitudenmodula­tion des Differenzträgers durch den Bildinhalt und die Synchronimpulse zu vermeiden. Man erreicht dies durch ein entsprechendes Bild-zu-Tonträger-Verhältnis und die Weiß­wertbegrenzung auf mindestens 100 % der Bildträgeramplitude, sowie durch ein Absen­ken der Verstärkung im gemeinsamen ZF-Teil des Empfängers bei der Frequenz des Ton­trägers (sogenannte Tontreppe). Eine unvermeidliche geringe Amplitudenmodulation des Differenzträgers wird im Begrenzer vor dem FM-Demodulator unterdrückt.

 

Bei der Farbfernsehübertragung allerdings können, durch die Überlagerung des zusätzli­chen Farbartsignales auf das BAS-Signal bedingt, trotzdem Impulsstörungen mit der Halbbildwechselfrequenz von 50 Hz in den Tonkanal gelangen. Dies trifft insbesondere zu bei hellen Bildvorlagen im Farbbereich von Gelb. Auch bei Schrifteinblendungen in das Fernsehbild, die ein Videosignal mit starken Komponenten bei etwa 1 MHz ergeben, können Störungen durch ein mit dem Farbträger entstehendes Mischprodukt bei 5,5 MHz auftreten.

Eine Abhilfe und damit eine Verbesserung der Qualität der Tonübertragung wäre durch Anwendung des Parallel-Ton-Verfahrens möglich. Der frequenzmodulierte Tonträger wird dabei nach der Empfängermischstufe in einem eigenen Ton-ZF-Kanal bei 33,4 MHz selektiv verstärkt und dann demoduliert (Bild 1.27). Eine störende Beeinflussung des Tonträgers vom Bildträger her ist somit ausgeschlossen. Dieses Verfahren erfordert aller­dings einen höheren Aufwand im Empfänger und weist einige Nachteile auf. Die Sender­ einstellung, besonders im UHF-Bereich, wird sehr kritisch, da ja der relativ schmale Ton-ZF-Kanal abgestimmt werden muß. Mechanische Erschütterungen des Tuners könn­ten den Oszillator verstimmen und so zu Störgeräuschen im Tonkanal führen. Bei Gerä­ten mit automatischer Frequenznachstimmung oder Synthesizer-Abstimmung entstehen u.U. Spannungsschwankungen, die wiederum nur durch eine Vergrößerung der Zeitkon­stanten im Regelkreis und durch hohe Siebung der Abstimmspannung für den Oszillator unterdrückt werden können. Ein Versagen des Sendersuchlaufes und lange Umschaltzei­ten bei Kanalwechsel wären die Folge.

Als Kompromiß wurde das Quasi-Parallel-Ton-Verfahren entwickelt [16]. Im Prinzip liegt diesem das Intercarrier-Ton-Verfahren zugrunde mit der Mischung von Bildträger und Tonträger. Die 5,5 MHz-Ton-ZF wird jetzt in einer multiplikativen Mischstufe erzeugt, der von einem gemeinsamen Breitband-ZF-Verstärker das Ton-ZF-Signal mit der Frequenz 33,4 MHz und der unmodulierte Bildträger, durch Selektion aus dem Spektrum des AM-Modulationsproduktes hervorgehoben, mit etwa gleicher Amplitude zugeführt werden (Bild 1.28). Der Pegel des 5,5-MHz-Tonträgers ist dadurch gegenüber dem einfachen Intercarrier-Ton-Verfahren um 20 dB angehoben, was selbst bei Über­modulation des Bildsenders und kritischem Farbbildinhalt noch einen Störabstand von 40 dB gegenüber einem vergleichbaren Wert von 0 dB bei dem einfachen Intercarrier-Ton-Verfahren ergibt [16]

Die Sendereinstellung ist unkritisch, weil Bild- und Ton-ZF über einen breitbandigen Verstärkerkanal zugeführt werden. Der durch Selektion und Amplitudenbegrenzung gewonnene Referenzträger wird gleichzeitig zur Synchrondemo­dulation bei der Rückgewinnung des Bildsignales verwendet.

