4. Übertragung von analogen Farbbildsignalen im Zeitmultiplex
Die im vorangehenden Abschnitt beschriebenen Verfahren zur Farbbildübertragung gingen aus der Forderung nach Kompatibilität mit der bereits eingeführten Schwarzweiß Bildübertragung hervor. Anders liegt die Situation bei einer Übertragung der Komponenten des Farbbildsignales im Zeitmultiplex, wo von vornherein ein neues System zugrunde gelegt werden konnte. Im Laufe der vergangenen Jahre wurden dazu Entwicklungen durchgeführt, deren Ziel stets eine Verbesserung der Farbbildwiedergabe, auch bei ungünstigen Übertragungsbedingungen, war und darüber hinaus auch eine Verbesserung der Tonqualität bei gleichzeitig mehreren Tonkanälen. Insbesondere sollten die Interferenzstörungen zwischen dem Leuchtdichtesignal und dem Farbartsignal (Cross Colour und Cross Luminance) sowie die verminderte Bandbreite im Leuchtdichtekanal und damit die reduzierte Bildschärfe des Farbfernsehempfängers eliminiert werden.
4.1 Timeplex-Verfahren
Erstaunlich ist, dass bereits 1970 von W. BRUCH, dem Erfinder des PAL-Verfahrens, eine zeitliche Komprimierung des Farbartsignales vorgeschlagen wurde, um es gemeinsam mit dem Leuchtdichtesignal innerhalb einer Zeile zu übertragen. Wegen des hohen technischen Aufwandes und wegen nicht genügender Kompatibilität konnte sich dieses Verfahren aber nicht durchsetzen. Erst Ende der siebziger Jahre wurde dieser Gedanke am Institut für Nachrichtentechnik der Technischen Universität Braunschweig unter Prof. SCHÖNFELDER wieder aufgegriffen und in ein Zeitmultiplex-Verfahren umgesetzt, dem man die Bezeichnung Timeplex gab [6].
Gegenüber dem im Frequenzmultiplex zusammengesetzten NTSC- oder PAL-FBAS-Signal (Bild 4.1 a), wo einem Farbträger im oberen Bereich des Spektrums des Leuchtdichtesignales die Farbartinformation über die beiden Farbdifferenzsignale durch Quadraturmodulation gleichzeitig aufgebracht ist, werden beim Timeplex-Signal der Leuchtdichteanteil und die beiden Farbdifferenzsignale, alternierend von Zeile zu Zeile durch B—Y und R—Y, zeitlich nacheinander übertragen. Für das Farbdifferenzsignal verbliebe eigentlich nur ein Teil der Horizontal-Austastlücke. Durch eine geringfügige Verkürzung des Leuchtdichtesignales auf 50 und eine Verringerung der Breite des Horizontal-Synchronimpulses auf 1,5 us erhält man, unter Berücksichtigung einer Klemmlücke von etwa 2,5 us, ein Zeitintervall von 10 us für ein zeitkomprimiertes Farbdifferenzsignal. Bei einer Zeitdauer von 50 PIS für das nicht komprimierte Farbdifferenzsignal einer Zeile und einer Video-Bandbreite von 5 MHz im System kann die Bandbreite des angebotenen Farbdifferenzsignales 1 MHz betragen (Bild 4.1 b) [6, 74, 75].
Durch die zeitlich getrennte Übertragung von Leuchtdichte und Farbartkomponenten wird jegliches Übersprechen vermieden. Es treten keine Cross Colour- oder Cross Luminance-Effekte auf. Das Leuchtdichtesignal kann auf der Empfangsseite mit der vollen Bandbreite verarbeitet werden, weil beim Timeplex-Verfahren dem Y-Signal keine Farbartkomponenten überlagert sind. Eine Frequenzbandbegrenzung im Übertragungskanal wirkt sich gleichermaßen auf die Leuchtdichte- und Farbdifferenzsignale aus.
In Verbindung mit einer Tonsignalübertragung durch Frequenzmodulation eines oder zweier Tonträger wird vom A-Timeplex-Verfahren und in einer anderen Variante mit digital codiertem Tonsignal im Zeitmultiplex zum Y- und (B—Y)- bzw. (R—Y)-Signal vom B-Timeplex-Verfahren gesprochen [75].
