1 Fernsehtechnik - ludwig nachrichtentechnik

1 Fernsehtechnik
Beim Zeilensprungverfahren wird das Vollbild in zwei
Halbbilder mit je der halben Zeilenzahl zerlegt. Die
beiden Teilbilder sind ineinander verkämmt.
1.1 Prinzip der Bildübertragung
1.1.1 Bildzerlegung und
Bildzusammensetzung
Bei der Übertragung von Bildern mit elektrotechnischen
Hilfsmitteln wird das Bild auf der Senderseite in viele
kleine Bildpunkte aufgeteilt. Der darin enthaltene
optische Zustand (Hell oder Dunkel) wird in elektrische
Signale umgewandelt. Diese werden zeitlich nacheinander (sequentiell) übertragen (Abbildung 1).
Abbildung 2: Prinzip der Abtastung nach
dem Zeilensprungverfahren
Pro Ganzbild werden in der ersten 50stel Sekunde die
"ungeraden Zeilen" (1, 3, 5, 7 usw.) geschrieben und in
der zweiten 50stel Sekunde die "geraden Zeilen" (2, 4, 6
usw.).
Bei einem Betrachtungsabstand von etwa 4mal der Bildschirmhöhe nimmt das Auge keine Unterbrechung wahr,
wenn nach einer 50stel Sekunde der Lichtimpuls von der
benachbarten Zeile oder der gleichen Zeile kommt. Für
den Flimmereffekt wirkt das Verfahren so, als ob mit 50
Bildwechseln pro Sekunde übertragen würde. In
Wirklichkeit ist nur die Vertikal-Frequenz fv = 50 Hz,
während die Bildfolgefrequenz nach wie vor 25 Hz beträgt.
Abbildung 1: Sequentielle Bildübertragung
Um Übertragungsfehler zu vermeiden, müssen die beiden
"Umschalter" stets gleiche Stellungen aufweisen. Sie
müssen synchron laufen. Der Bildpunkt auf der Senderseite, von dem der Lichteindruck gerade abgefragt wird,
muss mit dem entsprechenden Bildpunkt auf der Empfängerseite verbunden werden.
Beim Abtasten und Wiedergeben der Helligkeitsinformationen läuft der Elektronenstrahl, am oberen Bildrand beginnend, von links nach rechts. Bei Erreichen des rechten
Bildrandes wird er unterbrochen (Verdunkelung) und sehr
schnell zum linken Bildrand zurückgeführt (Zeilenrücklauf, Abbildung 2).
Die Bildpunkte werden zeilenweise nacheinander abgetastet. In der Fernsehtechnik erfolgen Bildabtastung und
Bildwiedergabe mit Hilfe eines Elektronenstrahls.
Eine Eigenschaft des Auges ist, dass jeder auf die Netzhaut einwirkende Lichteindruck eine gewisse Nachwirkung zeigt. Nach ca. 1/20 Sekunde ist der Lichteindruck soweit abgeklungen, dass ein neuer Lichtreiz
wahrgenommen werden kann. Bewegungen, die ruckweise in kürzeren Zeitabständen als 1/20 Sekunde erfolgen, sind in ihren einzelnen Phasen nicht mehr zu unterscheiden.
Die Anzahl der Zeilen, mit denen das Bild abgetastet
wird, entscheidet über die Schärfe der Bildwiedergabe
im Empfänger.
Damit die Zwischenräume zwischen den einzelnen Zeilen
nicht sehr groß werden und bei entsprechendem Betrachtungsabstand unsichtbar bleiben, soll die Zeilenzahl pro
Bild möglichst groß sein (Abbildung 3).
Um eine gleitende oder fließende Bewegung wahrnehmen zu können, muss das Abfragen und Ansteuern
des gesamten Bildfeldes mindestens 20 ... 30mal in der
Sekunde erfolgen. In der Fernsehtechnik beträgt die
Bildfolgefrequenz 25 Hz.
Die Bildschärfe wird auch von der Mindestgröße der einzelnen Bildpunkte bestimmt.
Je größer die Anzahl der Bildpunkte, desto größer ist
die Schärfe bei der Wiedergabe des Bildes. Es können
mehr Einzelheiten wiedergegeben werden.
Beim Bildwechsel beginnt die Abtastung wieder am oberen linken Bildrand. Während der Rückführung des
Elektronenstrahls entsteht eine Dunkelphase, die sich bei
25 Bildern pro Sekunde als Flimmern bemerkbar macht.
Mit einem Erhöhen der Bildfolgefrequenz, z. B. 50 Hz,
könnte das Flimmern zwar verhindert werden, aber die
Senderbandbreite würde sehr stark ansteigen. In der
Fernsehtechnik wird deshalb das Zeilensprungverfahren
(Zwischenzeilenverfahren) angewendet (Abbildung 2).
In der Fernsehtechnik entspricht die Größe eines Bildpunktes etwa dem Durchmesser des Elektronenstrahls auf
dem Bildschirm des Empfängers. Eine Zeile entsteht
durch die Aneinanderreihung von einzelnen Bildpunkten;
sie ist deshalb sehr schmal.
1
Die Frequenz des Elektronenstrahls in horizontaler Richtung (Horizontal-Frequenz, Zeilenfrequenz) lässt sich aus
der Bildfolgefrequenz und der Zeilenzahl berechnen: 25 s1
* 625 = 15625.
Auf einer Glasplatte ist eine hauchdünne, elektrisch leitfähige Platinschicht aufgebracht. Diese Schicht ist lichtdurchlässig. Auf ihrer Rückseite befindet sich eine lichtempfindliche Schicht (z. B. aus Kadmiumsulfid), die bei
Lichteinfall elektrisch leitend wird. Je größer der Lichteinfall, desto größer ist auch die Leitfähigkeit.
Von der geheizten Kathode (Minuspol) treten Elektronen
aus. Sie werden gebündelt und treffen auf die lichtempfindliche Schicht. Je nach Beleuchtung finden sie dort
einen großen oder kleinen Widerstand vor. Über die
Platinschicht und den Arbeitswiderstand Ra fließen die
Elektronen zum Pluspol der Spannungsquelle. Der Stromkreis ist geschlossen (Abbildung 4).
Da sich durch Ändern des Widerstandes der lichtempfindlichen Schicht der Strom im Stromkreis ändert, schwankt
der Spannungsabfall am Arbeitswiderstand Ra entsprechend der Helligkeitsinformation. Das optische Signal
(Helligkeitsunterschied) wird somit in ein elektrisches Signal (Spannungsunterschied) umgewandelt. Die
Spannung am Arbeitswiderstand Ra wird als Bildsignal
(B-Signal, Zeileninhalt) bezeichnet.
Das elektrische Bildsignal entspricht der Leuchtdichteverteilung (Helligkeitsverteilung) des Bildes.
Die lichtempfindliche Schicht in der Fernsehkamera ist
nicht durchgehend, sondern besteht aus sehr vielen
kleinen Punkten, die nach dem Zeilensprungverfahren
abgetastet werden.
1.1.2 Videosignal
Bei hellen Bildstellen entsteht am Arbeitswiderstand Ra
(Abbildung 4) ein großer Spannungsabfall und bei
dunklen Bildstellen ein kleiner. In der Fernsehkamera
wird durch Phasendrehung das Bildsignal so erstellt, dass
Weißwerte bei kleinen Spannungen und Schwarzwerte
bei großen Spannungen liegen. Störungen (z. B.