Übertragung von weiteren Tonsignalen

Aus verschiedenen Gründen, wie z.B. mehrsprachiger Begleitton zum Fernsehbild, Film­sendungen mit Originalton und Übersetzung oder auch Stereo-Tonübertragung, besteht Interesse an der Ausstrahlung von zusätzlichen Tonsignalen beim Fernseh-Rundfunk. Umfangreiche Untersuchungen über die verschiedenen Möglichkeiten wurden darüber angestellt, wobei die Kompatibilität des Verfahrens mit dem eingeführten Fernsehsystem im Vordergrund stand.

Zwei-Tonträger-Verfahren

Den geringsten empfängerseitigen Aufwand erfordert das Zwei-Tonträger-Verfahren. Dabei wird zwischen dem ersten Tonträger, 5,5 MHz oberhalb des Bildträgers, und dem oberen Nachbarkanal ein zweiter Tonträger etwa 5,75 MHz oberhalb des Bildträgers eingefügt, der durch ein zweites Tonsignal ebenfalls frequenzmoduliert wird (Bild 1.29). Um Störungen zu vermeiden, wird die Leistung des zweiten Tonträgers auf ein Fünftel der Leistung des ersten Tonträgers abgesenkt. Die Frequenz des zweiten Tonträgers ist nicht genau um 250 kHz gegenüber dem ersten Tonträger versetzt, da dies ein ganzzahli­ges Vielfaches der Zeilenfrequenz wäre und bei Kreuzmodulation zu starken Störungen führen könnte. Man wählt vielmehr den sogenannten Halbzeilen-Offset mit einer Fre­quenzdifferenz von 15,5 · 15,625 kHz = 242,1875 kHz, was eine Tonträgerfrequenz von 5,742 MHz oberhalb des Bildträgers ergibt (18).

 

 

Die beiden Tonträger liegen somit innerhalb der Fernsehkanäle bei den Frequenzen

 

mit den Leistungen

Die meisten Fernsehsender in der Bundesrepublik Deutschland, wo dieses Verfahren angewendet wird, sind für die Aussendung von zwei Tonsignalen ausgerüstet. Bei der Zweikanal-Tonübertragung unterscheidet man nach drei möglichen Betriebsar­ten: Mono-, Stereo- und Zweiton-Übertragung. Bei der Mono-Übertragung werden der Tonträger 1 und der Tonträger 2 mit dem glei­chen Signal (Ton 1) moduliert. Zusätzlich überträgt der Tonträger 2 einen Pilotton mit der Frequenz

Im Falle der Stereo-Übertragung hat sich gezeigt, daß mit der beim Hörrundfunk übli­chen Matrizierung der L und R-Signale unterschiedliche Störabstandswerte in den empfängerseitigen Stereokanälen auftreten. Die Ursache dafür liegt in einer teilwei­sen Korrelation der Störsignale, die gerade beim Intercarrier-Tonverfahren entstehen. Eine abgeänderte Matrizierung der L und R-Signale vermeidet dies. Dem Tonträger 1 wird nun das Mittensignal M = 1 /2 · (L + R) auf moduliert. Der Ton­träger 2 überträgt das R-Signal und den Pilotton, der nun mit einer Kennfrequenz von

amplitudenmoduliert ist.

 

Bei der Zweiton-Übertragung werden auf dem Tonträger 1 und dem Tonträger 2 die unterschiedlichen Tonsignale (Ton 1 und Ton 2) übertragen. Auf dem Tonträger 2 ist in diesem Fall der Pilotton mit einer Kennfrequenz

amplitudenmoduliert.

 

Tabelle 1.1 zeigt die verschiedenen Betriebsarten bei der Mehrkanal-Tonübertragung nochmals in einer Zusammenstellung.

 

Empfängerseitig wird nach der Intercarrier-Mischstufe im ZF-Teil auf zwei Intercarrier­ ZF-Kanäle bei 5,5 MHz und 5,742 MHz aufgeteilt (Bild 1.30). Die Zuordnung der übertragenen Tonsignale auf die Wiedergabekanäle L bzw. R am Ausgang I (z.B. Laut­sprecher) oder Ausgang II (z.B. Kopfhörer) erfolgt direkt oder nach Dematrizierung über einen von der Modulation des Pilottones gesteuerten Signalschalter und dem Wunsch des Fernsehteilnehmers entsprechend.

