3. Trägerfrequente Übertragung von analogem Bild- und Tonsignal
Die Übertragung des Bildsignals bzw. genauer des FBAS-Signals sowie eines zum Bild gehörigen Begleittones erfolgt, abgesehen von der Verteilung im Studio und von einer digitalen Signalverteilung, durch Modulation einer hochfrequenten Trägerschwingung. Prinzipiell gilt dies sowohl für drahtgebundene als auch für drahtlose Übertragung. 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 300 MHz) und im UHF-Bereich (300 bis 870 MHz). Nähere Angaben dazu in Bild 3.12. Darüber hinaus wird für die Satellitenübertragung zum Fernsehteilnehmer der Frequenzbereich im KV- Band von 10,7 bis 12,75 GHz benutzt. Siehe dazu Bild 3.13.
3.1 Terrestrischer Funkkanal und Kabelkanal
3.1.1 Bildsignalübertragung durch Restseitenband-Amplitudenmodulation
Beim Fernseh-Rundfunk im VHF- und UHF-Bereich sowie in Übertragungssystemen, wo übliche Fernsehempfänger über den Antennenanschluss 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 Signals oberhalb und unterhalb der Frequenz der Trägerschwingung. Mit einer Bandbreite des FBAS-Signals von Bvideo = 5 MHz wird damit ein hochfrequentes Übertragungsband mit der Bandbreite Bam = 2 x 5 MHz = 10 MHz beansprucht (Bild 3.1 a).
Abb. 3.1: Hochfrequentes Übertragungsband bei
(a) Amplitudenmodulation (b) Einseitenband-Amplitudenmodulation
(c) Restseitenband-Amplitudenmodulation
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 3.1 b). Wegen des bis zu sehr niedrigen Frequenzen reichenden Modulationssignals und der deshalb notwendigen steilflankigen Filter zur Unterdrückung eines Seitenbandes ergeben sich jedoch enorme Schwierigkeiten durch die Gruppenlaufzeitverzerrung 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 3.1 c). 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 so genannte NYQUIST-Flanke (Bild 3.2).
Abb. 3.2: Korrektur des Amplitudenfrequenzgangs bei Restseitenbandübertragung durch ein Empfängerfilter mit NYQUIST-Flanke
Den einzelnen Fernsehkanälen sind im VFIF-Bereich (Band I und III) 7 MFIz breite (ITU-R BT.624, System B) und im UHF-Bereich (Band IV und V) 8 MHz breite (System G) Frequenzbänder zugeteilt. Der hochfrequente Bildsender-Amplitudenfrequenzgang innerhalb des 7 bzw. 8 MHz breiten Fernsehkanals ist in Bild 3.3 dargestellt. Die International Telecommunication Union (ITU), mit dem Radiocommunication Sector (RS) hat 1992 die vom Comite Consultant International des Radiocommunications (CCIR) früher festgelegten Standards übernommen.
Abb. 3.4: Empfänger-Durchlasskurve mit NYQUIST-Flanke
Bild 3.4 zeigt die Empfänger-Durchlasskurve bezogen auf den Hochfrequenzbereich (HF) mit der NYQUIST-Flanke. 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 oberhalb der Empfangsfrequenz findet eine Umkehrung der Frequenzlage des übertragenen Seitenbandes statt (Bild 3.5). Ebenso erscheint die im Hochfrequenzbereich nach dem ITU-R-Standard B und 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 3.6 wieder.
Abb. 3.6: Empfänger-Durchlasskurve im Zwischenfrequenzbereich
Die Modulation des hochfrequenten Bildträgers durch das FBAS-Signal erfolgt als negative Amplitudenmodulation, das heißt, hellen Bildstellen entspricht eine niedrige Trägeramplitude, und der Synchronimpuls ruft eine maximale Trägeramplitude hervor (Bild 3.7). Bezogen auf den Synchronspitzenwert mit 100 % liegt der Austastwert oder Schwarzwert bei 75 % und der Weißwert bei 10 %. Ein Restträger als Weißwert von 10 % ist notwendig wegen der Anwendung des Intercarrier- Tonträger-Verfahrens im Empfänger (siehe Abschnitt 3.1.2). Der Vorteil der Negativmodulation liegt unter anderem in einer günstigen Ausnutzung der Senderleistungsstufe, 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 die automatische Verstärkungsregelung im Empfänger.