Spannungsspitzen durch Zündfunken) verursachen durch
diese Maßnahme schwarze Punkte oder Striche auf dem
Bildschirm des Empfängers. Sie wirken weit weniger störend als weiße Punkte oder weiße Striche.
Abbildung 3: Fernsehbilder bei einer
Übertragung mit 60 bzw. 180 Zeilen pro Bild
Fernsehnorm (CCIR-Norm, vgl. S. 213)
Bildfolgefrequenz:
Zeilenzahl:
Vertikal-Frequenz:
Horizontal-Frequenz:
25 Bilder pro Sek.
625 pro Bild
50 Hz
15625 Hz
In den gezeigten Fällen (Abbildung 5) sind die Bildsignale aller Zeilen gleich, da sich der Zeileninhalt der Kameravorlage über das ganze Bild gesehen nicht ändert. Eine
Kameravorlage mit unterschiedlichen Zeileninhalten zeigt
Abb. 1; S. 204.
Aufgabe der Fernsehkamera ist es, das optische Bild
eines aufgenommenen Gegenstandes in elektrische Signale umzuwandeln. Das Kernstück der elektronischen
Fernsehkamera ist die Aufnahmeröhre (Kameraröhre)
(Abbildung 4).
Abbildung 4: Funktionsprinzip der
Fernsehkamera
Abbildung 5: Bildsignale bei
unterschiedlichen Kameravorlagen
2
Abbildung 7: Zeilensynchronsignal
Ausgelöst wird der Zeilenrücklauf durch die Vorderflanke
des Synchronimpulses. Wichtig ist dabei, dass unabhängig vom Zeileninhalt der Rücklauf immer zum selben
Zeitpunkt eingeleitet wird. Die vordere Schwarzschulter
spielt dabei eine wichtige Rolle. Ist das Ende einer Zeile
weiß (Pegel liegt bei 10%), so muss die Spannung von
10% auf 75% sehr schnell ansteigen. Durch die dabei notwendige Anstiegszeit kann es zum verzögerten Einsatz
des Rücklaufs kommen (Abbildung 8). Mit der vorderen
Schwarzschulter ist die sichtbare Zeile um etwa 1,5μs
kürzer. Ohne den Rücklauf zu verzögern, bleibt nun bis
zum Erreichen der Vorderflanke genügend Zeit, den Pegel
von 10% auf 75% zu erhöhen.
Abbildung 6: Videosignale bei einer
Kameravorlage mit unterschiedlichen
Zeileninhalten
Infolge des schnellen Rücklaufs treten besonders zu Beginn der Hinlaufperiode Einschwingvorgänge auf. Mit
Hilfe der hinteren Schwarzschulter fallen sie jedoch noch
in die Austastlücke und sind somit nicht sichtbar.
Zeilen-Synchronsignale (HorizontalSynchronsignale)
Die Zeilenanfänge müssen beim Sender und Empfänger
gleichzeitig beginnen, damit das ausgesendete Bild im
Empfänger wieder richtig "zusammengesetzt" werden
kann. Deshalb müssen neben dem Bildsignal (Helligkeitswerte) auch noch Gleichlaufsignale (Synchronsignale)
ausgesendet werden.
Die Gleichlaufsignale für die horizontale Ablenkung
des Elektronenstrahls (Zeilenablenkung) werden ZeilenSynchronsignale oder Horizontal-Synchronsignale genannt. Sie kennzeichnen das Ende einer Zeile.
Abbildung 8: Zeitverschiebung durch
Pegelanstieg
Nach der letzten Helligkeitsinformation einer Zeile folgt
nicht sofort der Zeilensynchron-Impuls. Er ist eingebaut
zwischen die vordere und hintere Schwarzschulter (Abbildung 7). Die Schwarzschulter wird auch mit Austastschulter bezeichnet. Alle drei Teile bilden zusammen die
Zeilen-Austastlücke.
Die Gesamtzeit von 12μs±0,3μs wird als Zeilen-Austastlücke (Horizontal-Austastlücke) bezeichnet. Sie ist
normalerweise im Fernsehbild nicht zu sehen. Durch eine
entsprechende Fehlsynchronisation der Zeilenablenkung
kann sie jedoch ins Bildfeld gerückt werden (Abbildung
9). Bei normaler Bildhelligkeit erscheint die gesamte Zeilenaustastlücke schwarz, denn das Zeilensynchronsignal
liegt zwischen 75% und 100% des Senderpegels. Die
schwarzen Stellen des Bildes liegen bei 73% (Schwarzpegel). Durch Erhöhen der Bildhelligkeit weit über das
Normale hinaus, werden die ehemals tiefschwarzen
Stellen des Bildinhaltes mittelgrau. Die vordere und hintere Schwarzschulter erscheinen nun in einem dunkleren
Grau, während der Zeilen-Synchronimpuls als schwarzer
"Balken" zu sehen ist (Abbildung 9).
Der Zeilen-Synchronimpuls wird mit 100% der Gesamtamplitude abgestrahlt. Vordere und hintere Schwarzschulter mit 75% (Austastwert). Der Schwarzwert während des sichtbaren Bildes liegt bei 73%.
3
dem der Vertikalrücklauf eingeleitet wird, bezeichnet man
mit Schaltniveau.
Abbildung 9: Sichtbare Zeilen-Austastlücke
durch Fehlsynchronisation
Das Videosignal (BAS-Signal) besteht aus drei Teilen:
•
Bildsignal, zwischen 10% und 73% der Gesamtamplitude (B-Signal).
•
Austastsignal, mit 75% der Gesamtamplitude (A-Signal).
•
Synchronsignal, mit 100% der Gesamtamplitude (SSignal).
Abbildung 11: Die fünf Hauptimpulse zur
Vertikal-Synchronisation mit dem Verlauf der
Integrationsspannung
Abbildung 10 zeigt das komplette BAS-Signal (Bild-Austast-Synchronsignal) einer Zeile. Der Weißpegel von 10%
darf nicht unterschritten werden, da das Tonsignal durch
Mischung von Bild-ZF und Ton-ZF entsteht (vgl. 6.4 in
Westermann Elektrotechnik Fachbidlung Kommunikationselektronik 2).
Da das erste Teilbild in der Mitte der 313. Zeile endet, das
zweite Teilbild aber nach Ende der 625. Zeile, müsste der
Vertikalimpuls in der Phasenlage von Teilbild zu Teilbild
um eine halbe Zeile alternieren (wechseln). Würde der
Vertikalimpuls ohne zusätzliche Maßnahmen phasenstarr
übertragen, käme es zu Zeitfehlern in der Synchronisierung der Bildablenkung und damit zur sogenannten paarigen Rasterstruktur (Abbildung 12).
Vertikal-Synchronsignale (BildSynchronsignale)
Nicht nur für die horizontale Ablenkung des Elektronenstrahls, sondern auch für die vertikale Ablenkung sind
Synchronsignale notwendig. Die für die Vertikal-Synchronisation notwendigen Impulse liegen ebenfalls im
Bereich zwischen 75% und 100% der Gesamtamplitude.
