4. Digitales Video-Studiosignal

Die im Abschnitt 2 beschriebene Aufbereitung des FBAS-Signals führt zu dem analogen Video-Studiosignal, das heute nur noch selten direkt in Erscheinung tritt. Abgesehen von dem FBAS-Signal als Endprodukt, welches nach wie vor durch Modulation einer Trägerschwingung in den analogen TV-Kanälen übertragen wird, werden im Studio fast nur noch digitale Signale verarbeitet. Nachdem das Quellensignal zunächst mit den Farbwertsignalen R, G, B und nach einer Matrizierung in die Komponentensignale Y und B-Y, R-Y in analoger Form vorliegt, ist eine Analog-Digital-Wandlung in den drei Signalkanälen notwendig. Die digitalen Komponentensignale werden dann zu einem Zeitmultiplexsignal zusammengefasst, das entweder für die weitere Signalverarbeitung bitparallel auf einer Anzahl von N Leitungen, mit N als der Codewortlänge, und einer zusätzlichen Taktleitung verteilt wird, oder nach Parallel-Seriell-Wandlung in das digitale, serielle Komponentensignal (Digital Serial Components, DSC) mit einer Bitrate von 270 Mbit/s, an digitale Verteilkanäle mit Koaxialleitungen oder Glasfaserverbindungen weitergegeben wird (Bild 4.1).

 

  

Im Studiobereich kann das digitale Programmsignal nach Demultiplexen und Digital-Analog-Wandlung über eine entsprechende Aufbereitung in einem PAL- oder PALplus-Encoder für das „analoge Fernsehen“ wieder als FBAS-Signal bereitgestellt werden oder, wie später ausführlich beschrieben, über einen MPEG-Encoder für das „digitale Fernsehen“ einen Programmbeitrag zu dem digitalen Sende- Transportstrom liefern.

 

4.1 Analog-Digital-Wandlung

4.1.1 Pulscodemodulation (PCM)

Grundlage für die digitale Signalaufbereitung bildet das Verfahren der Pulscodemodulation zur Analog-Digital-Wandlung. Das Prinzip der Signalwandlung sei am Beispiel eines einfachen BA-Signals mit kontinuierlich abfallender Helligkeit über eine Zeile demonstriert (Bild 4.2). Das Eingangssignal wird, nach Bandbegrenzung über einen Tiefpass auf die maximale Signalfrequenz, in einem ersten Schritt mit kurzen Impulsen periodisch abgetastet.

Die Folgefrequenz der Impulse, das heißt die Abtastfrequenz , muss gemäß dem Abtasttheorem von Shannon mindestens den doppelten Wert der maximalen Signalfrequenz aufweisen.

 

 

Wegen der nicht idealen Bandbegrenzung durch den vorangehenden Tiefpass wird die Abtastfrequenz praktisch immer bei einem höheren Wert, etwa um den Faktor 1,1 ... 1,3 oder sogar noch höher, liegen.
Bei der Abtastung von Tonsignalen mit kurzen Impulsen wird der jeweilige Abtastwert über die Abtast-Periodendauer  in einer Abtast-Halte-Schaltung (engl, sample and hold) gespeichert, um dem Codierer das Signal über eine längere Zeitdauer zur Verarbeitung anzubieten. Bei der Abtastung von Videosignalen mit längeren Impulsen entfällt diese Haltefunktion. Es folgt dann die eigentliche Analog-Digital-Umsetzung über die Codierung der Abtastwerte, indem diese innerhalb eines Quantisierungsbereiches mit insgesamt s Quantisierungsintervallen in binäre Codeworte mit jeweils bit umgesetzt werden. Es gilt der Zusammenhang: 

Bei Video-A-D-Wandlern kommt das Parallelumsetzverfahren zur Anwendung (siehe 4.1.2), wo zunächst das Codewort mit (n) bit an (n) parallelen Ausgängen des Coders für jeweils die Abtastperiodendauer TA vorliegt. Nach anschließender Parallel-Serien-Wandlung gewinnt man ein serielles binäres Signal im NRZ-Code (Non Return to Zero) mit der Bitdauer Tbit bzw. der Bitrate Rbit .

Es gelten die Beziehungen

 

 

Empfangsseitig wird das serielle binäre Codesignal mit dem eigenen Bit-Takt übernommen, der aus dem übertragenen Codesignal zurückgewonnen wird. Nach einer Serien-Parallel-Wandlung präsentiert sich jedes Codewort durch einen analogen Spannungswert, der dem Mittelwert des übertragenen Quantisierungsintervalls entspricht. Die ursprünglich wertkontinuierlichen Abtastwerte erscheinen nun als quantisierte Abtastwerte, wodurch eine Quantisierungsverzerrung auf das übertragene Signal eingebracht wird, das sich als „Quantisierungsrauschen“ bemerkbar macht.

Die Auswirkung der Quantisierungsverzerrung ist dann vernachlässigbar, wenn sie vom menschlichen Sinnesorgan nicht mehr wahrgenommen wird. Das Auge kann maximal etwa 250 verschiedene Helligkeitsstufen zwischen Weiß und Schwarz unterscheiden, so dass bei Videosignalen prinzipiell mit einer 8-bit- Codierung gearbeitet werden kann. Bei monochromen Bildvorlagen zeigte sich jedoch mit der 8-bit-Codierung ein sichtbares Quantisierungsrauschen.
Auch unter Berücksichtigung von Rundungsfehlern bei der digitalen Signalverarbeitung war es deshalb angebracht, bei Videosignalen im Studio auf eine 10-bit-Codierung überzugehen.

Bei Tonsignalen ist unter Berücksichtigung des wesentlich höheren Dynamikbereiches des menschlichen Gehörs eine Codierung mit mindestens 12 bit oder mehr, üblicherweise 16 bit, notwendig. Bei der Übertragung von Tonsignalen wird decoderseitig wieder über eine Abtast-Halte-Schaltung eine „Verlängerung“ der kurzen Impulse vorgenommen, die vom Decoder als quantisierte Abtastwerte ausgegeben werden. Die damit erhaltene Treppenspannung weist einen um den Faktor der Impulsverlängerung höheren Signalwert gegenüber den kurzen Impulsen auf. Bei der Digital-Analog-Wandlung mit Videosignalen entfällt die eigene Abtast-Halte-Schaltung, weil der D-A-Wandler den quantisierten Abtastwert im Abtast-Takt nahezu über die volle Abtastperiodendauer  ausgibt.