Die durch die Restseitenband-Amplitudenmodulation bedingten Verzerrungen des demodulierten Signals bei Hüllkurvendemodulation werden vermieden durch Anwendung der Synchrondemodulation. Der dazu notwendige Referenzträger wird aus dem übertragenen RSB-AM-Modulationsprodukt durch eine Bandbegrenzung auf etwa ±0,5 MHz um den Bildträger und anschließende Amplitudenbegrenzung gewonnen (Bild 3.8).
3.1.2 Tonsignalübertragung durch Frequenzmodulation
Der Begleitton wird beim Fernseh-Rundfunk in den VHF- und UHF-Fernsehkanälen durch Frequenzmodulation der hochfrequenten Tonträgerschwingung übertragen. Nach dem ITU-Standard, System B und G liegt die Frequenz des Tonträgers 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 ps, was empfangsseitig zu einer Verbesserung des Signal-zu-Geräusch-Abstandes im demodulierten Signal führt. Das Verhältnis von Tonträgerleistung zu Bildträgerleistung am Senderausgang wurde in Schritten von 1:5 beim Schwarzweiß-Fernsehen auf 1:10, bei Einführung des Farbfernsehens auf heute üblicherweise nur noch 1:20 für den Haupttonträger bei Zwei-Ton-Übertragung reduziert.
Nach dem Intercarrier-Ton-Verfahren wird im ZF-Teil des Empfängers durch Mischung von Bild- und Tonträger im 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 FM-Träger verstärkt, amplitudenbegrenzt und demoduliert (Bild 3.9). 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, insbesondere durch die Vertikal-Synchronimpulse mit 50 Hz Folgefrequenz, zu vermeiden. Man erreicht dies durch ein entsprechendes Bild-zu-Tonträger-Leistungsverhältnis und die Weißwertbegrenzung. Eine unvermeidliche geringe Amplitudenmodulation des Differenzträgers wird im Amplitudenbegrenzer vor dem FM-Demodulator unterdrückt.
Abb. 3.9: Intercarrier-Ton-Verfahren mit Bildung der Intercarrier-Zwischenfrequenz im Videodemodulator
Heute üblich ist die Anwendung des Quasi-Parallel-Ton-Verfahrens. Im Prinzip liegt das Intercarrier-Ton-Verfahren zugrunde mit der Mischung von Bildträger und Tonträger. Die 5,5-MHz-lntercarrier-Ton-ZF wird jetzt in einer 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-Modulationsprodukts hervorgehoben, mit etwa gleicher Amplitude zugeführt werden (Bild 3.10). Der Pegel des 5,5-MHz-Tonträgers ist dadurch um 20 dB angehoben, was selbst bei Übermodulation des Bildsenders bei kritischem Farbbildinhalt (z.B. gelbe Schrifteinblendungen) noch einen Signal-zu-Stör-Abstand von 40 dB gegenüber einem vergleichbaren Wert von 0 dB bei dem einfachen Intercarrier-Ton-Verfahren ergibt. Der durch Selektion und Amplitudenbegrenzung gewonnene Referenzträger wird gleichzeitig zur Synchrondemodulation bei der Rückgewinnung des Bildsignals verwendet.
3.1.3 Zwei-Tonträger-Verfahren
Verschiedene Gründe, wie z. B. mehrsprachiger Begleitton zum Fernsehbild, Filmbeiträge mit Originalton und Übersetzung oder auch Stereo-Tonübertragung, führten zu der Einführung des Zwei-Tonträger-Verfahrens in den terrestrischen Funk- und Kabelkanälen. Dabei wird zwischen dem ersten Tonträger (Haupttonträger), 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 3.11). 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 der des ersten Tonträgers versetzt, da dies ein ganzzahliges Vielfaches der Zeilenfrequenz wäre und zu Störungen führen könnte. Man wählt vielmehr den so genannten 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.