Um dennoch eine Unterscheidung zu den Zeilensynchronimpulsen zu erhalten, erstreckt sich der Vertikalimpuls
über eine Zeit von 2,5 Zeilen.
Damit während dieser Zeit die Synchronisation für die
Horizontalablenkung nicht ausfällt, wurde der
Vertikalimpuls in 5 Impulse aufgeteilt. Die ansteigenden
Flanken können zur Horizontalsynchronisation herangezogen werden. Die Schaltspannung für den Bildrücklauf
wird durch Integration (z. B. mit RC-Glied) dieser 5
Impulse erzeugt (Abbildung 11). Den Spannungswert, mit
Abbildung 12: Paarige Zeilen durch
Synchronisationsfehler in der Bildablenkung
Ein phasenalternierender Vertikalimpuls bedeutet aber
einen erheblichen technischen Aufwand. Um Synchronisationsfehler dennoch auszuschließen, werden dem
Vertikalimpuls 5 Ausgleichsimpulse (Vortrabanten)
Abbildung 10: Videosignal einer Zeile
4
vorausgeschickt (Abbildung 13). Die Impulse haben einen
zeitlichen Abstand von je einer halben Zeile.
Das Schaltniveau würde deshalb nach dem ersten Teilbild
früher erreicht als nach dem zweiten. Es kommt zu einer
paarigen Zeilenstruktur. Mit den Ausgleichsimpulsen
wird dies verhindert.
Nach den 5 Hauptimpulsen schließen 5 weitere Ausgleichsimpulse (Nachtrabanten) im Halbzeilenabstand an.
Sie sichern eine gleichmäßige Rückflanke der integrierten
Hauptimpulse (Vertikalimpulse).
Am Ende des ersten Teilbildes beginnen die Vorimpulse
mit der 311. Zeile und beim zweiten Teilbild ab Mitte der
623. Zeile. Durch die kurzen Vorimpulse ist die Integrationsspannung kleiner als bei den breiteren Zeilensynchronimpulsen. Durch die kurzen Intervalle von Auf- und
Entladung sind für beide Teilbilder gleiche Anfangsbedingungen für die Integration gegeben. Das Schaltniveau
wird zum selben Zeitpunkt erreicht (Abbildung 16).
Abbildung 13: Vertikal Synchronsignale
Das Vertikal-Synchronsignal besteht aus 15 Impulsen im
Halbzeilenabstand:
•
5 kurze Vorimpulse (Vortrabanten) mit je 4,5% Zeilendauer,
•
5 längere Hauptimpulse mit je 41% Zeilendauer,
•
5 kurze Nachimpulse (Nachtrabanten) mit je 4,5%
Zeilendauer.
Wie in Abbildung 14a und Abbildung 14b zu sehen ist,
würden sich durch die unterschiedlichen Abstände des
letzten Zeilensynchronimpulses zu den Hauptimpulsen
unterschiedliche Anfangsbedingungen für die Integration
ergeben.
Abbildung 16: Bildsynchronisation mit
Ausgleichsimpulsen
Mit Hilfe der Ausgleichsimpulse werden nach jedem
Teilbild gleiche Anfangsbedingungen für die Integration geschaffen.
Vortrabanten, Hauptimpulse und Nachtrabanten lassen
sich auf dem Bildschirm sichtbar machen, wenn die Helligkeit aufgedreht wird und das Bild durch Fehlsynchronisation "durchläuft" (Abbildung 18).
In den bisherigen Erklärungen blieb unberücksichtigt,
dass während des Vertikalrücklaufs einige Zeilen "verloren" gehen. In der Praxis wird der Bildschirm sowohl in
horizontaler als auch in vertikaler Richtung etwas überschrieben.
Abbildung 14: Bildsynchronisation ohne
Ausgleichsimpulse
Abbildung 15: Synchronschema im Bereich der Vertikalaustastung. Die Austastung (Dunkelsteuerung) beginnt mit der
311. bzw. in der Mitte der 623. Zeile und dauert insgesamt 25 Zeilen + 12 μs (Zeilen-synchronimpuls).Die ab der 329.
bzw. 15. Zeile gesendeten Prüfsignale und Daten (z. B. Videotext) liegen, bei normal eingestelltem Empfänger,
außerhalb des sichtbaren Bereiches.
5
Abbildung 17: Zeilenhinläufe und Zeilenrückläufe auf dem Bildschirm der Bildröhre bei
Wiedergabe eines Fernsehbildes im Zeilensprungverfahren. Die abgedeckten Zeilen gehen
durch den Bildrücklauf verloren.
Der untere Bildrand wird schon etwa nach der 308. Zeile
5. Zeichnen Sie die Signalverläufe in den Austastlücken
erreicht (Abbildung 17). Nach weiteren ca. fünf dunkelge(Bild und Zeile)!
steuerten, über den Bildrand hinaus geschriebenen Zeilen,
6. Zeichnen Sie das Video-Signal einer Zeile (Abb. 2),
setzt der Rücklauf ein, der etwa 5 Zeilen dauert. Ist der
die als Bildinhalt eine Grautreppe mit sechs Stufen
Strahl am oberen Bildrand angelangt, werden noch ca. 10
besitzt!
Zeilen außerhalb des Bildes geschrieben. Erst jetzt beginnt wieder das auf dem Bildschirm sichtbare Bild (Ab7. Welcher Unterschied besteht zwischen den Vertikalbildung 17).
und Horizontal-Synchronimpulsen?
8. Welche Bedeutung haben die Ausgleichsimpulse bei
der Bild-Synchronisation?
9. An welchen Stellen der Abb. 7; S. 207 sind Zusatzsignale untergebracht (z. B. Videotext)?
Abbildung 19: zu Aufgabe 6
Abbildung 18: Bildaustastlücke, sichtbar bei
Fehlsynchronsiation und aufgedrehter
Helligkeit
Aufgaben zu 6.1.1 und 6.1.2
1. Was versteht man unter der sequentiellen Bildübertragung?
2. Beschreiben Sie das Prinzip des Zeilensprungverfahrens!
3. Wovon ist die Bildschärfe abhängig?
4. Erklären Sie den Unterschied zwischen dem Bildsignal und dem Videosignal!
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Die bei der Amplitudenmodulation entstehenden Seitenbänder würden bei der Bildübertragung eine Bandbreite
von ca. 10 MHz erfordern. Um mit einer geringeren
Senderbandbreite auszukommen, wendet man in der
Fernsehtechnik das sogenannte Restseitenbandverfahren
an.
1.1.3 Übertragung des BASSignals
Das BAS-Signal wird vom Sender amplitudenmoduliert
abgestrahlt. Die Amplitudenmodulation ist hierbei jedoch
etwas anders als in der Rundfunktechnik. Bei der in der
Rundfunktechnik üblichen Amplitudenmodulation hat im
unmodulierten Zustand der Träger einen mittleren Wert.
Bei der Modulation ändert sich dieser Wert zu größeren
und kleineren Amplituden (vgl. 5.1.1). Bei der in der
Fernsehtechnik üblichen Amplitudenmodulation, als AMnegativ bezeichnet (Abbildung 20), hat der Träger im unmodulierten Zustand seinen Maximalwert. Beim Modulieren wird die Amplitude um den entsprechenden Wert
kleiner. Die Synchronimpulse „hängen" dabei immer auf
dem Maximalwert (100%).