Ein nachfolgendes Tiefpassfilter (Rekonstruktionsfilter) glättet den Treppenspannungsverlauf und unterdrückt Signalanteile aus dem Spektrum der Treppenspannung oberhalb der maximal zu übertragenden Signalfrequenz . Für das Quantisierungsrauschen verantwortlich sind daher nur dessen Spektralanteile im Bereich bis .

Mit dieser prinzipiellen Darstellung des Vorgangs bei der Pulscodemodulation ist die Markierung der Codeworte durch ein „Startsignal“ nicht berücksichtigt. Diese erfolgt technisch im Zusammenhang mit der Multiplexbildung.

 

4.1.2 Video-Analog-Digital- und -Digital-Analog-Wandler

Wie schon im Abschnitt 4.1.1 erwähnt, arbeiten Video-A-D-Wandler nach dem Parallelumsetzverfahren, das mit einer sehr kurzen Umwandlungszeit verbunden ist. Im Englischen werden solche A-D-Wandler deshalb auch als „Flash Converter“ bezeichnet. Die prinzipielle Realisierung eines solchen Parallelumsetzers zeigt Bild 4.3.

 

 

Nach Tiefpass-Bandbegrenzung wird das analoge Eingangssignal gleichzeitig an die nichtinvertierenden Eingänge von 2N-1 Komparatoren angelegt. Die invertierenden Eingänge der Komparatoren liegen an den Abgriffen eines Spannungsteilers, der die Referenzspannung in Teilspannungen umsetzt und damit die in gleichen Schritten ansteigende Vergleichsspannung an die Komparatoren liefert. Die Komparatoren werden mit dem Abtast-Takt aktiviert. Es findet in diesem Teil des A-D-Wandlers somit die Abtastung des Eingangssignals mit Impulsen der Dauer von nahezu TA und die Quantisierung und Zuordnung der Abtastwerte auf die s = Quantisierungsintervalle statt. Die logischen Ausgangszustände der Komparatoren werden in einem Register „gehalten“ und im nachfolgenden Code-Umsetzer auf die N parallelen Ausgänge gegeben. Der Parallel-Seriell-Umsetzer schließlich liefert dann das serielle binäre Codesignal.

Beim D-A-Wandler wird von den N Bits eines Codewortes jeweils eine Stromquelle aktiviert, die entsprechend der Wertigkeit des Bits einen Anteil zum Summenstrom des Ausgangssignals beiträgt. An einem Arbeitswiderstand bzw. am Ausgang eines als Strom-Spannungswandler arbeitenden Operationsverstärkers liegt die dem Codewort zugeordnete analoge Spannung an.

An Stelle der Stromquellen tritt vielfach ein R-2R-Widerstandsnetzwerk, das von einem Referenzstrom gespeist wird oder an einer Referenzspannung liegt (Bild 4.4). Die Einzelströme sind mit Hilfe dieses Netzwerks nach Zweierpotenzen abgestuft. Über Transistorschalter werden die Anzapfungen des Netzwerks an den analogen Ausgang oder nach Masse gelegt. Das R-2R- Netzwerk gewährleistet eine konstante Belastung der Referenzspannung.

 

 

4.1.3 Berechnung des Signal-zu-Quantisierungsgeräusch- Abstandes

Das durch die Quantisierungsverzerrung verursachte Quantisierungsgeräusch kann über den Effektivwert der Quantisierungsfehlerspannung  als Differenz zwischen dem Eingangssignal  und dem Ausgangssignal  des gesamten Encoder-Decoder-Systems berechnet werden.

Für den Effektivwert  als quadratischer Mittelwert erhält man mit s Quantisierungsintervallen im Aussteuerbereich (beim Sinussignal) bzw.  (beim Videosignal, BA-Anteil)

 

 

Signal-zu-Quantisierungsgeräusch-Abstand 

 

 

Gl. (4.8) und Gl. (4.9) gelten jeweils für volle Ausnutzung des gesamten Quantisierungsbereiches von   [2, 7, 8].

 

4.2 Abtastraster im 4:4:4, 4:2:2 und 4:2:0 Format

Bei der Abtastung (engl, sampling) eines Tonsignals mit der periodischen Impulsfolge werden die aufeinander folgenden Abtastwerte einer zeitabhängigen Momentanspannung u(t) entnommen. Im Fall des Videosignals liegt zwar auch eine zeitabhängige Spannung vor, die aber über das zeilenweise Abtasten (engl. scanning) der Bildvorlage einen Bezug auf den geometrischen Ort des Abtastwertes aufweist. Üblicherweise erfolgt die Zuordnung auf Bildpunkte oder Pixel innerhalb des aktiven Zeilenrasters, womit wieder der Begriff „sampling“ zutreffend ist.

Von einer Farbbildvorlage werden entweder die Farbwertsignale R, G, B oder ein Leuchtdichtesignal Y und die Farbdifferenzsignale B-Y und R-Y abgeleitet. Wie noch erläutert wird, erfahren die Farbdifferenzsignale auch bei der Verarbeitung zum digitalen Videosignal eine Reduktion mit bestimmten Faktoren. Zur Kennzeichnung der so reduzierten Farbdifferenzsignale werden neue Bezeichnungen gewählt mit 

 

 

Man bezeichnet diese Signale, die eigentlich erst im digitalen Bereich Vorkommen, als Chrominanzsignale  und 

Die Abtastwerte beziehen sich üblicherweise auf das aktive Bild mit einer Anzahl von  Pixel pro aktive Zeile und  aktiven Zeilen im Bild. Dabei kann progressive Abtastung im Vollbild oder Zeilensprungabtastung mit zwei Halbbildern vorliegen. Das Video- Studiosignal basiert nach heutigem Standard auf der Zeilensprungabtastung, so dass diese auch bei den folgenden Erläuterungen zugrunde gelegt wird.