Die beiden Tonträger liegen somit innerhalb der Fernsehkanäle bei den Frequenzen
Bei der Zweikanal-Tonübertragung unterscheidet man drei mögliche Betriebsarten:
Mono-, Stereo- und Zweiton-Übertragung.
Bei der Mono-Übertragung werden der 1. Tonträger und der 2. Tonträger mit dem gleichen Signal (Ton 1) moduliert. Zusätzlich überträgt der 2. Tonträger 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 beiden empfängerseitigen Stereokanälen auftreten. Die Ursache dafür liegt in einer teilweisen Korrelation der Störsignale, die gerade beim Intercarrier-Tonverfahren entstehen. Durch eine abgeänderte Matrizierung der L- und R-Signale wird dies vermieden.
Dem 1.Tonträger wird nun das Mittensignal M = 1/2 ■ (L + R) aufmoduliert. Der 2.Tonträger überträgt das R-Signal und den Pilotton, der nun mit einer Kennfrequenz von
fh /133 = 117,4812 Hz* 117,5 Hz
amplitudenmoduliert ist.
Bei der Zweiton-Übertragung werden auf dem 1. und 2. Tonträger die unterschiedlichen Tonsignale (Ton 1 und Ton 2) übertragen. Auf dem 2. Tonträger ist in diesem Fall der Pilotton mit einer Kennfrequenz von
fh 157 = 274,1228 Hz = 274,1 Hz
amplitudenmoduliert.
3.1.4 Frequenzbereiche und Fernsehkanäle
Die Verteilung von Fernsehsignalen erfolgt im terrestrischen Funkkanal und Kabelkanal im VHF- und UHF-Bereich bei Frequenzen zwischen 100 und 1000 MHz. Nach internationaler Frequenzplanung sind in Europa Fernsehkanäle mit 7 MHz bzw. 8 MHz Bandbreite festgelegt worden, die verteilt sind auf die Bänder I und III, sowie für Kabelübertragung zusätzlich auf den unteren und oberen Sonderkanalbereich im VHF-Frequenzbereich bis 300 MHz und auf die Bänder IV und V sowie den erweiterten Sonderkanalbereich für Kabelübertragung im UHF-Frequenzbereich. Bild 3.12 zeigt die Zuordnung der Fernsehkanäle als terrestrische Funkkanäle und Kabelkanäle (K) bzw. nur Kabelkanäle (SK).
Die Kanäle 1 und 70 sowie der Sonderkanal 1 an den Bandgrenzen wurden als Sicherheitsabstand bzw. wegen einer Überschneidung mit dem UKW-FM-Rundfunkband im Frequenzbereich 87,5 MHz bis 108 MHz nicht als Fernsehkanäle zugeteilt. Die Kanäle 2, 3 und 4 im Band I werden sowohl im terrestrischen Fernsehen als auch insbesondere im Kabelkanal schon jetzt frei gemacht und zukünftig nicht mehr als Fernsehkanäle belegt, weil sie für andere Dienste genutzt werden sollen. So wird zukünftig in den Breitbandkabelnetzen im Frequenzbereich von 10 bis 65 MHz Datenverkehr in Hin- und Rückrichtung (Telefon-, Internetverbindungen u. a.) abgewickelt.
3.2 Satellitenkanal
3.2.1 Bildsignalübertragung durch Frequenzmodulation
Großflächige Versorgungsbereiche (europaweit) werden von „Sendestationen” im geostationären Orbit abgedeckt. Die Fernseh-, Radio- und Datenübertragung erfolgt über so genannte Transponder im Satelliten. Man versteht darunter einen Empfangsteil, der das Mikrowellensignal im „Uplink” von der Bodenstation zum Satelliten aufnimmt, auf eine andere, meist niedrigere Frequenz umsetzt und verstärkt und mit einer Senderleistung von 50 bis 100 W im „Downlink” wieder gebündelt abstrahlt. Derzeit wird für die Abwärtsstrecke der Frequenzbereich von 10,7 bis 12,75 GHz ausgenutzt. Zukünftig sind, insbesondere dann nur für digitale Signale, auch noch höhere Frequenzbänder (bei 21 GHz, 42 GHz und 84 GHz) vorgesehen.