Das Timeplex-Verfahren hat zunächst nur bei der Video-Magnetband-Aufzeichnung und im Zusammenhang mit einer Schmalband-Version eines analogen Bildfernsprechsystems Interesse gefunden. Es wurde aber durch die weitere Entwicklung in Richtung teilweiser oder voller digitaler Signalübertragung überholt.
4.2 MAC-Verfahren
Ganz anders verlief die Entwicklung zehn Jahre später bei einem Zeitmultiplex-Verfahren, das unter dem Namen MAC, Multiplexed Analogue Components, in Großbritannien von der IBA (Independent Broadcasting Authority) vorgestellt wurde. Ausgangspunkt war diesmal ein möglichst für ganz Europa einheitlich festzulegendes Übertragungsverfahren für die Direktempfangs-Fernsehsatelliten mit hochwertiger Mehrkanal Tonübertragung. Bei den vorgesehenen vier bzw. acht Tonkanälen schied ein Mehrträger-Tonverfahren wegen der möglichen Intermodulation im Satelliten-Transponder von vornherein aus.
Die Übertragung von Fernsehsignalen über Fernmelde- oder Direktempfangssatelliten erfolgt durch Frequenzmodulation. Nach dem FM-Demodulator ist dabei dem Videosignal ein dreieckförmiges Rauschspannungsspektrum überlagert, was bedeutet, dass die Rauschleistungsdichte im Videoband nach höheren Frequenzen hin quadratisch ansteigt (Bild 4.2). Beim PAL-Verfahren liegt das Farbartsignal somit in einem Bereich relativ hoher Rauschleistungsdichte. Durch die Synchrondemodulation im PAL-Decoder werden die höherfrequenten Rauschkomponenten in den Frequenzbereich von null bis etwa 1 MHz umgesetzt. Sie werden damit am Bildschirm stärker sichtbar.
Dieser Nachteil des PAL-Verfahrens und die Übersprecheffekte sollten bei einem neu eingeführten Verfahren auf der Satellitenstrecke vermieden werden.
Im Januar 1983 wurde von der IBA und der BBC auf einem großen MAC-Kongreß das neue Verfahren im Vergleich zu PAL in einer aufwendigen Demonstration der technischen Fachwelt vorgestellt. Es handelte sich dabei um das C-MAC-Verfahren mit digitalem Begleitton.
4.2.1 Signalabtastung und Zeitkompression
Grundlage des MAC-Verfahrens ist die Zusammenfassung der analogen Leuchtdichteund Farbdifferenzsignale im Zeitmultiplex innerhalb einer Zeile. Dazu ist eine zeitliche Kompression der Signale erforderlich. Dies geschieht aus dem aktiven Teil einer Zeile mit 52 us beim Leuchtdichtesignal mit dem Faktor 1,5:1 auf etwa 34,4 us und bei den Farbdifferenzsignalen mit dem Faktor 3:1 auf etwa 17,2 us. Die genauen Zeitwerte ergeben sich aus der Taktfrequenz des Abtastsystems, die auf der „Digitalen Studionorm" (CCIR-Empfehlung 601) [76] basiert. Dazu kommen das zeitkomprimierte digitale Tonsignal sowie digitale Synchronsignale (Bild 4.3).
Die Zeitkompression der analogen Signale erfolgt über eine Abtastung, Zwischenspeicherung der Abtastwerte (analog oder digital) und Auslesen des Speichers mit entsprechend um den Faktor 1,5 bzw. 3 höherer Taktfrequenz. Mit der Zeitkompression verbunden ist eine um den Faktor 1,5 bzw. 3 höhere Bandbreite der zeitkomprimierten Signale.
Den Vorgang der Signalabtastung, schematisiert am Beispiel einer Farbbalkenfolge, zeigt Bild 4.4a für das Leuchtdichtesignal und Bild 4.4b für ein Farbdifferenzsignal in der Zeit- und Frequenzebene.