Die Begriffe „4:4:4“- und „4:2:2“-Abtastformat beziehen sich auf die Zuordnung der Chrominanz-Abtastwerte  und  zu den Luminanz-Abtastwerten Y. Dabei wird mit dem Verhältnis 4:4:4 bzw. 4:2:2 der Faktor der Abtastfrequenz für das Luminanzsignal und für die Chrominanzsignale zum Ausdruck gebracht, mit dem der Basiswert von 3,375 MHz multipliziert wird.

Somit ergeben sich die Abtastfrequenzen von 

4 • 3,375 MHz = 13,5 MHz und 2 • 3,375 MHz = 6,75 MHz.

Durch die starre Verkopplung mit der Zeilenfrequenz beim 625-Zeilen-System mit 3,375 MHz = 216,0 • 15,625 kHz bzw. beim 525-Zeilen-System mit 3,375 MHz = 214,5 • 15,734 kHz erhält man ein orthogonales Abtastraster, bei dem die Bildpunkte übereinander und in jedem Teilbild an der gleichen Stelle liegen.

In der folgenden Darstellung nach Bild 4.5 wird die Zuordnung der Abtastwerte vom Luminanzsignal Y (+) und vom Chrominanzsignal (O) mit  und  auf die Bildpunkte im Zeilenraster im ersten und zweiten Halbbild (HB) beim 4:4:4 Abtastraster (links) und beim 4:2:2-Abtastraster (rechts) gegenüber gestellt.

Auf die Bildpunkte bezogen erhält man eine Auflösung beim 4:4:4-Abtastraster im Y Signal, horizontal und vertikal: 100% horizontal: 100% im  und  Signal, vertikal: 100% und beim 4:2:2-Abtastraster im Y Signal, horizontal und vertikal: 100% horizontal: 50% im und Signal, vertikal: 100%.

 

 

Das 4:4:4-Abtastraster hat in der Fernsehtechnik kaum eine Bedeutung. Eine Anwendung findet man bei Systemen ohne äußeren Übertragungskanal, z. B. bei der Bildverarbeitung in der Medizintechnik oder Radartechnik.

In der Fernsehtechnik wurde unter Bezugnahme auf das geringere Farbauflösungsvermögen des menschlichen Auges schon beim analogen Chrominanzsignal eine Reduzierung der Bandbreite gegenüber dem Luminanzsignal vorgenommen. Eine reduzierte Chrominanzauflösung kann daher auch beim digitalen Signal eingebracht werden. Beim 4:2:2-Abtastraster geschieht dies zunächst nur in horizontaler Richtung. Das digitale Studiosignal basiert auf diesem 4:2:2-Abtastraster. Eine Reduzierung der Vertikalauflösung beim Chrominanzsignal auf die Hälfte hätte zunächst zur Folge, dass das Chrominanzsignal nur aus Bildpunkten des ersten (oder des zweiten) Halbbildes gewonnen wird. Ein sichtbares Chrominanz- Zeilenflimmern wäre das Resultat. Um dies zu vermeiden, wird eine Interpolation vorgenommen. Aus den Abtastwerten von Bildpunkten geometrisch übereinander liegender Zeilen des ersten und zweiten Halbbildes wird jeweils ein Mittelwert berechnet, der dann repräsentativ den vier umgebenden Abtastwerten des Luminanzsignals zugeordnet wird.

Man bezeichnet diese Konstellation als 4:2:0-Abtastraster, wobei hier die Systematik mit den Vielfachen des Basiswerts der Abtastfrequenz nicht mehr gilt. Bild 4.6 gibt das 4:2:0-Abtastraster wieder.

 

 

Im Gegensatz zu dem 4:2:2-Studiosignal gibt es keinen 4:2:0- Übertragungsstandard, weil dieser auf fiktive „Zwischenzeilen“ zurückgreifen würde. Wohl aber findet eine Signalverarbeitung zur Berechnung der Chrominanzwerte des 4:2:0-Abtastrasters statt bzw. umgekehrt zur Rekonstruktion der Chrominanzwerte im 4:2:2-Abtastraster aus den gemittelten Werten vom 4:2:0-Abtastraster. Man spricht hier von „Format-Konversion“. Daneben gibt es noch ein 4:1:1- Abtastraster, bei dem die horizontale Chrominanzauflösung auf 25 % reduziert wird. Es findet Anwendung z.B. bei der Magnetbandaufzeichnung von datenreduzierten Videosignalen. Eine weitere Reduktion der spatialen Auflösung auf die halbe Anzahl von Abtastwerten in Verbindung mit einer Reduktion der temporalen Auflösung (25 Hz bzw. 29,97 Hz Bildwechselfrequenz) führt zu dem SIF-Format (Source Intermediate Format) für einfache Multimedia-Anwendungen mit einer Auflösung ausgehend vom 625-Zeilensystem in 360 x 288 Pixel (V) bzw. 180 x 144 Pixel (,) bzw. vom 525-Zeilen-System in 360 x 240 Pixel (V) bzw. 180 x 120 Pixel (, ).

 

4.3 Digitale Studionorm ITU-R BT.601

Im Jahre 1982 verabschiedete das CCIR (Comite Consultatif International des Radiocommunications), die Recommendation 601 als „einstimmige Empfehlung“ für Encoding Parameters of Digital Television for Studios.

Das CCIR, als ein Ausschuss der Internationalen Fernmeldeunion, ist im Dezember 1992 durch die Neuorganisation der UIT (franz.: Union Internationale des Telecommunications) bzw. ITU (engl.: International Telecommunication Union) übergegangen in den Radiocommunication Sector (RS) der UIT bzw. ITU.
Mehrmalige Aktualisierungen im Abstand von vier bzw. zwei Jahren führten zu der Version Rec. ITU-R BT.601-4, die im Jahr 1995 noch ergänzt wurde als Rec. ITU- R BT.601-5, mit der Bezeichnung Studio Encoding Parameters of Digital Television for Standard 4:3 and Wide Screen 16:9 Aspect Ratio.

Nachdem die letzte Version mit erhöhter Abtastfrequenz für das 16:9-Breitbildformat beim digitalen Fernsehen keine wesentliche Bedeutung mehr hat, wird im Folgenden auf die Rec. ITU-R BT.601-4, Encoding Parameters of Digital Television for Studios in Bezug genommen. 