Restseitenbandübertragung
Bei der Amplitudenmodulation des Trägers entstehen
zwei Seitenbänder, die jeweils die gleiche Information
enthalten. Um wegen der Senderdichte Bandbreite zu
sparen, kann ein Seitenband abgeschnitten werden, ohne
dass der Informationsgehalt verändert wird.
In der Praxis wird allerdings nicht das ganze Seitenband
abgeschnitten, da am Träger unerwünschte
Oberschwingungen und damit Verzerrungen in der
Frequenz/ Amplitudencharakteristik entstehen. Man überträgt deshalb zum vollständigen oberen Seitenband einen
Rest des unteren Seitenbandes bis zu 1,25 MHz (Abbildung 22b).
Abbildung 20: Modulationsart „AM-negativ“
Bandbreite
Bei der AM-negativ-Modulation für das Fernsehen entstehen genau wie beim Ton-Rundfunk zwei Seitenbänder.
Die Bandbreite lässt sich annähernd errechnen, wenn man
davon ausgeht, dass die Auflösung in vertikaler Richtung
genauso groß sein soll wie in horizontaler Richtung.
Bei einem Seitenverhältnis des Bildschirms von 4:3
(Breite zu Höhe) müsste dabei jede Zeile aus
625 * 4/3 = 833 Bildpunkte bestehen. Da die auf einer
Zeile benachbarten Bildpunkte aber ineinander übergehen
und somit nicht klar getrennt sind, genügt in waagerechter
Richtung eine geringere Bildpunktdichte. Die Praxis hat
gezeigt, dass eine um den Faktor 0,77 verringerte Bildpunktzahl, also 833 * 0,77 = 642 Bildpunkte, genügt. Bei
625 Zeilen ergeben sich für ein Ganzbild 401250 Bildpunkte. Bei 25 Bildern je Sekunde sind vom Sender 10
Millionen Bildpunkte zu übertragen.
Abbildung 22: Restseitenbandübertragung
Der Bereich von 0 MHz . . . 1,25 MHz ist jedoch zweimal
vorhanden. Er würde bei normaler Verstärkung und
Demodulation im Empfänger eine größere Amplidue
ergeben als der Bereich von 1,25 MHz.. .5 MHz (Abbildung 22c). Um diese Spannungsüberhöhung zu
verhindern, wird die ZF-Durchlaßkurve des Empfängers
und somit die ZF-Verstärkung nicht symmetrisch, sondern
asymmetrisch abgeglichen (Abbildung 22d).
Abbildung 21: Spannungsverlauf einer Zeile
(Auszug) bei schwarzen und weißen
Bildpunkten
Für einen Bildpunkt steht dem Sender nur eine zehnmillionstel Sekunde (0,1 µs) zur Verfügung. Pro
Schwingungszug also T = 0,2 μs (Abbildung 21). Dies
entspricht einer Frequenz der Videospannung von 5 MHz
(f = 1/T).
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Für den Übergang von der vollen Amplitude des oberen
Seitenbandes bis zur Unterdrückung des unteren Seitenbandes wird bei der Verstärkung im Empfänger ein
Frequenzbereich von ca. 2,5 MHz einbezogen. Der Bildträger liegt dabei genau in der Mitte des geradlinigen
Teils der ZF-Durchlaßkurve (Abbildung 22d).
schen Helligkeits- und Farbsignal bei Farbsendungen machen.
Tonübertragung
Neben den Bild- und Synchronsignalen muss der
Fernsehsender auch das Tonsignal aussenden. Während
für die Bildübertragung die Amplitudenmodulation angewandt wird, benutzt man für den Begleitton die Frequenzmodulation.
Im Übergangsbereich ergänzen sich nun die Amplitudenanteile des oberen und unteren Seitenbandes so, dass die
Phasen- und Amplitudenfehler gering bleiben.
Der wegen der schrägen Flanke im oberen Seitenband
fehlende Amplitudenanteil wird vom Amplitudenanteil
im unteren Seitenband ergänzt (graue Fläche, Abbildung
22d).
Der Tonträger hat im unmodulierten Zustand vom Bildträger einen Abstand von 5,5 MHz.
Die höchste zu übertragende Frequenz beträgt 5 MHz.
Da das Bild aber auch einmal eine Fläche ohne Helligkeitsunterschiede sein kann, ergeben sich Modulationsfrequenzen von 0 Hz bis etwa 5 MHz.
Die hohe Übertragungsfrequenz stellt besonders an den
Videoverstärker im Empfänger große Anforderungen.
Mit Hilfe eines Testbildes lässt sich kontrollieren, welche
Frequenzen der Videoverstärker überträgt.
Abbildung 24: Vom Sender abgestrahltes
Frequenzband
Der Tonträger liegt also senderseitig noch über dem
5 MHz breiten oberen Seitenband des Bildträgers. Der
Hub des FM-Tonsenders beträgt bei 100% Modulation
maximal ±50 kHz, nimmt also eine maximale Breite von
0,1 MHz ein (Abbildung 24). Da der Tonträger frequenzmoduliert ist, ändert sich der Abstand zum Bildträger im
Rhythmus der Modulationsspannung.
Stereo- und Zweiton-Übertragung
Bei der Stereo- bzw. Zweiton-Übertragung kommt zum
Tonträger 1 noch ein zweiter Tonträger hinzu, der um
242 kHz höher liegt als der Tonträger 1 (Tabelle 1).
Um Monogeräte nicht zu stören, ist der Tonträger 2
gegenüber Tonträger 1 um -7 dB abgesenkt. Bezogen auf
den Bildträger sind der Tonträger 1 um -13 dB und der
Tonträger 2 um -20 dB abgesenkt.
Die Fernseh-Stereo- bzw. Zweitonübertragung ist eine
echte Zweikanal-Übertragung. Die ideale Lösung wäre,
mit dem Tonträger 1 die Links- und mit dem Tonträger 2
die Rechtsinformation zu übertragen. Dies ist jedoch aus
Kompatibilitätsgründen nicht möglich, da sonst bei allen
Monogeräten die Rechtsinformation fehlen würde.
Abbildung 23: Prüfzeilen nach dem
Vertikalrücklauf
Prüfzeilen und Daten
Für Stereo-Übertragungen gilt:
Tonträger 1:
(R + L)-Signal
Tonträger 2:
(R)-Signal
Im FS-Sender werden in die informationsfreien Zeilen der
Vertikallücke Daten (z.B. für Videotext) und Prüfzeilen
eingeblendet. Mit Hilfe der Prüfzeilen, sie können mit
einem Zeilenselektor „herausgefiltert“ werden, sind
Messungen an der gesamten Videoübertragungsstrecke
möglich.
Für Zweiton-Übertragungen gilt:
Tonträger 1:
NF1 (z.B. Deutsch)
Tonträger 2:
NF2 (z.B. Fremdsprache)
So lassen sich bei Auswertung der CCIR-Prüfzeilensignale 17 und 330 (Abbildung 23) Aussagen über lineare
Verzerrungen sowie über Amplitudenunterschiede zwi-
8
Da die Zuordnung anders ist als in der Ton-Rundfunktechnik, muss auch die Matrixschaltung (Decoder im
Empfänger) anders arbeiten (Abbildung 25).