Als Abtastfrequenz wird gemäß der digitalen Studionorm beim Leuchtdichtesignal fA,Y = 13,5 MHz und beim Farbdifferenzsignal fA,U = fA,V = 6,75 MHz gewählt. Auch beim MAC-Verfahren werden reduzierte Farbdifferenzsignale in einer Skalierung übertragen, die den Aussteuerbereich der Farbdifferenzsignale dem des Leuchtdichtesignales anpaßt. Es gelten die Beziehungen
und
Die maximale Amplitude der reduzierten Farbdifferenzsignale beträgt damit bei einer Bildvorlage entsprechend 77% elektrischer Sättigung (siehe EBU-Normfarbbalken,
Abschnitt 3.2) 0,5 V. Ein Spannungswert von 1 V zwischen Schwarz und Weiß für das Leuchtdichtesignal wird so durch den Spitze-Spitze-Spannungswert der Farbdifferenzsignale nicht überschritten, solange die Farbsättigung unter 77% bleibt. Durch die zeilensequentielle Übertragung der Farbdifferenzsignale bleibt die bei höherer Farbsättigung durch Begrenzungseffekte mögliche Entsättigung oder Farbtonverschiebung auf wenige Farben beschränkt.
Das Signalfrequenzband wird vor der Abtastung beim Leuchtdichtesignal auf 5,6 MHz begrenzt, womit gegenüber einem 5-MHz-System noch eine etwas bessere Horizontalauflösung erreicht wird. Die Farbdifferenzsignale werden auf 1,8 MHz bandbegrenzt.
Die Abtastung erfolgt mit schmalen Impulsen im Abstand von TA,Y = 74 ns beim Leuchtdichtesignal und von TA,U = TA,V = 148 ns bei den Farbdifferenzsignalen. Gemäß der digitalen Studionorm entfallen auf den aktiven Teil einer Fernsehzeile beim Leuchtdichtesignal 720 Abtastwerte und bei den Farbdifferenzsignalen jeweils 360 Abtastwerte.
Das Spektrum der Abtastsignale, wegen des Vorgangs einer Pulsamplitudenmodulation (PAM) als Modulationsprodukt bezeichnet, hat eine Basisbandkomponente im Frequenzbereich von 0 bis 5,6 MHz und im weiteren Seitenbänder zu den Harmonischen der Abtastfrequenz [77].
Die Abtastwerte des Leuchtdichtesignales bzw. der Farbdifferenzsignale werden nun zeilenweise mit dem Abtasttakt fA,Y bzw. f = fA, U = fA,V in einen Analogsignalspeicher, oder nach A/D-Wandlung in einen Digitalspeicher eingelesen (Bild 4.5).
Gegenüber den nach der CCIR-Empfehlung 601 festgelegten Abtastwerten für eine aktive Zeile mit der Dauer von 53,33 us wird hier ein geringer Abschlag vorgenommen, wegen der für die Signalübergänge notwendigen Zeitabschnitte im Multiplexsignal, so dass für das MAC-Signal je Zeile 697 Abtastwerte des Leuchtdichtesignales Y und 349 Abtastwerte eines Farbdifferenzsignales U bzw. V abzuspeichern sind.
Das Auslesen der Speicher erfolgt sowohl für das Y-Signal als auch für das U- bzw. V-Signal mit einem Abtasttakt fA = 20,25 MHz, was beim Y-Signal eine Zeitkompression um den Faktor 1,5 und beim U- bzw. V-Signal um den Faktor 3 bedeutet. Mit einer Periodendauer des Auslesetaktes von TA = 49,38 ns erhält man dann für das zeitkomprimierte Y-Signal eine Dauer von
und für das zeitkomprimierte U- bzw. V-Signal einen Wert von
Im Spektrum der zeitkomprimierten Abtastsignale erscheint wieder ein Basisband, das nun beim Y-Signal um den Faktor 1,5 gedehnt im Bereich von 0 bis 8,4 MHz liegt und beim U- bzw. V-Signal um den Faktor 3 gedehnt im Bereich von 0 bis 5,4 MHz. Darüber hinaus treten Seitenbänder zu den Harmonischen der Auslese-Abtastfrequenz fA auf. Über jeweils einen Tiefpaß mit der Bandbreite von 8,4 MHz beim Leuchtdichtesignal
und einer Bandbreite von 5,4 MHz beim Farbdifferenzsignal wird ein zeitkontinuierliches aber zeitkomprimiertes Signal gewonnen.
Alternierend von Zeile zu Zeile werden in den mit Bildinhalt belegten Zeilen 23 bis 310 im ersten Halbbild und in den Zeilen 335 bis 622 im zweiten Halbbild in den ungeradzahligen Zeilen das U-Signal und das Y-Signal und in den geradzahligen Zeilen das V-Signal und das Y-Signal im Zeitmultiplex übertragen. Dazu kommt jeweils noch ein Digitalsignal mit der Synchronisierinformation und dem Mehrkanal-Ton.