Die so genannten Direktempfangssatelliten für den europäischen Raum werden betrieben von der SES ASTRA mit derzeit (August 2004) den Satelliten (Flugmodellen) ASTRA -1B, -1C, -1E, -1F, -1G, -1H und -2C auf der Orbitposition 19,2° Ost sowie von der EUTELSAT mit den Satelliten HOT BIRD auf der Orbitposition 13° Ost und EUROBIRD auf 25,5° und 28,5° Ost.
Bild 3.13 zeigt die Aufteilung des Frequenzbereiches von 10,7 bis 12,75 GHz im KU- Band auf die einzelnen Teilbänder am Beispiel des ASTRA-Satellitensystems. Für analoge Fernsehsignalübertragung werden, früher ausschließlich und heute noch überwiegend, die Bänder (A), B, C und (D) im Frequenzbereich von 10,7 bis 11,7 GHz benutzt. Die in Klammern angegebenen Bänder stehen für Reservezwecke zur Verfügung. Im Frequenzbereich von 11,7 bis 12,75 GHz werden digitale Fernsehsignale übertragen. Siehe dazu Näheres im Abschnitt 11.
In aufeinanderfolgenden Transponderkanälen wird abwechselnd mit horizontaler (H) und vertikaler (V) Polarisation übertragen.
Die Bandbreite der ASTRA-Transponder für analoge Fernsehsignalübertragung beträgt 26 MHz. Diese ist notwendig, um mit Frequenzmodulation einen Spitze- zu-Spitze-Frequenzhub von 2 • AFT =10 MHz bei der neutralen Frequenz der Preemphase im Videofrequenzband zu gewährleisten. Das FBAS-Signal wird überein Preemphase-Netzwerkdem FM-Modulator zugeführt. Man erreicht damit eine bessere Ausnutzung des Aussteuerbereiches und mit der zugehörigen Deemphase auf der Empfängerseite nach dem FM-Demodulator eine Absenkung der höherfrequenten Rauschanteile im Videosignal.
3.2.2 Tonsignalübertragung mit FM-Unterträger
Die Übertragung des Begleittones im analogen Satellitenkanal erfolgt über frequenzmodulierte Unterträger im Frequenzbereich oberhalb des FBAS-Signals. Das übertragene Basisband wird in diesem Fall bis etwa 8,5 MHz erweitert. Auf einem Unterträger bei 6,5 MHz wird der Hauptton, bei Stereosignalübertragung L+R, auf weiteren Unterträgern bei 7,02 und bei 7,20 MHz werden zusätzlich das Links- und Rechtssignal getrennt übertragen. Empfängerseitig werden nach FM-Demodulation des Basisbandes über einen 5-MHz-Tiefpass das FBAS-Signal und über Bandpässe bei 6,5 MHz sowie bei 7,02 und 7,20 MHz die analog modulierten Unterträger gewonnen und dementsprechenden FM-Demodulatoren zugeführt. Die Bandbreite der analog modulierten Unterträger beträgt 130 kHz.
Über einen ASTRA-Transponder können im Basisband oberhalb des FBAS-Signals bis zu sechs analog modulierte Unterträger oder zwölf digital modulierte Unterträger für Tonsignale oder Datendienste genutzt werden. Meistens werden neben dem analogen Fernsehbegleitton als Hauptton und über getrennte L- und R-Signale noch zusätzlich digitale Hörfunkprogramme nach dem ADR-Verfahren (ASTRA Digital Radio) übertragen. Es kommt die 4-Phasenumtastung zur Anwendung mit einer übertragenen Bitrate von 192 kbit/s auf jedem Unterträger. Bei einer Datenreduktion mit dem MUSICAM-Verfahren (siehe Abschnitt 6) kann damit nahezu CD-Tonqualität übertragen werden. Bild 3.14 zeigt die Belegung des durch Frequenzmodulation im Satellitenkanal übertragenen Basisbandes.