Aufgaben zu 1.1.3
1. Was versteht man unter der Modulations-art AM-negativ?
Dem Tonträger 2 wird neben der eigentlichen Toninformation noch ein Pilotton mit 54,68 kHz aufmoduliert. Der Pilotträger ist mit den Kennfrequenzen für
Stereo- bzw. Zweiton-Übertragung amplitudenmoduliert
(Zuordnung siehe Tabelle 1). Bei fehlender Kennfrequenz
schaltet der Decoder im Empfänger auf Mono.
2. Erklären Sie das Prinzip des Restseiten-bandverfahrens!
3. Zeichnen Sie die grundsätzliche Durchlaßkurve eines
ZF-Verstärkers!
4. Was ist der Unterschied zwischen der Stereo-Tonübertragung und der Zweiton-Übertragung beim
Fernsehen?
5. Nach welcher Modulationsart sind die Bild- und
Tonträger moduliert?
6. Welche Kanalbandbreite besitzen Sender im VHFund im UHF-Bereich?
Abbildung 25: Matrix der FS-Stereofonie
Fernsehkanäle und Fernsehnormen
Bei der Kanalbreite wird zwischen Sendern im VHF-Bereich und Sendern im UHF-Bereich unterschieden.
Im VHF-Bereich beträgt die Kanalbreite je Sender 7
MHz.
Im UHF-Bereich beträgt die Kanalbreite je Sender 8
MHz.
Bei Sendern im VHF-Bereich liegt die obere Kanalgrenze
0,25 MHz über dem Tonträger 1, im UHF-Bereich beträgt
der Abstand dagegen 1,25 MHz (Abbildung 26). Für
Nachbarbildträger und Nachbartonträger ergibt sich daher
bei VHF und UHF eine unterschiedliche Lage, die sich
auch mit in die ZF umsetzt.
Abbildung 26: Kanalaufteilung im VHS- und
UHF-Bereich
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Allgemeine Daten
Kanal 1
Kanal 2
Frequenz
BT + 5,5 MHz
(± 500 Hz)
BT +5,7421875 MHz
(± 500 Hz)
Bild-Ton-Leistungsverh.
13 dB
20 dB
NF-Bandbreite
40 . . . 15000 Hz
40 . . . 15000 Hz
Frequenz bei 500 Hz für
Vollaussteuerung
± 30 kHz
± 30 kHz
Pre-Emphasis
50 μs
50 μs
Betriebsartenkennung
Kanal 1
Kanal 2
Pilotträgerfrequenz
54,6875 kHz (±5 Hz)
Zeilenverdoppelt
Modulationsart
AM
Modulationsgrad
50,00%
Kennfrequenzen
0 Hz (Mono)
117,5 Hz = fH/133 (Stereo)
274,1 Hz = fH/57 (Zweiton)
Der AM-modulierte Pilotträger moduliert den Senderträger mit einem HUB von ±2,5 kHz
(±0,5kHz)
Signalzuordnung
Kanal 1
Kanal 2
Mono
Mono
Mono
Stereo
LR entspricht Mono
2
Zweiton
Mono 1
R
Mono 2
Tabelle 1: Normen für den Fernsehton
Bereich
Kanal
Frequenzbereich
MHz
I
(UKW)
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
21
22
37
38
39
60
47. . .54
54. . .61
61. . .68
174. . .181
181. . .188
188. . .195
195. . .202
202. . .209
209. . .216
216. . .223
470. . .478
478. . .486
598... 606
606... 614
614... 622
782... 790
III
(VHF)
IV
(UHF)
V
(UHF)
Bildträgerfrequenz
MHz
48,25
55,25
62,25
175,25
182,25
189,25
196,25
203,25
210,25
217,25
471,25
479,25
599,25
607,25
615,25
783,25
Tabelle 2Aufteilung der Fernsehkanäle nach der CCIR-Norm
10
Tonträgerfrequenz
MHz (Kanal 1)
53,75
60,75
67,75
180,75
187,75
194,75
201,75
208,75
215,75
222,75
476,75
484,75
604,75
612,75
620,75
788,75
kHz
MHz
MHz
MHz
Europa
(CCIR)
625
50
15625
4:3
AM
negativ
FM
50
7
5
+ 5,5
%
%
%
unten
75
10
100
Fernseh-Normen
Zeilenperioden je Bild
Vertikalfrequenz
Horizontalfrequenz
Bildseitenverhältnis
Bildmodulation
Tonmodulation
Hub
Gesamtkanal
Bildmodulationsbreite
Bild-/Tonträgerabstand
(Bildträgerfrequenz minus
Tonträgerfrequenz)
beschnittenes Seiten band
Schwarzpegel von Träger
Weißpegel von Träger
Imputspegel von Träger
Zeilenzahl
Hz
Hz
Belgien l
Belgien II
Frankreich England
Ostblock
USA
625
50
15625
4:3
AM
positiv
AM
7
5
+ 5,5
819
50
20475
4:3
AM
positiv
AM
7
5
-5,5
819
50
20475
4,12:3
AM
positiv
AM
13,5
10,6
+ 11,15
405
50
10125
4:3
AM
positiv
AM
5
3
-3,5
625
50
15625
4:3
AM
negativ
FM
50
8
6
+ 6,5
525
60
15750
4:3
AM
negativ
FM
25
6
4
+ 4,5
unten
25
100
3
oben
25
100
3
u. od. o.
25
100
3
oben
30
100
0...2
unten
75
10
100
unten
75
15
100
Tabelle 3: Vergleich der CCIR-Norm mit den Normen aus anderen Ländern
werden als UV-Strahlen bezeichnet, Wellen oberhalb 780
nm als Infrarotstrahlen.
1.1.4 Übertragung des FBASSignals
Das Sonnenlicht, auch weißes Licht genannt, beinhaltet
das gesamte Spektrum der elektromagnetischen Wellen
zwischen 380 nm und 780 nm. Für verschiedene Lichtwellenlängen aus diesem Bereich entstehen verschiedenartige Farbempfindungen für das Auge.
Licht und Farbe
Alle bisherigen Erklärungen über die Bild-und Tonübertragung in der Fernsehtechnik gelten nicht nur für die
Übertragung von Schwarz-Weiß-Bildern, sondern auch
für die Übertragung von Farbbildern. Zusätzlich zu den
bereits bekannten Signalen muss in der Farbfernsehtechnik noch die Farbe übertragen werden. Um die Signalverarbeitung im Sender zu verstehen, ist eine grundlegende Betrachtung über Licht, Farbe und Farbmischung
notwendig.
Mit Hilfe eines Prismas kann das weiße Licht in seine
Spektralfarben zerlegt werden. Das dabei entstehende
Farbband wird als Farbspektrum bezeichnet.
Wird z. B. ein roter Gegenstand mit weißem Licht angestrahlt, so reflektiert dieser Gegenstand nur Licht im
Wellenlängenbereich zwischen 700 nm und 780 nm. Das
Licht erzeugt im Auge einen Farbreiz, der den
Gegenstand als rot identifiziert. Licht unterhalb 700 nm
und oberhalb 780 nm wird absorbiert. Absorbiert ein Körper alle Strahlen, so erscheint er schwarz. Wird ein roter
Körper mit blauem Licht angestrahlt, so erscheint er ebenfalls schwarz, weil das blaue Licht absorbiert wird.