Zugrunde liegt dieser Empfehlung eine weitgehende Gemeinsamkeit der Parameter für die 525-Zeilen/60-Hz- bzw. 625-Zeilen/50-Hz-Fernsehsysteme. Außerdem werden darin die Parameter sowohl für den 4:2:2-Abtaststandard mit den Komponentensignalen Y, B-Y und R-Y als auch für den 4:4:4-Abtaststandard angegeben, wobei letzterer neben den Komponentensignalen auch die Farbwertsignale R, G, B zulässt.

Codiert werden die gammakorrigierten Quellensignale  bzw.,,  mit der englischsprachigen Schreibweise „E‘ für die Spannung U. Der Spannungsbereich liegt normiert zwischen 0 und 1,0 für das - Signal, vom praktischen Spannungswert her zwischen 0 und 700 mV.  Damit auch die Farbdifferenzsignale bei der Normfarbbalkenvorlage auf diesen normierten Bereich zwischen -0,5 bis +0,5 bzw. von -350 mV bis +350 mV begrenzt werden, erfolgt eine Reduzierung der Farbdifferenzsignale gemäß der Matrixgleichungen mit vereinfachter Schreibweise zu den Chrominanzsignalen

 

 

Die Wesentlichen Parameter für die Digitale Studionorm mit dem 4:2:2-Abtaststandard werden im Folgenden aufgeführt, wobei eine Unterscheidung zwischen 525-Zeilen- und 625-Zeilen-System nur in einem Parameter, der Anzahl der Abtastwerte über die gesamte Zeilendauer, vorliegt.

 

 

Außerdem müssen die im Standard vorgegebenen Grenzen für die Gruppenlaufzeit-Schwankung im Durchlassbereich der bandbegrenzenden Tiefpassfilter eingehalten werden.

Zuordnung der Quantisierungsintervall-Nummern mit 8-bit-/10-bit-Codierung auf die normierten Spannungswerte 0 ... 1,0 bzw. -0,5 ... 0 ... +0,5 beim Luminanzsignal Y bei den Chrominanzsignalen 

 

Die Extremwerte 0 und 255 (bei 8-bit-Codierung) bzw. 0 und 1023 (bei10-bit-Codierung) sind für Codeworte beim digitalen Synchronsignal reserviert. Über den regulären Aussteuerbereich hinaus ist nach oben und unten ein Bereich für Überschwinger beim Analogsignal vorgesehen.

 

4.4 Studio-Multiplexsignal nach ITU-R BT.656

4.4.1 Zeitmultiplex von digitalen Leuchtdichte- und Farbdifferenzsignalen

Aus den analog-digital-gewandelten Komponentensignalen Y,  und  wird gemäß den Festlegungen in ITU-R Recommendation 656 Interfaces for Digital Component Video Signals in 525-Line and 625-Line Television Systems unter Hinzufügen einer digitalen Synchronisierinformation ein digitales Zeitmultiplexsignal gebildet, das nun, letztendlich als serielles Multiplexsignal, an die Stelle des FBAS-Signals beim analogen Videosignal tritt. Die Aufbereitung des Zeitmultiplexsignals zeigt Bild 4.7.

Die analog-digital-gewandelten Komponentensignale werden auf V-bit-Ebene parallel vom A-D-Wandler übernommen und über Zwischenspeicher einem N-bit- Multiplexer zugeführt. Gemäß dem 4:2:2-Abtaststandard beim digitalen Studiosignal werden zwei Y-Codeworte mit jeweils einem - und einem - Codewort zusammengefasst mit der vorgegebenen Folge von  Dazu ist es erforderlich, vier N-bit-Codeworte in ein Zeitintervall von zwei mal der Abtastperiodendauer  des Y-Signals, mit , einzuordnen. Der Multiplexer-Takt von  = 27 MHz liefert dazu die 37,037-ns-Zeitschlitze. Siehe dazu Bild 4.8.

 

 

 

Das Multiplexen der digitalen Komponentensignale erfolgt über die Zeitdauer der aktiven Zeile mit 53,33... . Diese ergibt sich genau über die Dauer von 1440 Taktperioden des Multiplexer-Takts, zugeordnet den 1440 Abtastwerten aus dem Y-, dem CB- und CR-Signal mit 720 Abtastwerten vom Y-Signal, 360 Abtastwerten vom  Signal und 360 Abtastwerten vom  (Bild 4.9).

Die Dauer der aktiven digitalen Zeile berechnet sich so zu 1440 • 1/27 MHz = 1440 • 37,037... ns = 53,33... .

Innerhalb der gesamten Zeilendauer verbleibt dann noch die horizontale Austastlücke (HA) mit 288 Taktperioden (10,66 ) beim 625-Zeilen-System bzw. 276 Taktperioden (10,22 ) beim 525-Zeilen-System. Während der Zeilen in der Vertikalaustastlücke wird zunächst der Schwarzwert (Austastwert) eingebracht. Zur Markierung des Beginns des aktiven Videosignals werden die letzten vier Codeworte im Horizontal-Austastsignal durch ein Zeitreferenzsignal „Start of Active Video (SAV)“ ersetzt und das Ende des aktiven Videosignals mit dem Zeitreferenzsignal „End of Active Video (EAV)“ durch die ersten vier Codeworte im Horizontal-Austastsignal signalisiert. Der Zeitbezug zwischen dem analogen Videosignal und dem digitalen Videosignal ist durch den Abstand zwischen der Vorderflanke (Mitte) des Horizontal-Synchronimpulses und dem Beginn der digitalen Horizontalaustastung festgelegt mit 24 Taktperioden beim 625-Zeilen-System bzw. 32 Taktperioden beim 525-Zeilen-System (Bild 4.10). Diese Zuordnung zwischen den analogen Videosignal-Komponenten und dem digitalen Videosignal ist bereits in ITU-R BT.601 definiert.

Die digitale, horizontale Austastung läuft auch während der Zeilen in der vertikalen Austastlücke durch. Der digital aktive Videoanteil und die Zeitreferenzsignale SAV und EAV werden zum „video data block“ zusammengefasst. Nähere Erläuterungen zu den Zeitreferenzsignalen siehe 4.4.2.