Das MAC-Videosignal über eine Zeile, für die zunächst zugrunde gelegte Variante CMAC, zeigt Bild 4.6. Die darin angegebenen Zeitabschnitte haben folgende Bedeutung:
4.2.2 Digitales Synchron- und Tonsignal
Im MAC-Signal wird die Zeilen- und Bildsynchronisation in digitaler Form übertragen. Zur Zeilensynchronisation wird zu Beginn des Datenbursts jeder Zeile ein 6-bit-Synchronwort übertragen als
Die Zuordnung der Zeilensynchronworte zu den einzelnen Zeilen in aufeinanderfolgenden Teilbildern gibt Tabelle 4.1 wieder.
Am Ende eines jeden Vollbildes ändert sich die alternierende Reihenfolge von Wl und W2, womit der Beginn eines neuen Vollbildes markiert wird. Außerdem überträgt man in der Zeile 625 noch ein Bild-Synchronwort mit 64 bit, das zusammen mit einer vorangehenden 32-bit-Takteinlauf-Bitfolge (Clock run in) in aufeinanderfolgenden Vollbildern invertiert wird. Die Takteinlauf- und Bild-Synchronisations-Folge setzt sich zusammen aus den Hexadezimal-Codewörtern
den geradzahligen Teilbildnummern vorausgehend und in invertierter Form vor ungeradzahligen Teilbildnummern.
Eine detaillierte Beschreibung des Datenrahmens findet sich außer in den CCIR- bzw. EBU-Empfeh1ungen [78, 79] u.a. in [80, 81, 82, 83].
4.2.3 C-MAC-Verfahren
Beim C-MAC-Verfahren wird das zeitkomprimierte Videosignal durch Frequenzmodulation des hochfrequenten Trägers übertragen. Der Datenburst aber wird dem Träger durch eine Phasenumtastung (2-4-PSK) aufgebracht. Durch eine Phasendifferenzcodierung bewirkt eine logische „1" im Datensignal eine Phasenänderung des Trägers um + 900 und eine logische „0" eine Phasenänderung um —900. Die notwendige HF-Bandbreite beträgt bei 2-4-PSK etwa das 1,4-fache der Bitfolgefrequenz, womit etwa die Bandbreite des Satellitenkanals von 27 MHz belegt wird. Vom FM-Modulationsprodukt des MAC-Videosignals mit einem Spitze-Spitze-Frequenzhub von 13,5 MHz bei der neutralen Frequenz im Videoband werden die 27 MHz voll ausgenutzt.
Das C-MAC-Verfahren, in Verbindung mit einer Paket-Multiplextechnik bei der Toninformation als C-MAC-Paket, erlaubt die Übertragung von maximal acht hochwertigen digitalen Tonsignalen. Diese werden entsprechend aufbereitet, mit zusätzlichen Daten ergänzt und zu einem kontinuierlichen 3-Mbit/s-Signal (genau 3,0791 Mbit/s) zusammengefasst, das durch Zeitkompression auf etwa 10 us (198 bit) zusammen mit einem Einlauf-Bit (Run-in) und einem digitalen 6-bit-Zeilensynchronwort in Datenbursts mit einer Bitrate von 20,25 Mbit/s dem analogen Zeitmultiplexsignal noch hinzugefügt wird. Am Ende des Datenbursts ist noch ein Reservebit vorgesehen, womit je Zeile insgesamt 206 bit für Synchronisation und Ton bzw. Daten belegt werden.
Das Blockschaltbild eines C-MAC-Coders zeigt Bild 4.7. Nicht eingezeichnet ist ein zusätzliches Vertikal-Vorfilter für die beiden Farbdifferenzsignale, um unerwünschte Alias-Komponenten bei der Signalabtastung zu unterdrücken [9, 84].
Dem MAC-Videosignal wird zusätzlich ein 25-Hz-Dreiecksignal überlagert, das im FMModulator einen Frequenzhub von ± 300 kHz erzeugt und für eine gleichmäßige Energieverteilung innerhalb des FM-Spektrums sorgt. Die ansteigende Flanke des Energieverwischungssignales liegt im Zeitabschnitt b und die abfallende Flanke im Zeitabschnitt k des C-MAC-Videosignales (siehe Bild 4.6). Außerdem wird das Videosignal vor dem FM-Modulator über eine Preemphase nach höheren Frequenzen hin angehoben, um durch eine entgegengesetzt wirkende Deemphase nach dem FM-Demodulator das
ansteigende Rauschspektrum abzusenken und damit den Video-Signal/Rauschabstand zu verbessern.