Um Gegenstände wahrnehmen zu können, müssen diese
entweder Licht reflektieren (z.B. Sonnenlicht), oder selbst
Licht aussenden. Sichtbares Licht ist der Teil der
elektromagnetischen Wellen, der vom Auge wahrgenommen wird. Er nimmt nur einen kleinen Teil des uns bekannten Frequenzgebietes ein und liegt zwischen 380 nm
und 780 n m (Abbildung 27). Wellen unterhalb 380 nm
Abbildung 27: Licht als Teilbereich des elektromagnetischen Spektrums wird mit Hilfe eines Prismas in seine
Spektralfarben zerlegt
11
Abbildung 28: Additive Farbmischung
kleinerung der Leuchtdichte ergeben sich auch noch die
gebrochenen Farben.
Farbmischung
So, wie mit Hilfe eines Prismas aus weißem Licht die
Spektralfarben gewonnen werden, kann auch umgekehrt
aus Spektralfarben durch additive Farbmischung weißes
Licht gebildet werden. Bemerkenswert ist hierbei jedoch,
dass für diesen Vorgang nicht alle Spektralfarben benötigt
werden.
Der Farbton wird durch die Wellenlänge des Lichtes bestimmt. Er ist darum das wesentlichste Unterscheidungsmerkmal der Farbe.
Um weißes Licht durch additive Farbmischung zu
erhalten, genügen drei Farben: Rot, Grün und Blau.
Diese drei Farben aus dem Farbspektrum nennt man
Primärfarben.
Wellenlängen der Primärfarben:
λR=700nm; λG = 546,1nm; λB=435,8nm
Abbildung 29: Farbsättigungsgrade der
Farbe Rot
Die additive Farbmischung lässt sich leicht mit einem
Versuch darstellen (Abbildung 28a). Drei Lichtquellen
liefern jeweils weißes Licht, das von Farbfiltern gefiltert
wird. Nach dem Filtern ist nur noch rotes, blaues und grünes Licht vorhanden. Auf der Leinwand treffen alle drei
Lichtbündel zusammen. Es ist wieder weißes Licht zu sehen.
Die Farbsättigung gibt den Weißanteil in der Farbe an.
Die Abbildung 29 zeigt z. B. den Farbton Rot mit seinen
unterschiedlichen Sättigungsgraden.
Gesättigte Farben sind die Spektralfarben, denn sie enthalten keinerlei Weißanteile. Vollgesättigte Farben kommen in der Natur kaum vor, die meisten Farben sind ungesättigt. Wird z. B. Rot durch Zusatz von weißem Licht
entsättigt, geht Rot in Rosa über. Dieses entspricht z. B.
der Verdünnung roter Tinte mit Wasser.
Bei gleicher Intensität der Lichtquellen und etwas versetzten Lichtkegeln ergeben sich durch additive Farbmischung von je zwei Primärfarben sogenannte
Mischfarben (Purpur, Gelb und Cyan).
Durch additive Farbmischung der drei Primärfarben
Rot, Grün und Blau kann jeder beliebige Farbton gebildet werden.
Die beiden Begriffe Farbart und Leuchtdichte spielen in
der Farbfernsehtechnik eine große Rolle, da beide Größen
vom Sender übertragen werden. Es gelten dabei die Beziehungen (Abb. 1):
Farbart = Farbartsignal F
Leuchtdichte = Leuchtdichtesignal Y
Das Prinzip der additiven Farbmischung wird bei der
Farbbildröhre angewendet.
Leuchtdichte und Farbart
Für das Verständnis der Farbfernsehtechnik ist es notwendig, den Begriff Farbe weiter aufzuschlüsseln. Bei der
Farbwahrnehmung unterscheidet das Auge zwischen Helligkeit, Farbton und Farbsättigung.
Abbildung 30: Aufgliederung des Begriffs
„Farbe“
Die verschiedenen Farbtöne und ihre Sättigungsgrade
lassen sich in einem Farbkreis darstellen (Abbildung 31).
Der Balken der Spektralfarben von Abbildung 27 wird
dazu kreisförmig zusammengefügt. An der Überlappung
zwischen Rot und Blau entsteht der nicht im Spektrum
vorhandene Farbton Purpur.
Die Stärke der Lichtempfindung wird durch den Begriff
Helligkeit gekennzeichnet. Ein Maß zur Festlegung von
Helligkeitswerten ist die Leuchtdichte.
Die Leuchtdichte eines Farbdias, das z. B. mit einer
100W-Lampe projiziert wird, ist kleiner, als wenn man
dieses Dia mit einer 300W-Lampe projiziert. Durch Ver-
12
Abbildung 31: Farbkreis
Der Winkel von einer Bezugsebene ist ein Maß für den
Farbton. Die Länge des Zeigers vom Mittelpunkt entspricht der Farbsättigung. Der Mittelpunkt ist der Weißpunkt. In diesem Punkt ist die Sättigung 0%. Der Farbeindruck ist unbunt. Auf dem Umfang des Kreises sind alle
Farbtöne 100% gesättigt. Die sich auf dem Kreis gegenüber liegenden Farben nennt man Komplementärfarben.
Im Farbkreis wird die Farbart durch eine bestimmte
Winkelangabe (Farbton) und durch die Länge des
Zeigers (Farbsättigung) gekennzeichnet.
Abbildung 33: Zusammenhang zwischen
Farbbild und-Schwarz-Weiß-Bild
Farbfernseh-Kamera
Im Prinzip ist eine Farbfernseh-Kamera mit drei Aufnahmeröhren bestückt, die jeweils mit einem Farbfilter
versehen sind (Abbildung 32). Es werden die drei Farbauszüge Rot, Grün und Blau geliefert.
Aufbereitung der KameraAusgangssignale
Um die folgenden verschiedenen Spannungswerte besser
vergleichen zu können, haben wir festgelegt, dass ohne
weitere Aufbereitung die drei Kamera-Ausgangsspannungen UR, UG und UB jeweils den Wert 1 haben
(ohne Einheit).
Das Licht des aufzunehmenden Bildes gelangt auf ein
speziell geschliffenes Prisma. Dieses Prisma teilt das
Licht in drei Bereiche (Rot, Grün und Blau) auf. Über
Silberspiegel gelangen die Lichtwellen zu Farbfiltern,
hinter denen sich die eigentlichen Aufnahmeröhren befinden.
Bei einem Farbbalkentestbild als Kameravorlage ergeben
sich die in Abbildung 34a bis 34c gestrichelt gezeichneten
Spannungsverläufe. Es ist z. B. zu erkennen, dass der
Farbton Gelb auf dem Bildschirm nur dann entsteht, wenn
die Spannungen UR und UG addiert werden. Dieses entspricht der additiven Farbmischung von Rot und Grün.
Da eine Farbfernsehsendung auch mit einem SchwarzWeiß-Gerät wiedergegeben werden muss, werden die drei
Kamera-Ausgangsspannungen in ihren Werten verringert.