 

NICAM-Verfahren

Neben dem Zwei-Tonträger-Verfahren mit Frequenzmodulation ist in einigen europäi­schen Ländern das von der BBC (British Broadcasting Corporation) entwickelte NICAM-Verfahren eingeführt worden. Das digitale Zweiton-Verfahren NICAM 728 (Near Instantaneously Companded Audio Multiplex) mit einer Bitrate von 728 kbit/s, ermöglicht zwei hochwertige digitale Tonkanäle durch 4-Phasenumtastung eines zweiten Tonträgers zu übertragen, der aus Kompatibilitätsgründen zusätzlich zum bisherigen frequenzmodulierten ersten (Mono-)Tonträger abgestrahlt wird.

Das digitale Multiplexsignal, Tonsignale und zusätzliche Daten in einem Datenrahmen mit der Rahmendauer TR = 1 ms, zusammengesetzt aus

 

wird nach Phasendifferenzcodierung dem NICAM-Tonträger durch 4-Phasenumtastung (4-PSK) aufgebracht. Die dabei notwendige HF-Bandbreite für das Modulationspro­ dukt von etwa 500 kHz erfordert einen größeren Abstand des zweiten Tonträgers zum ersten Tonträger als beim Zwei-Tonträger-FM-Verfahren. Im CCIR-Standard B bzw. G liegt der NICAM-Tonträger deshalb 5,85 MHz oberhalb des Bildträgers.

Bildsignalübertragung durch Frequenzmodulation

Die Qualität des am Empfangsort wiedergegebenen Fernsehbildes wird entscheidend vom Signal/Rauschabstand im Bildsignal beeinflußt. Dieser wiederum hängt ab vom Verhältnis der empfangenen Trägerleistung zur Rauschleistung im hochfrequenten Übertragungskanal. Darüber hinaus hat das Verfahren der Trägermodulation einen bedeutenden Einfluß. Für ein rauschfrei wiedergegebenes Bild, wofür ein Video-Signal/Rauschabstand von 46 dB (bewertet) zugrunde gelegt wird, muß bei Übertragung durch Restseitenband-Ampli­tudenmodulation im hochfrequenten Übertragungskanal ein HF-Signal/Rauschabstand von etwa 56 dB vorliegen. Das erfordert eine Trägerspannung um 1 mV am Empfänger­eingang.

Bei Übertragung durch Frequenzmodulation kommt man, je nach dem Frequenzhub bzw. Modulationsindex, mit wesentlich geringerem HF-Signal/Rauschabstand aus. Allerdings ist zu berücksichtigen, daß bei Frequenzmodulation ein breiteres Frequenz­ band belegt wird. Abhängig vom Frequenzhub vom Modulationsindex M, der sich mit der maximal zu übertragenden Signalfrequenz fs,max zu

ergibt, erhält man die bei Frequenzmodulation notwendige Übertragungsbandbreite nach der CARSON-Beziehung zu

 

BFM   = 2 · (LlfT + fs,mv.)  = 2 ·fs,max · (M  + 1)                                  

 

Bei dem gegenüber der Sinusform nun unsymmetrischen BAS-Signal wird vor dem FM­ Modulator eine lineare Vorverzerrung des Signales durch die sog. Preemphase einge­ führt. Es handelt sich dabei im wesentlichen um ein Differenzierglied mit bei tiefen Frequenzen (unterhalb 100 kHz) und bei hohen Frequenzen (oberhalb 10 MHz) konstanter Übertragungsfunktion. Man erreicht damit eine bessere Ausnutzung des Aussteuerberei­ ches des FM-Modulators und mit der zugehörigen Deemphase nach dem FM-Demodu­lator auf der Empfangsseite eine Absenkung der hochfrequenten Rauschanteile im Vi­deosignal.

Die nichtlineare Übertragungsfunktion im log. Maßstab als Dämpfungsfunktion a(f), die Video-Preemphase für Fernsehbildsignale nach der 625-Zeilen-Norm, zeigt Bild 1.31. Gegenüber der sog. neutralen Frequenz bei etwa 1,5 MHz werden die tieferfrequen­ten Signalanteile um bis zu 11 dB abgesenkt, während die höherfrequenten Anteile bis 5 bzw. 6 MHz um etwa 2,5 dB angehoben werden. Die schaltungsmäßige Realisierung der Preemphase (a) bzw. Deemphase {b) für einen Vierpol-Wellenwiderstand von

Zw = 75 Q gibt Bild 1.32 wieder [23].