 

 

 

Die digitalen Komponentensignale werden zur weiteren Verarbeitung über die parallele Schnittstelle auf (n) Leitungen, meist als symmetrische Leiterpaare, mit einem zusätzlichen Leiterpaar für den 27-MHz-Takt im ECL-Signalniveau, übertragen. Bei der heute üblichen 10-bit-Codierung sind somit 11 Leiterpaare notwendig. Mit einem so genannten Multicore-Kabel ist eine Distanz bis zu 100 Meter zu überbrücken.

Zur Signalverteilung im Studio über größere Entfernungen und zur Übertragung des digitalen Multiplexsignals über das Studio hinaus, wird über eine Parallel-Seriell-Wandlung das DSC-Signal (Digital Serial Components) gewonnen. Die Taktung erfolgt jetzt mit der Bitfolgefrequenz , die sich ergibt zu

 

Die Forderungen, dass das Digitalsignal gleichspannungsfrei ist (Gleichspannungsmittelwert gleich Null) und dass aus dem seriellen Signal am Empfangsort der Bit-Takt abgeleitet werden kann, werden durch eine NRZI-Codierung (Non Return to Zero Inverse) und durch Scrambling (Verwürfeln) mit einer Pseudozufallsfolge erreicht. Bei der NRZI-Codierung wird eine logische „0“ als ein Gleichspannungswert (z. B. +400 mV oder -400 mV) und eine logische „1“ als ein Gleichspannungssprung (von +400 mV nach -400 mV oder umgekehrt) codiert.

 

4.4.2 Digitale Synchronisierinformation

Zur Gewährleistung einer exakten Synchronisation sind nach ITU-R BT.656 Zeitreferenzsignale definiert. Es sind dies die Video timing reference codes SAV und EAV. Wie schon in Bild 4.10 gezeigt steht das Codewort SAV, Start of Active Video, zu Beginn eines jeden Video-Datenblocks und das Codewort EAV, End of Active Video, am Ende eines jeden Video-Datenblocks.

Jedes Zeitreferenzsignal besteht aus vier Codewörtern, wie in Bild 4.11 für 10-bit-Codierung dargestellt. Die Codeworte 1111111111 und 0000000000 wurden bei der A-D-Wandlung des Videosignals als nicht zulässig ausgeklammert und für die Zeitreferenzsignale reserviert. Sie kommen so im aktiven Videosignal nicht vor.

 

 

Die Sequenz der ersten drei Codeworte dient zur Synchronisierung des „Empfängers“ auf das zu erwartende eigentliche Synchronisationssignal im vierten Codewort des Zeitreferenzsignals. Dieses beginnt mit einem „1 “-Bit (MSB) und setzt sich dann zusammen aus den charakterisierenden Bits

F: „0“ während dem 1. Halbbild, „1 “ während dem 2. Halbbild

V: „0“ außerhalb und „1 “ während der Vertikal-Austastung

H : „0“ in SAV und „1“ in EAV

sowie einer Folge von vier Schutz-Bits (protection bits)  P3, P2, P1, P0

und beim 10-bit-Codewort noch zwei Bits mit log. „0“.

Die Schutzbits dienen zum Erkennen und gegebenenfalls Korrigieren von Übertragungsfehlern. Die Kombination der Schutzbits mit den eigentlichen Informationsbits zeigt Tabelle 4.1.

Aus der Berechnung der Quersumme in den Zeilen und Spalten können auf der Empfängerseite 1-bit-Fehler korrigiert und 2-bit-Fehler in dem Synchronisations-Codewort erkannt werden. In letzterem Fall erfolgt die Synchronisation dann mit dem nächsten korrekt empfangenen Synchronisations-Codewort.

 

4.4.3 Digitale Begleittonsignale

ln der Recommendation ITU-R BT.656 sind Vorkehrungen getroffen zur Übertragung von Zusatzdaten (ancillary data) während der Austastintervalle mit einer Baudrate von 27 MWorte/s. Die Zusatzdaten können während der Horizontalaustastung mit 10-bit-Codeworten übertragen werden und mit 8-bit-Codeworten während der Zeitintervalle des aktiven Videoanteils innerhalb der Vertikalaustastung.

Nach einem SMPTE-Standard (Society of Motion Picture and Television Engineers), der von AES (Audio Engineering Society) und EBU (European Broadcasting Union) übernommen wurde, können digitale Audiosignale innerhalb der für die Zusatzdaten vorgesehenen Zeitintervalle eingefügt werden.

Dies gilt insbesondere für eine Kombination von vier Audiokanälen innerhalb eines Teils der Horizontalaustastung. Bild 4.12 gibt dies vereinfacht wieder. Nach dem EAV-Synchronisationswort folgt ein Data Header (DH) mit Angaben über die folgenden Audiodaten. Die digitalen Audiosignale werden nach dem AES/EBU-Standard in 32-bit-subframes zusammengefasst. Ein 32-bit-subframe wird gebildet aus einem 4-bit-Synchronwort, einer 4-bit-Kennung zur Identifizierung von Audio- oder Hilfsdaten, gefolgt von einem 20-bit-Codewort des Audiosignals und einer 4-bit-Zusatzinformation.

 

 

 

Das analoge Audiosignal wird mit  = 48 kHz abgetastet. Jeder Abtastwert wird mit 20 bit codiert und ergänzt zu einem 32-bit-Codewort. Die Datenrate für einen Audiokanal beträgt somit 

 

Von einem Audiokanal werden aus dem AES/EBU-Datenstrom pro Zeile drei Abtastwerte übertragen. Mit einer Abtastperiodendauer von  ergibt das eine Zeitdauer von 3 • 20,833 = 62,5 und ist damit noch kleiner als Th = 64 . Übernommen werden die 20 bit Audiodaten und 3 bit aus der Zusatzinformation. Neben den vier Audiokanälen, z. B. Links- und Rechts-Kanal, Kommentar-Ton, Begleitmusik, können noch weitere Tonsignale in den Auxiliary Data (AUX) in entsprechenden Datenpaketen übertragen werden.