Die Ausgangssignale werden dabei nicht einheitlich verringert, sondern entsprechend der unterschiedlichen Helligkeitsempfindung der Augen. Nur bei der Weißwiedergabe ergibt sich dann eine Gesamtspannung mit dem
Wert 1. Als Faktoren werden verwendet:
Abbildung 32: Prinzip der FarbfernsehKamera
0,30∗U R ; 0,59∗U G ; 0,11∗U B
Die Aufnahmeröhren liefern Ausgangsspannungen, die
vom jeweiligen Farbton und dessen Sättigung abhängig
sind.
In Abbildung 34a bis c sind die verringerten Kamerasignale durch blaue Spannungsverläufe gekennzeichnet.
Ein Vergleich eines Farbbildes mit den dazugehörigen
Helligkeitswerten (entspricht einer Schwarz-Weiß-Aufnahme) verdeutlicht (Abbildung 33).
13
Das für einen Schwarz-Weiß-Empfänger benötigte YSignal (Leuchtdichtesignal, Helligkeitssignal) entsteht
durch Addition der drei verringerten Kamera-Ausgangssignale.
U weiß =0,30∗U R 0,59∗U G 0,11∗U B
Die Abbildung 34d zeigt den Spannungsverlauf des Y-Signals mit der dazugehörigen Grautreppe.
Um Bandbreite zu sparen, werden neben dem Y-Signal
nicht die drei Primärfarben R, G und B, sondern zwei
Farbdifferenzsignale R-Y und B-Y übertragen (Abbildung 34e und f).
Das Prinzip zur Erstellung der Farbdifferenzsignale zeigt
die Abbildung 35. Die Kamerasignale werden durch eine
Widerstandsmatrix reduziert. Das Y-Signal wird in seiner
Phasenlage um 180° gedreht. Es entsteht -Y. Durch
Addition mit R und B entstehen dann die Differenzsignale.
Das nicht direkt übertragene Farbdifferenzsignal (G-Y)
lässt sich im Empfänger aus den (R-Y)- und (B-Y)-Signalen wieder zurückgewinnen (vgl. S. 264).
Zur Übertragung der Farbinformation werden nur die
beiden Farbdifferenzsignale (R-Y) und (B-Y)
verwendet.
Damit eine Übermodulation des Senders vermieden wird,
werden die Farbdifferenzsignale nochmal in ihrem Wert
reduziert.
Die Werte sind in Abbildung 34g und 34h abzulesen. Das
reduzierte (B-Y)-Signal wird als U-Signal bezeichnet:
U = 0,493 (B-Y). Das reduzierte (R-Y)-Signal wird als VSignal bezeichnet: V = 0,877 (R-Y).
Auf S. 13 haben wir am Beispiel des Farbkreises den Zusammenhang zwischen Farbton und Farbsättigung
verdeutlicht. Da im Sender eine Reduzierung der Differenzsignale stattfindet, ergeben sich unterschiedliche
Längen für die Farbartzeiger. Die Abbildung 36 verdeutlicht diesen Zusammenhang.
Der Phasenwinkel φ des Farbartzeigers kennzeichnet den
Farbton und die Länge den Grad der Sättigung der zu
übertragenden Farbe. Die Länge des Zeigers in Abbildung
36 stellt die maximale Farbsättigung für die jeweilige eingezeichnete Farbe bei der Übertragung dar.
Abbildung 34: Zusammenhang zwischen
Farbartsignalen
Abbildung 35: Entstehung der Farbdifferenzsignale
14
Zur Überprüfung und Überwachung einer Farbbildübertragung wird in der Regel ein Vektorskop eingesetzt. Zur
Auswertung wird eine Schablone mit Winkelgradeinteilung verwendet, die vor dem Oszilloskop angebracht wird
(Abbildung 37).
Farbträger
Bei der Wahl der Farbträgerfrequenz müssen folgende
Forderungen berücksichtigt werden:
•
Das gesamte Modulations- und Impulsschema der
Fernsehnorm muss erhalten bleiben.
•
Die amplitudenmodulierte Bildträgerfrequenz überträgt das Leuchtdichtesignal (Y-Signal) im Restseitenbandverfahren.
•
Die Kanalbreiten von 7 MHz im VHF-Bereich und 8
MHz im UHF-Bereich bleiben erhalten.
•
Die Farbinformation muss so in das Frequenzspektrum
des Leuchtdichtesignals Y gelegt werden, dass keine
gegenseitige Beeinflussung stattfindet.
Um diese Forderungen zu erfüllen, wurde der Farbträger
in die „Energielücken“ der vom Bildträger kommenden
Oberwellen eingesetzt (Abbildung 38). Da die Energiespektren von Bildträger und Farbträger ineinandergreifen,
bezeichnet man diese Form der „Verschachtelung“ auch
als Frequenzverkämmung.
Abbildung 36: Farbkreis mit den reduzierten
Farbdifferenzsignalen
Entsprechend der Übertragungsnorm gelten die Endpunkte der Vektoren für 100% Farbsättigung. Die an den
Endpunkten gezeichneten Felder geben die zulässige Toleranzgrenze für den Phasenwinkel (±3%) und die Amplitude (± 5%) an.
Abbildung 38: Symbolische Darstellung der
Frequenz-verkämmung
Für das in vielen Ländern eingeführte PAL-Übertragungsverfahren wurde die Farbträgerfrequenz auf
4,43361875 MHz festgelegt. Im Sender wird diese
Frequenz mit einer Genauigkeit von +1 Hz erzeugt. Das
obere Seitenband der modulierten Farbinformation wird
auf Grund der zur Verfügung stehenden Bandbreite (bis
ungefähr 5 MHz) nicht vollständig übertragen (Abbildung
39).
Abbildung 37: Schablone für das
Vektordiagramm
Wir wollen jetzt auf den nachfolgenden Seiten das Modulationsverfahren erklären. Die Abbildung 34i und 34j
zeigten uns bereits das Ergebnis, weil alle wichtigen Signale einmal im Zusammenhang dargestellt werden sollten. Mit den U- und V-Signalen wird der Träger moduliert. Nach den Modulatoren bezeichnet man sie als FUund FV-Signale. Obwohl in der Fernsehtechnik diese Signale in der Regel als Spannungen vorliegen, verzichtet
man in Darstellungen häufig aus Gründen der Übersichtlichkeit auf die Angabe des Formelzeichens U. Auch wir
werden deshalb in Schaltbildern, in denen der Signalfluss
angegeben wird und auch in Zeigerdarstellungen, auf das
Formelzeichen U verzichten. Die Signalspannungen
werden mit V, U, FU, FV usw. gekennzeichnet. An Liniendiagrammen und an Spannungspfeilen werden wir
dagegen die Spannung durch das Formelzeichen U kennzeichnen. Es ergeben sich für die Spannungen dann
folgende Symbole: Uv, Uu, UFU, UFV usw.
Abbildung 39: Lage der Farbinformation im
Frequenzspektrum des Y-Signals
Quadraturmodulation
Auf S. 14 wurde verdeutlicht, dass die vollständige Farbinformation in den beiden Farbdifferenzsignalen enthalten
ist.