Das Blockschaltbild eines C-MAC-Decoders ist in Bi I d 4.8 wiedergegeben. Die Demodulation des Videoanteils im Signal erfolgt inkohärent mit einem herkömmlichen FM Demodulator, während das Datensignal durch eine Synchrondemodulation zurückgewonnen wird. Im Videosignalweg unterdrückt die Klemmung des Signales während jeder Zeile auf die übertragene Unbunt-Referenz auch das überlagerte Energieverwischungssignal. Nach der Deemphase gelangt das Signal auf den Demultiplexer, von wo aus getrennt das Leuchtdichte- und die Farbdifferenzsignale in Zwischenspeicher zur Zeitexpansion eingelesen werden. Mit dem eigentlichen Abtasttakt fA,Y ausgelesen, erscheint das Y-Signal wieder in seinem ursprünglichen Frequenzbereich von 0 bis 5,6 MHz. Ein Vertikal-Nachfilter im Farbdifferenzsignalweg unterdrückt störende Alias Komponenten und dient, in Verbindung mit einem Demultiplexer, gleichzeitig zur Aufspaltung in die U- und V-Komponenten. Tiefpaßfilter begrenzen die Farbdifferenzsignale auf den Frequenzbereich von 0 bis 1,8 MHz. Die umfangreiche Taktrückgewinnung und -aufbereitung sind in diesem Blockschaltbild nicht eingezeichnet.
Das C-MAC-Verfahren wurde entwickelt unter Zugrundelegung des Satelliten-Übertragungskanals mit 27 MHz Bandbreite. In terrestrischen Übertragungskanälen steht diese Bandbreite, außer auf FM-Richtfunkstrecken, nicht zur Verfügung. Für die Kabelverteilnetze stand zunächst eine neu zu schaffende Kanalbreite von 10,5 MHz zur Diskussion (drei 7-MHz-Kanäle werden dabei zu zwei 10,5-MHz-Kanälen zusammengefasst). Zwischenzeitlich wurde eine neue Kanalbreite von 12 MHz festgelegt. Damit könnte das
MAC-Videosignal durch Restseitenband-Amplitudenmodulation eines Kanalträgers ohne Probleme übertragen werden. Für das digitale Ton/Daten-Signal mit 20,25 Mbit/s trifft dies jedoch nicht zu.
Sehr bald schon wurde deshalb vom französischen Forschungsinstitut CCETT (Centre Commun d'Etudes de Télédiffusion et Télécommunications) die Aufteilung des gesamten Mehrkanal-Tonsignales in zwei getrennte Unterrahmen mit 82 getrennt adressierbaren „Paketen" vorgeschlagen und 1983 auch von der EBU akzeptiert. Es entstand so das C-MAC/Paket-Verfahren [6, 80].
4.2.4 D- und D2-MAC-Verfahren
Eine andere Entwicklung ging in Richtung einer geänderten Basisbandcodierung der Ton/Daten-Signale. Die Reduzierung der Übertragungsgeschwindigkeit auf den halben Wert durch eine vierstufige Quaternärcodierung schied wegen der zu hohen Störanfälligkeit gegenüber Echostörungen in Kabelverteilanlagen aus. Man wählte vielmehr die weniger anfällige Duobinär-Codierung. Dabei wird eine logische „0" stets als „0" weitergegeben, eine logische „1" aber entweder als „+ 1" oder als „—1". Charakteristisch für diesen Code, der als eine Variante der Partial-Response-Verfahren die Signalzustände in zwei aufeinanderfolgenden Bit verarbeitet, ist, dass ein Wechsel von „+ 1" nach 1" oder umgekehrt stets nur über eine dazwischenliegende „0" erfolgt. Damit wird das Spektrum des Datensignales bis zur ersten Nullstelle auf den Wert B = 1/2 • TBlt begrenzt, bei einer Bitrate des Binärsignales von 20,25 Mbit/s also auf B = 10,125 MHz, was praktisch eine Übertragungsbandbreite von etwa 7 bis 8 MHz erfordert.