Von der Brutto-Datenrate mit 270 Mbit/s werden vom aktiven Videosignal etwa 207 Mbit/s (207,36 Mbit/s) beansprucht. Die verbleibenden etwa 63 Mbit/s können neben einem sehr geringen Anteil für die Synchronisierinformation von den vier Audiokanälen mit etwa 6.2 Mbit/s und von Zusatzdaten (auxiliary data) in der Horizontalaustastung (etwa 38 Mbit/s) und im größten Teil der Vertikalaustastung (etwa 15 Mbit/s) belegt werden (Bild 4.13).

 

 

4.4.4 Aktiver Teil des Digitalen Studiosignals

Die Bitrate des seriellen, digitalen Studiosignals beträgt 270 Mbit/s. Wie aufgeführt, werden davon aber nur etwa 207 Mbit/s vom eigentlichen Videosignal beansprucht. Für die weitere Verarbeitung des digitalen Videosignals auf dem Weg zum Fernsehteilnehmer mit den noch ausführlich erläuterten Datenreduktionsverfahren ist nur der aktive Anteil des Studiosignals zu berücksichtigen. Im Folgenden werden, ausgehend vom DSC-270Mbit/s-Signal, die weiteren relevanten Werte für die Bitrate des aktiven Anteils im Videosignal berechnet.

Brutto-Bitrate des Digitalen Video-Studiosignals DSC 270 bei 4:2:2-Abtastformat und 10-bit-Codierung (Abt.: Abtastwerte)

 

 Aktiver Anteil des digitalen Studiosignals

• bei 4:2:2-Abtastformat und 8-bit-Codierung

 

Ein weiterer Schritt, der bereits im Sinne einer Irrelevanzreduktion einzuordnen wäre, ist der Übergang auf das 4:2:0-Abtastraster mit reduzierter Chrominanzauflösung.
Aktiver Teil des digitalen Studiosignals

• bei 4:2:0-Abtastformat und 8-bit-Codierung

 

 

Bei der Übertragung eines digitalen, datenreduzierten SDTV-Signals zum Fernsehteilnehmer wird im Allgemeinen von dem 4:2:0-Abtastraster ausgegangen.

 

4.5 Vergleich verschiedener Abtastraster

4.5.1 SDTV-Abtastraster nach Europa- und US-Standard

Der digitale Studio-Standard nach ITU-R BT.601 definiert für das 525-Zeilen- und das 625-Zeilen-System eine Anzahl von 720 Abtastwerten pro aktive Zeile für das Leuchtdichtesignal Y.

Die Anzahl der aktiven Zeilen im Bild unterscheidet sich aber mit
• 480 aktiven Zeilen beim digitalen 525-Zeilen-Signal und
• 576 aktiven Zeilen beim digitalen 625-Zeilen-Signal.

Das Seitenverhältnis des sichtbaren Bildes beträgt beim Standard-Fernsehen (SDTV) originär 4:3 (B:H). Für den einzelnen Bildpunkt im Raster erhält man ein Seitenverhältnis  beim

• 625-Zeilen-System:  = 4:3/720:576 : 1 - 1,06 : 1
• 525-Zeilen-System:  = 4:3/720:480 : 1 = 0,88 : 1.

Durch die immer engere Verknüpfung von „Fernsehen“ mit „Multimedia“, sprich Computer-System, kam die Forderung nach einem quadratischen Bildpunktformat beim Fernsehen auf, wie es beim Computer üblich ist. Deshalb hat das ATSC (Advanced Television Systems Committee), ein Fachausschuss in den USA, der sich eigentlich mit der Entwicklung verschiedener HDTV-Standards befasst, für das 525-Zeilen-System in den USA ein mögliches Abtastformat von 

• 640 Bildpunkten pro aktive Zeile und 480 aktiven Zeilen definiert, mit dem sich bei dem Bild-Seitenverhältnis von B:H = 4:3 quadratische Bildpunkte mit  = 1:1 ergeben.

Darüber hinaus lässt ATSC auch noch ein Abtastformat mit
• 704 Bildpunkten pro aktive Zeile und 480 aktive Zeilen zu.

Dieses Abtastformat ist mit progressiver Abtastung und 60 Hz (genau 59,94 Hz) Bildwechselfrequenz verbunden [14]. Eine Erweiterung des Standardformats auf das Breitbildformat mit B:H = 16:9 (5,33:3) bei gleicher Anzahl von Bildpunkten pro Aktive Zeile und damit gleicher absoluter Horizontalauflösung bringt aber eine Reduzierung der relativen Horizontalauflösung. Um dem zu begegnen, müsste die Anzahl der Abtastwerte für das Leuchtdichtesignal Y pro aktive Zeile auf 720 • (16:9)/4:3 = 720 ■ 1,33 = 960 über eine um den Faktor 1,33 höhere Abtastfrequenz erhöht werden.

In einer Version ITU-R BT.601-5 war dies mit 18 MHz beim Y-Signal und 9 MHz bei den Chrominanzsignalen vorgesehen, mit einer Brutto-Bitrate von 360 Mbit/s. Dieser Standard hat aber keine weitere Bedeutung mehr erlangt.

 

4.5.2 HDTV-Abtastraster mit Breitbildformat 

Die Festlegung eines im Vergleich zum digitalen SDTV-Studio-Standard eindeutigen und weltweiten HDTV-Studio-Standards ist bisher nicht geschehen. Es gibt jedoch einige De-facto-Standards, mit denen produziert und in nächster Zeit auch in Europa übertragen wird. Die Interessen der Produzenten und Programmanbieter sind unterschiedlich, was die Qualität und die Wirtschaftlichkeit anbelangt. Entscheidend beeinflusst wird die Situation durch das immer größere Angebot an Flachbild-Displays mit hoher Pixel-Auflösung. Die derzeit in Europa noch begrenzten Möglichkeiten des Empfangs und der Verarbeitung von HDTV-Signalen wurden ab 2006 durch ein breites Angebot von Programmen und den notwendigen Empfangsgeräten einen Aufschwung erfahren. Es laufen bereits Testausstrahlungen über digitale Satellitenkanäle. Ein regulärer HDTV-Service war von einigen Rundfunkanstalten für Ende 2005 angekündigt.