 

 

 

Der Mittelwert des durch die Preemphase differenzierten BAS-Signales weicht nur geringfügig vom Schwarzwert des ursprünglichen BAS-Signales ab. Man kann so im wesentlichen wieder von einer symmetrischen Aussteuerung des FM-Modulators ausge­hen und die zur Übertragung notwendige Bandbreite dann berechnen.

Bei einem, dem BAS-Signal mit dem Spitze-Spitze-Spannungswert 1 V zugeordneten Spitze-Spitze-Frequenzhub von 10 MHz für die neutrale Frequenz, berech­net sich die notwendige Bandbreite zu:

 

 

Dies bedeutet eine gegenüber Zweiseitenband-Amplitudenmodulation etwa 2,5-fache bzw. gegenüber Restseitenband-Amplitudenmodulation etwa 4-fache Übertragungs­bandbreite.

Der Modulationsgewinn bei Frequenzmodulation, d. h. die Verbesserung des Video­ Signal/Rauschabstandes SR video gegenüber dem hochfrequenten Signal/Rauschab­stand SR HF im Übertragungskanal berechnet sich unter Berücksichtigung des dem BA­ Signal zugeordneten Frequenzhubanteils zu:

 

 

 

Dazu kommt noch ein Gewinn durch die Deemphase mit 2 dB und durch die Rauschbewertung mit etwa 8 dB, so daß insgesamt mit einer Verbesserung des Video-Signal/Geräuschabstandes gegenüber dem HF-Signal/Rauschabstand von

 

 

zu rechnen ist.

 

Bei einer FM-Videosignalübertragung mit einem Spitze-Spitze-Frequenzhub von 10 MHz, einer angenommenen HF-Rauschbandbreite von BR, HF =  25 MHz und einer  Video-Rauschbandbreite von BR, video = 5 MHz ergibt das einen resultieren­ den Modulationsgewinn von etwa 20 dB.

Aus Gründen der Frequenzökonomie konnte in den VHF- und UHF-Fernsehbereichen das Verfahren der Frequenzmodulation nicht eingeführt werden. Bei der Übertragung von Fernsehsignalen im Modulations- und Verteilnetz der Fernsehanstalten bzw. der Telekom über die terrestrischen Richtfunkstrecken im Mikrowellenbereich wurde jedoch von Anfang an schon die Frequenzmodulation gewählt, um eine hohe Qualität der über­ tragenen Fernsehsignale zu gewährleisten. Ebenso findet die Frequenzmodulation heute noch Anwendung bei der Übertragung von Fernsehsignalen über die Fernmeldesatelliten zum Programmaustausch und zur Versorgung der Kabelverteilanlagen sowie über die Fernmelde- und Rundfunk-Satelliten zum Direktempfang für Einzelteilnehmer am Satelliten-Fernsehen.

Satelliten-Fernsehsignalverteilung

Wegen der weitreichenden Bedeckungszonen, insbesondere auch bei interkontinentalen Verbindungen, wurden die Richtfunk-Relaisstellen in, meist geostationäre, Satelliten verlagert. Zunächst wurden diese nur als Fernmelde- oder Nachrichten-Satelliten eingesetzt, d. h. ihre Aufgabe war es, Fernsprech- und Datenverbindungen sowie den Aus­tausch von Rundfunk- und Fernsehprogrammen über die Satelliten-Bodenstationen in den verschiedenen Ländern als Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zu ermöglichen. Im weiteren kam dann die Versorgung der Kabel-Kopfstationen der örtlichen BK-Netze mit den angebotenen Fernsehprogrammen hinzu.

Von der internationalen Organisation INTELSAT (International Telecommunication Satellite Organization) wird seit 1965 weltweit ein System mit verschiedenen Nachrich­tensatelliten bereitgestellt. Die Satellitensysteme sind mittlerweile schon in der sechsten bzw. siebten Generation mit den Satelliten INTELSAT VI und INTELSAT K [245]. Für den Betrieb über die für kommerzielle Verbindungen benutzten Satelliten-Sendefrequenzen im 4-GHz-Bereich sind bei den Erdfunkstellen Parabolantennen mit etwa 30 m Durchmesser notwendig. Zunehmend wird aber im 11- bzw. 12-GHz-Bereich vom Satelliten abgestrahlt, was eine Reduzierung des Empfangsantennen-Durchmessers bei den kommerziellen Empfangsstellen auf unter 10 m zuläßt.