BiId 4.9 zeigt das Prinzip eines Duobinär-Codierers mit einer Vorcodierung, mit der die sonst unvermeidliche Fehlerfortpflanzung eliminiert wird. Der Inverter am Eingang bewirkt, dass die binäre „0" im Duobinärsignal den Mittenpegel „0" einnimmt. Über ein Tiefpaßfilter wird eine Impulsformung und Begrenzung des Spektrums vorgenommen.
Das Codierprinzip sei am Beispiel eines kurzen binären Datensignales demonstriert.
Das über den Tiefpaß bandbegrenzte Duobinär-Datensignal wird nun im Basisband im Zeitmultiplex dem zeitkomprimierten MAC-Videosignal hinzugefügt. Die Logikzustände „+ 1", „0" und „— 1" werden den Spannungen 0,9 V, dem Klemmpegel 0,5 V und dem Wert 0,1 V zugeordnet. Das komplette Basisbandsignal wird dann durch Frequenzmodulation oder, unter der Annahme von terrestrischen 12-MHz-Kanälen durch Restseitenband-Amplitudenmodulation, dem hochfrequenten Träger aufgebracht. Man spricht nun vom „D-MAC-Verfahren".
Ein weiterer Schritt ist der Übergang zum D2-MAC- Verfahren. Es wird von den 82 Paketen des Ton/Datensignales mit maximal acht Tonkänalen nur ein Unterrahmen mit vier Tonkanälen übertragen, in dem dafür vorgegebenen Zeitschlitz des MAC-Signales mit der gegenüber D-MAC nur halben Bitrate von 10,125 Mbit/s. Mit der beibehaltenen Duobinärcodierung beträgt nun die Breite des Spektrums bis zur ersten Nullstelle nur noch etwa 5 MHz. Damit ließe sich das D2-MAC-Signal durch Restseitenband-Amplitudenmodulation sogar in bestehenden 7-MHz-Kanälen übertragen. Die Kanalbandbreite von 7 MHz, verbunden mit der maximal übertragbaren Videofrequenz von 5 MHz, hätte allerdings zur Folge, daß die Bandbreite des Videosignales nach der Zeitexpansion nur noch 3,3 MHz betragen könnte.
Die Zusammensetzung des Basisbandsignales einer Zeile bei D- bzw. D2-MAC zeigt Bild 4.10. Für die Zuordnung der bezeichneten Zeitabschnitte a bis k gilt bei D- bzw. D2-MAC folgendes:
Einen sehr anschaulichen Vergleich von einem PAL-Farbbalkensignal einer Zeile mit dem D2-MAC-Farbbalkensignal gibt Bild 4.11 wieder [85].
Die komponentenweise Verarbeitung und Übertragung des Fernsehsignales bringt gegenüber dem bisherigen Verfahren eine merkliche Verbesserung der Bildqualität. Mit im Vordergrund steht jedoch beim MAC-Verfahren auch die hohe Qualität der Tonwiedergabe, die durch die digitale Tonsignalübertragung erreicht wird. Die Codierung und Bündelung der Tonsignale in der Paket-Multiplextechnik erlaubt eine Vielzahl von Varianten der Tonsignalübertragung.
So wird übergeordnet unterschieden in
HQ-Ton (High Quality), bei Mono und Stereo, Frequenzbereich 40 Hz • • • 15 kHz, mit einer Abtastfrequenz von 32 kHz
oder
MQ-Ton (Medium Quality), bei Mono-Übertragung, Frequenzbereich 40 Hz • • • 7 kHz, mit einer Abtastfrequenz von 16 kHz.