In den USA, Japan und Australien kann schon von einem HDTV-Regelbetrieb, zumindest während der Hauptsendezeiten, ausgegangen werden.
Für den internationalen Programmaustausch, insbesondere mit USA und Japan, wird vielfach HDTV als Standard gefordert. Insbesondere bei großen Sportveranstaltungen wie den Olympischen Spielen oder der Fußball-Weltmeisterschaft 2006 wurden HDTV-Kameras eingesetzt, um höheren Qualitätsansprüchen und der Breitbildwahrnehmung nachzukommen. Für die Standard-TV-Versorgung wurde durch Abwärts-Konvertierung ein SDTV-Signal gewonnen.

Vom Abtastraster her war in Europa zunächst eine Anbindung an den SDTV-Standard mit Verdoppelung der Zeilenzahl und Anzahl der Bildpunkte pro Zeile vorgesehen, was bei einem „1250-Zeilen-HDTV-System“ zu 1152 aktiven Zeilen und 1440 Abtastwerten pro aktive Zeile geführt hat. Dieses System ist jedoch nicht zum Tragen gekommen. Hochauflösendes Fernsehen HDTV soll „kinoähnliche“ Bildwahrnehmung bringen. Dazu gehört aber auch das Breitbildformat. Beim Fernsehen wurde ein Breitbildformat mit einem Bild-Seitenverhältnis von B:H = 16:9 festgelegt. Wie schon in 4.5.1 erwähnt, erfordert die Beibehaltung der gegenüber dem Standardformat gleichen relativen Horizontalauflösung eine Erhöhung der Anzahl der Bildpunkte pro aktive Zeile um den Faktor 16:9/4:3 = 4/3, was nun mit 720 x 2 x 4/3 zu 1920 Abtastwerten pro aktive Zeile beim Y-Signal führt. Das Raster basiert selbstverständlich auf quadratischen Bildpunkten. Das Abtastformat für die Chrominanzsignale wird beim Studiosignal 4:2:2 sein, für Kino-Produktionen ist auch 4:4:4 vorgesehen. Die Codierung erfolgt mit 10 bit/ Abtastwert.

Ausgehend von der Definition eines digitalen HDTV-Systems durch die SMPTE (Society of Motion Picture and Television Engineers) in SMPTE 260 M mit 1125 Zeilen und 60 Halbbildern pro Sekunde bei 1035 aktiven Zeilen ergaben sich rechteckförmige Bildpunkte. Durch eine Änderung in SMPTE 274 M auf 1080 aktive Zeilen kam man der Forderung nach quadratischen Bildpunkten bei dem Breitbildseitenverhältnis von 16:9 wieder nach. Das europäische Pendant zu SMPTE 274 M für das 1250 Zeilen-System mit 50 Halbbildern pro Sekunde wird in SMPTE 295 M beschrieben.

Gemäß einer internationalen Übereinkunft wurde ein HDTV-Produktions-Standard als „Common Image Format“ 1920 x 1080 geschaffen mit 1920 Abtastwerten pro aktive Zeile und 1080 aktiven Zeilen. Die Abtastfrequenz für das Y-Signal ist definiert mit Vielfachen von 2,25 MHz. Das ergibt den Wert von 33 • 2,25 MHz = 74,25 MHz bei Zeilensprung-Abtastung. Es ist sowohl Zwischenzeilen-Abtastung, interlaced scan (2:1), als auch progressive Abtastung (1:1), progressive scan, vorgesehen. Tabelle 4.2 gibt die charakteristischen Werte des 1920x1080-HD-Produktionsformats wieder.

Für das 50Hz-System (interlaced scan) ergibt sich mit 1250 Zeilen pro Bild eine Zeilenperiodendauer von 32  und mit der Abtastfrequenz von 74,25 MHz eine Abtastperiodendauer von 13,46 ns. Das bedeutet eine Anzahl von 2376 Abtastwerten über die gesamte Zeile für das Luminanzsignal. Damit berechnet sich eine Brutto-Datenrate für das 1080i/25-HD-Studiosignal, mit 4:2:2-Abtastraster, zu

 

 

Tab. 4.2: Charakteristische Werte des 1920x1080-HD-Produktionsformats

 

 

Die Schreibweise für die unterschiedlichen neuen Fernsehformate wurde kürzlich vom Production Technology Committee der European Broadcasting Union (EBU) in folgender Weise festgelegt: Es erfolgt erst die Nennung der vertikalen Auflösung (aktive Zeilen), gefolgt vom Abtastformat (Interlaced oder Progressiv) und der Bildwechselrate (frame Rate). Es wird keine Halbbild-Rate mehr angegeben.

Interessant für eine spätere Datenreduktion wird der tatsächlich in der Brutto- Bitrate von 1485 Mbit/s enthaltene aktive Anteil des Videosignals. Ähnlich wie beim SDTV-Signal (siehe S. 74) berechnet sich nun die Netto-Datenrate für das 1080i/25-HD-Studiosignal zu

Falls für die Übertragung zum Fernsehteilnehmer eine Reduzierung der Codewortlänge von 10 bit auf 8 bit vorgenommen wird, dann reduziert sich der aktive Anteil des digitalen FIDTV-Signals auf 829,44 Mbit/s. Dies entspricht dem fünffachen Wert von 165,88 Mbit/s beim SDTV-Signal.

Das Zeilensprungverfahren wurde in den Anfängen des Fernsehens festgelegt. Die Gründe dafür waren die gegenüber Vollbild-Übertragung nur halbe notwendige Übertragungsbandbreite und die nur aufwendig zu realisierende Strahlablenkung mit der höheren Zeilenfrequenz. Das mit dem Zeilensprungverfahren verbundene Zwischenzeilenflimmern wird vom menschlichen Auge bei genügend Betrachtungsabstand zum Bildschirm nur unwesentlich wahrgenommen. Nachteilig jedoch wirkt sich die halbierte vertikale Auflösung aus, die insbesondere bei Bewegungen im Bild zu störenden Artefakten führt.

Bei progressiver Abtastung und Vollbild-Übertragung werden vertikale Bewegungen in voller vertikaler Auflösung wiedergegeben. Dem Nachteil der höheren Übertragungsbandbreite beziehungsweise der doppelten Datenrate steht ein im Allgemeinen besserer Wirkungsgrad bei der Datenreduktion gegenüber. Dazu kommt, dass unter dem Aspekt der Bildwiedergabe mit Flachbild-Displays ein bei Übertragung mit dem Zeilensprungverfahren notwendiges De-Interlacing beim Empfänger entfällt, nachdem Flachbildschirme jeden Bildpunkt einzeln adressieren und damit als „progressive Displays“ betrachtet werden können.