Auf der europäischen Ebene ist es die EuTELSAT (European Telecommunication Organization), die Nachrichtenkanäle insbesondere für die Fernsehsignalverteilung bereitstellt. Die EuTELSAT-Satelliten, mittlerweile in der zweiten Generation mit EuTELSAT II, strahlen in Spotbeams, und zukünftig auch mit einem Widebeam, stark gebündelt auf Ost­ bzw. Westeuropa ab. Auch bei diesen Satelliten erfolgt die Abstrahlung im 11-GHz­ Bereich (Bild 1.33) [24, 25].

Die Angaben über den notwendigen Durchmesser einer Empfangsantenne sind selbst­ verständlich abhängig von der Empfindlichkeit der Empfänger-Eingangsstufe. Mit der Entwicklung von sehr rauscharmen Eingangsstufen (Low Noise Converter, LNC) konnte auch der erforderliche Antennendurchmesser verringert werden, so daß die Möglichkeit des Individualempfangs von Fernsehprogrammen über die Nachrichtensatelliten geschaffen wurde.

Die Fernmeldesatelliten strahlen im 11-GHz-Bereich zwischen 10,95 und 11,7 GHz und im Falle der nationalen Satellitensysteme TELECOM (Frankreich) und KOPERNIKUS

 

 

(Deutschland) auch im 12-GHz-Bereich zwischen 12,5 und 12,75 GHz mit linearer Polarisation (horizontal oder vertikal) mit einem Strahlungsleistungspegel von 48 bis 54 dBW. Die Ausgangsleistung des Transponders selbst beträgt 20 W.

Direktempfangs-Rundfunksatelliten

Eine flächendeckende Versorgung der Fernsehteilnehmer mit verschiedenen, später evtl. auch europäischen Programmen mit mehrsprachigem Begleitton, ist mit den Direktemp­fangs-Rundfunksatelliten möglich. Nach den Ergebnissen der WARC 77 (World Admi­nistration Radio Conference 1977) wurde der Frequenzbereich von 11,7 bis 12,5 GHz in der europäischen Region für verschiedene Satellitenpositionen in jeweils 40 Kanäle mit 27 MHz Bandbreite eingeteilt, die im Abstand von 19,18 MHz sich überlappend mit abwechselnd rechts- oder linksdrehender zirkularer Polarisation aufeinanderfolgen. Bild 1.34 zeigt die Zuordnung der 40 Kanäle für die Satellitenposition 19° West mit jeweils 5 Kanälen auf die mitteleuropäischen Staaten Deutschland (D), Frankreich (F), Österreich (AUT), Luxemburg (LUX), Belgien (B), Niederlande (HOL), Schweiz (SUI) und Italien (1).

 

 

Den Planungen der WARC77 wurde zugrunde gelegt ein maximaler Strahlungslei­stungspegel von 66 dBW, der mit einer Ausgangsleistung von etwa 250 W des Satelliten­ Transponders erreicht wird. Bei einem Spitze-Spitze-Wert des Frequenzhubs bei der neu­tralen Frequenz der Preemphase von 13,5 MHz und den dem damaligen Stand der Technik entsprechenden Empfängereingangsstufen kann mit einer 90 cm­ Parabolantenne (und kleiner) ein weitgehend störungsfreier Fernsehempfang in dem angenommenen Versorgungsgebiet gewährleistet werden. Empfindlichere Eingangsstu­fen erlauben heute in diesem Bereich eine Reduzierung des Antennendurchmessers auf 60 cm.

Die Direktempfangs-Rundfunksatelliten arbeiten mit relativ hoher Sendeleistung beim Transponder. So beträgt die maximale Sendeleistung beim deutschen TV-Sat und dem baugleichen französischen TDF je Transponder 230 W. Die Sendeleistung weiterer ver­gleichbarer Satelliten, wie Olympus (ESA), Marco Polo (Großbritannien), Tele X (Däne­mark, Norwegen, Schweden), Eiresat (Irland) oder Hispasat (Spanien) liegt bei etwa 100 W [28].