Die Tonsignale werden zunächst linear quantisiert und mit 14 bit codiert. Bei unveränderter Übertragung der codierten Abtastwerte spricht man von „ 14-bit-Linear-Codierung" (L). Es ist aber auch vorgesehen, neben dem Vorzeichen der Abtastwerte nur 9 signifikante Bit zu übertragen, indem bei der sog. „ 10-bit-NICAM-Codierung" (Near-Instantaneous Companded Audio Multiplex) (I) in einem Block 32 oder 18 Abtastwerte zusammengefaßt werden, d.h. bei 32 kHz Abtastfrequenz über eine Zeit von 1 ms oder 562,5 PIS, und dabei die Schwelle ermittelt wird, die keiner der Abtastwerte mehr überschreitet. Diese Schwelle wird dann durch einen Skalenfaktor beschrieben, der durch entsprechend gesicherte Mehrfachübertragung dem empfangsseitigen Decoder mitgeteilt wird. Die dabei bewirkte Datenreduktion beträgt immer noch 30%. Bei der digitalen Tonsignalübertragung können verschiedene Fehlerschutzverfahren, wie Paritätsprüfung über mehrere Bits (1) oder HAMMING-Codierung (2) zur Anwendung kommen, so dass sich für das D2-MAC/Paket-Verfahren folgende Tonübertragungsvarianten ergeben:
Paritätsprüfung für 6 MSB (Most Significant Bits) bei 10-bit-NICAM mit einer Kapazität von z.B. 4 HiFi-Mono-Kanälen (HQI 1)
Paritätsprüfung für 11 MSB bei 14-bit-Linear-Codierung mit einer Kapazität von z.B. 3 HiFi-Mono-Kanälen (HQL 1)
(11,6)-HAMMING-Codierung für 6 MSB bei 10-bit-NICAM mit einer Kapazität von z.B. 3 HiFi-Mono-Kanälen (HQI 2)
(16,11)-HAMMING Codierung für 1 1 MSB bei 14-bit-Linear-Codierung mit einer Kapazität von z.B. 2 HiFi-Mono-Kanälen (HQL 2)
Weitere detaillierte Einzelheiten zur Tonsignalcodierung und -übertragung finden sich z.B. in [83].
Das Blockschaltbild eines D- bzw. D2-MAC-Coders unterscheidet sich von dem des C-MAC-Coders in Bild 4.7 dadurch, dass das digitale MAC-Ton-Daten-Signal nach Duobinärcodierung und Impulsformung dem analogen Multiplexer zugeführt wird. Das gesamte Basisbandsignal, mit dem überlagerten dreieckförmigen 25-Hz-Energieverwischungssignal, durchläuft dann die MAC-Preemphase und gelangt zum FM-Modulator. Der 2-4-PSK-Modulator entfällt.
Im D- bzw. D2-MAC-Decoder entfällt gegenüber dem Blockschaltbild des C-MAC-Decoders in Bild 4.8 ebenfalls die 2-4-PSK-Demodulation mit der Trägerrückgewinnung. Es erfolgt nur eine FM-Demodulation. Die digitalen Ton-Daten-Signale werden dem analogen Demultiplexer entnommen und entsprechend weiterverarbeitet. Wesentlich dabei ist die Rückgewinnung des 20,25 MHz- bzw. 10,125 MHz-Systemtaktes aus dem übertragenen Datensignal.
Bild 4.12 zeigt nochmals in einer vereinfachten Darstellung das Prinzip eines D- bzw. D2-MAC-Coders und eines D- bzw. D2-MAC-Decoders.
Anfang 1988 bestand noch keine Klarheit darüber, welches der beschriebenen MAC-Verfahren in Europa oder in einzelnen Ländern eingeführt werden soll. Obwohl schon Ende 1982 von der britischen Regierung beschlossen wurde, das MAC-Verfahren für die Satellitenübertragung einzusetzen, stehen sich dort die Rundfunkorganisationen als Befürworter des C-MAC-Verfahrens und die Industrie, die wegen der terrestrischen Verteilmöglichkeiten für D- bzw. D2-MAC plädiert, mit ihren Vorstellungen noch gegenüber. Mitte 1987 wurde nach langem Zögern in Großbritannien C-MAC als Übertragungsstandard für den Satelliten-Direktempfang wieder verworfen und die Entscheidung zugunsten von D-MAC gefällt [86].
Die Bundesrepublik Deutschland und Frankreich haben im Juni 1985 erklärt, Fernsehsignale über ihre Direktempfangssatelliten TV-Sat und TDF in D2-MAC auszustrahlen. Anfängliche Bedenken wegen der Lieferbarkeit von D2-MAC-Decodern seitens der Rundfunkanstalten konnten durch die Bereitstellung von integrierten Decodern in Verbindung mit dem DIGIT-2000-Konzept der Fa. INTERMETALL [87, 88] beseitigt werden.
Nach dem erfolgreichen Start des deutschen Direktempfangssatelliten TV-Sat 2 im Juli 1989 wurden erstmals in Europa Fernsehprogrammsignale in D2-MAC über die Transponder des TV-Sat 2 abgestrahlt. Die Ausstrahlung von D2-MAC-codierten Fernsehsignalen wurde in Deutschland zum Jahresende 1994 eingestellt und die Transponder des TV-Sat2 wurden abgeschaltet.