Das EBU Technical Committee hat deswegen eine Empfehlung herausgegeben, nach der für HDTV die progressive Abtastung zur Anwendung kommen soll [84], Derzeit wäre die optimale Lösung mit dem in USA von ATSC vorgegebenen Standard mit 720 aktiven Zeilen und für Europa mit 50 Vollbildern pro Sekunde. Anzustreben wäre aber auf längere Sicht ein 1080p/50-Standard, damit ist aber auch eine Verdopplung der Brutto-Datenrate auf 2970 Mbit/s bzw. der Netto-Daten rate auf 2073,6 Mbit/s verbunden.

Von den Endgeräten beim Fernsehteilnehmer, Set-Top-Boxen, Displays oder im Fernsehempfänger integrierte Einrichtungen, wird derzeit verlangt, dass sie sowohl das 720p/50- als auch das 1080i/25-Format akzeptieren. Damit bleibt es den Programmanbietern frei gestellt, welches der beiden Formate für die Verteilung gewählt wird, wobei gegebenenfalls sogar von Programm zu Programm gewechselt werden kann [84, 86]. Eine wesentliche Vorgabe bei den HDTV-Abtastrastern ist das quadratische Bildpunktformat. Diese Forderung entspringt eigentlich der Bilddarstellung bei den Computern, wurde aber sinnvoller Weise durch den vermehrten Einsatz von Flachbildschirmen bei Fernsehgeräten übernommen. Bei dem 1080i/25-HD-Studiosignal ergeben sich mit 16:9-Breitbilddarstellung gemäß dem Verhältnis von Anzahl der Bildpunkte pro aktive Zeile zu Anzahl der aktiven Zeilen von 1920 : 1080 = 1,77, identisch mit 16 : 9 = 1,77, quadratische Bildpunkte.

Dies trifft auch zu für das mit progressiver Abtastung verbundene 720p/50-HD-Studiosignal. Den 720 aktiven Zeilen zugeordnet sind 1280 Bildpunkte pro aktive Zeile. Das Gesamtraster weist 750 Zeilen auf, mit jeweils 1980 Abtastwerten pro Zeile für das Luminanzsignal. Es berechnet sich damit eine Brutto-Datenrate für das 720p/50-HD-Studiosignal, mit 4:2:2-Abtastraster, zu

 

 

Den aktiven Teil des Videosignals erhält man über die Netto-Datenrate für das 720p/50-HD-Studiosignal zu

 

 

Bei der HDTV-Produktion haben sich nach der EBU-Empfehlung Tech. 3299 vier Basisbandformate etabliert, die auch nach SMPTE (296 M und 274 M) definiert sind:

720p/50, mit 1280 Bildpunkten pro aktive Zeile, progressive Abtastung,
1080i/25, mit 1920 Bildpunkten pro aktive Zeile, Zeilensprung-Abtastung,
1080p/25, mit 1920 Bildpunkten pro aktive Zeile, progressive Abtastung,
1080p/50, mit 1920 Bildpunkten pro aktive Zeile, progressive Abtastung.

Der Standard 720p/50 ist bisher nach ITU-R BT.1543 nur in der 60Hz-Version definiert, wohl aber in SMPTE 296 M enthalten. Die ITU-R-Festlegung soll jedoch geändert werden, weil eine EBU-Empfehlung die Industrie auffordert, den Standard 720p/50 in ihre Produkte mit aufzunehmen [86]. Durch die Ankündigung von zunehmendem Programmangebot in HDTV und durch die breite Palette von Fernsehgeräten mit Flachbildschirmen im 16:9-Breitbildformat stellt sich die Frage nach der Wiedergabemöglichkeit von HDTV-Programmsignalen.

Zur Kennzeichnung von Geräten, die hochauflösendes Fernsehen (HDTV) wiedergeben können, ist von der European Information, Communications and Consumer Electronics Industry Technology Association (EICTA) Anfang 2005 ein „Gütesiegel“ geschaffen worden, das HD ready-Logo. Ein Hersteller darf ein Anzeigegerät mit dem „HD ready“-Logo versehen, wenn
• der Bildschirm des Fernsehers oder das Bild erzeugende Element des Projektors auf Grund der real vorliegenden Pixel-Anzahl mindestens 720 Zeilen im Breitbildformat 16:9 wiedergeben kann
• das Gerät über mindestens einen analogen YUV-Komponenteneingang verfügt
• das Gerät digitale Schnittstellen nach den Standards DVI (Digital Video Interface) oder HDMI (High Definition Multimedia Interface) aufweist, die außerdem den digitalen Kopierschutz-Standard HDCP (High Bandwidth Digital Content Protection) unterstützen.
• HD-Videoformate über beide Eingänge mit 50 oder 60 Bildwechsel pro Sekunde (beim digitalen Eingang unverschlüsselt und verschlüsselt) als Vollbilder mit 1280 x 720 Pixeln (720p) oder als Halbbilder im Zeilensprungverfahren mit 1920 x 1080 Pixeln (1080i) annehmen können.

Die Verbindung von einem HDTV-Empfänger (Set-Top-Box) oder HD-DVD-Player zum Wiedergabegerät führt über digitale Schnittstellen. Für die Konsum-Elektronik wurde das High Definition Multimedia Interface (HDMI) entwickelt. Es kann als der „digitale Ersatz“ für das aus der Analogtechnik bekannte SCART-Interface betrachtet werden. Über ein Kabel mit Stecker-Buchse-Verbindung werden digitale Videosignale, Audiosignale und Steuerdaten übertragen.

 

4.5.3 Computer-Auflösungsformate nach VESA

Durch die zunehmende Verknüpfung von Fernsehen und Multimedia mit möglichen gemeinsamen Bildwiedergabeeinrichtungen ist es angebracht, die wichtigsten Computer-Auflösungsformate anzuführen. Nach Vorschlägen der VESA (Video Electronic Standard Association) und einem ITU-Standard sind die nach Tabelle 4.3 definierten Formate, basierend auf quadratischen Bildpunkten, möglich.