 

ASTRA-System

Eine aktuelle Generation der Direktempfangssatelliten wurde mit den ASTRA-Satelliten der luxemburgischen SES (Societe Europeenne des Satellites) eingeführt. Es handelt sich um sogenannte „Medium Power"-Satelliten (Transponder-Sendeleistung 60 bis 80 W) mit einem max. Strahlungsleistungspegel von etwa 52 dBW und einer Transponder­ Bandbreite von 26 MHz. Mit je 16 Transpondern auf den Satelliten ASTRA-1A und ASTRA-1B sowie 18 Transpondern auf ASTRA-1C stehen auf der Position 19,2° Ost privaten und öffentlich-rechtlichen Programmanbietern (Stand: schon im Frühjahr 1994) insge­samt 50 TV-Kanäle für den zentraleuropäischen Raum zur Verfügung.

 

Die heutige Technik der rauscharmen Eingangsstufen erlaubt es auch hier, schon mit einer 60-cm Parabolantenne ein bei guten Witterungsbedingungen rauschfreies Bild wiederzu­geben. Die Sendefrequenzen der ASTRA-Satelliten auf der geostationären Orbitposition von 19,2° Ost liegen in den Frequenzbereichen der Fernmeldesatelliten (FSS, Fixed Satellite Services) bei

• 11,2 bis 11,45 GHz (1A), 11,45 bis 11,7 GHz (1B),
• 10,95 bis 11,2 GHz (1C) und 10,7 bis 10,95 GHz (1D, 1E)

sowie im Frequenzbereich der Direktempfangs-Rundfunksatelliten (BSS, Broadcast Satellite Services) bei

• 11,7 bis 12,1 MHz (1D, 1E) und zukünftig 12,1 bis 12,5 GHz (1F)
• mit abwechselnd horizontaler und vertikaler Polarisation [29, 30, 31, 32, 33].

Empfangseinrichtungen

Bei der Fernsehbildsignalübertragung durch Frequenzmodulation über den Satellitenka­nal sind empfangsseitig besondere Einrichtungen notwendig. Diese beginnen in der sog. „Outdoor-Unit" bei der Mikrowellen-Antenne mit der Polarisationsweiche, gefolgt von einer bzw. zwei Mischstufen, wo das RF-Frequenzband in eine erste Zwischenfrequenz von 950 bis 1750 MHz bzw. den erweiterten ZF-Bereich von 950 bis 2050 MHz umgesetzt wird. Je nach nur einem oder mehreren in die ZF-Lage umgesetzten RF-Frequenzbän­ dern spricht man dann bei der Außen-Einheit auch von einem LNC (Low Noise (Down)-Converter) bzw. LNB (Low Noise Block (Down)-Converter). In der ZF-Fre­quenzlage erfolgt die Weiterleitung der Signale zum eigentlichen Satelliten-Empfänger.

 

Um gleichzeitig die Signale von Trägern mit unterschiedlicher Polarisation im ZF­-Bereich aufeinanderfolgend umgesetzt über nur ein Kabel dem Receiver zuführen zu können, wird der ZF-Bereich von 1750 MHz auf 2050 MHz erweitert. Im Satelliten­-Empfänger erfolgt in einer weiteren Mischstufe die Umsetzung in die zweite Zwischen­frequenz, die üblicherweise bei 480 MHz liegt. Bei dieser Frequenz findet die eigentliche Kanalselektion und FM-Demodulation statt. Die weitere Verteilung des Fernsehbild­ und Tonsignales zur Wiedergabe mit einem herkömmlichen Fernsehempfänger erfolgt im Basisband über eine Scart-Verbindung oder ggf. wieder durch Restseitenband-Ampli­tudenmodulation beim Videosignal und Frequenzmodulation beim Tonsignal auf einen Bild- und Tonträger im UHF-Bereich.

Die Übertragung von Fernsehbild- und Tonsignalen über den deutschen Direktemp­fangs-Rundfunksatellit TV-SAT-2, wie auch über den baugleichen französischen Satellit TDF-1, erfolgt derzeit noch gemäß EG-Richtlinie und Beschluß der beiden Länder nach der Fernsehnorm, dem D2-MAC-Verfahren [34, 35]. Dies erfordert im Satellite­nempfänger nach dem FM-Demodulator noch einen D2-MAC-Decoder.