4.2.5 Übertragung im 16: 9-Bildformat
Ausgelöst durch die Einführung des 16:9-Bildformates beim PALplus-System wurden Überlegungen angestellt, auch bei D2-MAC die Breitbildübertragung zu integrieren. Es zeigte sich, dass dies ohne technische Umstellungen auf der Sendeseite möglich ist, bei voller Kompatibilität mit dem 4:3-Empfänger, allerdings unter Inkaufnahme eines Auflösungsverlustes gegenüber der Bildvorlage bei der Breitbildübertragung.
Bild 4.13 a gibt zunächst die Verhältnisse bei herkömmlicher 4:3-Bildformat-Übertragung wieder. Ausgehend von 575 aktiven Zeilen, erhält man bei gleicher Auflösung horizontal und vertikal
Mit einem angenommenen KELL-Faktor von 0,75 führt das zu einer Bandbreite des Leuchtdichtesignales By = 5,6 MHz. Durch die Zeitkompression des Y-Signales um den Faktor 2/3 erhöht sich die Bandbreite auf By,k = 8,4 MHz, was auch der Bandbreite des Übertragskanales BK entspricht. Nach Zeitexpansion mit dem Faktor 3/2 reduziert sich die Bandbreite wieder auf By = 5,6 MHz.
In Bild 4.13 b wird von der Übertragung einer 16:9-Bildvorlage ausgegangen. Wiederum bei gleicher Auflösung horizontal und vertikal erhält man nun
Bei gleichem KELL-Faktor wie oben wird BY = 7,4 MHz und durch die Zeitkompression = 11MHz.
Nachdem der Übertragungskanal das zeitkomprimierte Leuchtdichtesignal aber auf By = 8,4 MHz begrenzt, kann, nach Zeitexpansion die Bandbreite des wiedergegebenen Signales nur BY = 5,6 MHz betragen, was wiederum einer horizontalen Auflösung von nur 767 Bildpunkten in der aktiven Zeile entspricht. Dies bedeutet aber gegenüber dem 4:3-Bildformat eine Verbreiterung der Bildpunkte in horizontaler Richtung.
Bei der Wiedergabe des 16:9-Bildes auf einem 4:3-Bildschirm muss die Vertikalablenkamplitude reduziert werden, was auch zu einer Reduzierung der Vertikalauflösung, bezogen auf die volle Bildhöhe, führt.
Das D2-MAC-Verfahren hat aber trotz möglicher 16:9-Breitbildübertragung keine große Akzeptanz erfahren, weil eigene Decoder auf der Empfangsseite erforderlich sind und die Verbesserung der Bildqualität für den Fernsehzuschauer nicht so überzeugend wirkt.
4.2.6 Trägerfrequente Übertragung des D-/D2-MAC-Signales durch Restseitenband Amplitudenmodulation
Das MAC-Signal war anfangs nur für die Satelliten-Übertragung gedacht. Über die Kopfstationen von Breitbandkabel-Systemen werden auch von Satelliten empfangene Fernsehsignale verteilt. Dazu ist es erforderlich, das im Satellitenkanal durch Frequenzmodulation übertragene Signal zunächst vom HF-Träger zu demodulieren und über Restseitenband-Amplitudenmodulation einem Kanalträger im Breitbandkabel-System wieder aufzumodulieren. Die bisher im VHF-Bereich benutzten Kabelkanäle weisen eine HF-Bandbreite von 7 MHz auf (CCIR-Standard B). Das D2-MAC-Signal aber benötigt für den Videoanteil eine Bandbreite bis 8,4 MHz und für den Digitalsignalanteil (Synchronisation und Ton) mindestens etwa 3,5 MHz (bei D-MAC doppelt so viel).
Es wurden deshalb für die Kabelübertragung im sogenannten „Hyperband" (Erweiterter Sonderkanalbereich) von 302 bis 446 MHz neue Kanäle mit 12 MHz Bandbreite zur Verfügung gestellt. Darüber kann nun ein D- bzw. D2-MAC-Signal durch Restseitenband Amplitudenmodulation übertragen werden. Wie aus Bild 4.14 ersichtlich, wird schon auf der Senderseite die NYQIST-Filterung vorgenommen, Sdamit beim Empfänger keine Absenkung des Bildträgers erfolgt, was zu einem günstigeren HF-Signal/Rauschabstand führt.