Die Farbdifferenzsignale werden jetzt dem Farbträger aufmoduliert. Der Träger wird unterdrückt (vgl. 5.2.6, Modu-
15
Abbildung 40: Prinzip der Quadraturmodulation für die Farbart Purpur
lation mit unterdrücktem Träger). Geeignet sind z. B.
man diese Modulationsart Quadraturmodulation (AbbilRingmodulatoren. Die Information steckt in den Seitendung 40). Die modulierten Signale werden mit FU und FV
bändern. An den U-Modulator (Abbildung 40) wird der
bezeichnet.
Träger ohne Phasenverschiebung (0°) gegeben. Der VDie Zusammenfassung erfolgt in einer Addierstufe. Die
Modulator arbeitet mit einem um 90° phasenverresultierende Größe ist das Farbartsignal F. Diese neue
schobenen Farbhilfsträger. Aufgrund der konstanten PhaWechselspannung von 4,43 MHz besitzt eine bestimmte
senverschiebung von 90° zwischen den Signalen nennt
Abbildung 41: Spannungen bei der Quadraturmodulation für die Farbbalkenvorlage
16
Amplitude und eine bestimmte Phasenlage zur Bezugsebene (Abbildung 40).
sich dabei um ca. 10 Schwingungen der Farbträgerfrequenz von 4,43 MHz.
Aus Abbildung 36 ist auch zu entnehmen, über welche
genauen Werte z. B. das Farbartsignal „Purpur“ verfügt.
Vor dem U-Modulator liegt bei 100%iger Sättigung eine
Gleichspannung mit dem Signalwert von 0,29; vor dem
V-Modulator eine mit dem Wert von 0,52. Durch Phasendrehung von 90° und Modulation ergibt sich die
Schwingung FV. Addiert man dazu das modulierte FU-Signal, dann ergibt sich das Farbartsignal F mit einer Phasenverschiebung von 61° und einer bestimmten Amplitude (Abbildung 40).
PAL-Verfahren
Durch die Quadraturmodulation entstehen Schwingungen
mit einer bestimmten Amplitude und Phasenlage zum
Farbhilfsträger. Es ist nun wichtig, dass sich auf dem
Übertragungsweg die Phasenlage nicht verändert. Eine
Farbverfälschung wäre die Folge. Phasenverschiebungen
lassen sich nicht vermeiden. Eine Kompensation von Phasenfehlern erreicht man mit dem PAL-Verfahren.
Den Zusammenhang der verschiedenen Spannungen am
Quadraturmodulator bei der Vorlage eines Farbbalkentestbildes zeigt Abbildung 41.
Das nach der Modulation entstandene Signal F ist durch
die Länge des Zeigers und seine Phasenlage zur Bezugsebene gekennzeichnet.
Farbsynchronsignal (Burst)
Da es sich bei der Modulation der Farbdifferenzsignale
um eine Modulation mit Trägerunterdrückung handelt,
muss der Träger zur Demodulation im Empfänger wieder
zugeführt werden. Die Trägerzusetzung muss nicht nur
frequenzrichtig, sondern auch phasenrichtig erfolgen.
Abbildung 44: Farbträgerzusetzung nach
dem PAL-Verfahren
Die Abkürzung PAL bedeutet: Phase-Alternation-Line
(In der Phase wechselnde Zeile). Mit diesem Verfahren
wird im Sender die Phasenlage des Farbträgers für das VSignal von Zeile zu Zeile periodisch wechselnd um 180°
geschaltet (Abbildung 44). Am Ausgang des V-Modulators hat deshalb die FV-Komponente abwechselnd eine
Phasenlage von 90° bzw. 270°.
Abbildung 42: Zeilensynchronimpuls mit
Burst
Als Farbsynchronsignal wird deshalb im Bereich der hinteren Schwarzschulter des Zeilensynchronsignals der sogenannte Burst übertragen (Abbildung 42). Es handelt
Abbildung 43: Prinzip der Phasenfehlerkompensation beim PAL-Verfahren
17
Zeitkonstante und die Stabilität des Quarzoszillators
dieser auf die mittlere Burstphase von 180° synchronisiert.
Prinzip der Phasenfehlerkompensation
Abbildung 43 zeigt die Phasenverhältnisse bei der Übertragung der Farbe Purpur. Bei der nicht geschalteten Zeile
n strahlt der Sender das Farbartsignal mit der Phasenlage
φ = 61° ab. Durch den bei der Übertragung auftretenden
Phasenfehler von Δφ = 15° hat das Signal im Empfänger
jedoch eine Phasenlage von 76°.
Mit dem alternierenden Burst wird im Empfänger der
PAL-Schalter synchronisiert.
Erzeugt wird der Burst durch kurzzeitiges Auftasten der
Modulatoren während der hinteren Schwarzschulter (Abbildung 46). Die am Ausgang der Modulatoren liegenden
Spannungen entsprechen in ihrer Phasenlage der ( - FU)bzw. ( + FV)-Komponente.
Für die folgende Zeile n + 1 schaltet der Sender den Träger für das V-Signal um 180° auf -FV. Die vom Sender bei
der „geschalteten“ Zeile n + 1 abgestrahlte Phasenlage für
„Purpur“ beträgt demnach 299° (Cyan). Durch den Phasenfehler hat das Signal im Empfänger jedoch eine Phasenlage von 314°.
Im Empfänger wird das F-Signal der Zeile n nun solange
gespeichert (64 µs), bis das F-Signal der Zeile n + 1 übertragen wird. Gleichzeitig wird die (-FV)-Komponente der
Zeile n + 1 wieder „zurückgeschaltet“, so dass das F-Signal der Zeile n + 1 eine Phasenlage von 46° einnimmt.
Wird das gespeicherte F-Signal der Zeile n mit dem „zurückgeschalteten“ F-Signal der Zeile n + 1 geometrisch
addiert, hat das Summensignal eine Phasenlage von 61°.
Dies ist die vom Sender abgestrahlte Phasenlage des F-Signals für die Farbe Purpur.
Dieses Verfahren ist nur deshalb möglich, weil davon ausgegangen werden kann, dass die Farbinformationen zweier aufeinander folgender Zeilen sich kaum unterscheiden.
In Abbildung 43 ist erkennbar, dass durch das PALVerfahren der Farbartzeiger etwa doppelt so lang wird.
Man halbiert ihn, um auf die Länge des ursprünglichen
Zeigers zu kommen. Durch das Halbieren entsteht eine
geringfügige Entsättigung. Das korrigierte Signal hat
einen geringeren Weißanteil. Auf dem Bildschirm wirkt
sich dies als geringfügige Aufhellung aus. Dieser Mangel
ist jedoch nicht wahrnehmbar.
Abbildung 46: Erzeugung des
Farbsynchronsignals
In der Zeile n (Abbildung 45) liegt der Burst im II. Quadranten. Er hat gegenüber der ( + FU)-Richtung eine Phasenverschiebung von 135°. Der Burst der Zeile (n + 1) erscheint dazu um 90° phasenverschoben im III. Quadranten. Er ist gegenüber der ( + FU)-Richtung um 225°
phasenverschoben. Der Burst wird im gleichen Sinne umgeschaltet wie der V-Modulator.
Beim PAL-Verfahren hat der Burst die Aufgabe, im
Empfänger den Farbhilfsträgeroszillator in Frequenz
und Phase zu synchronisieren sowie den PAL-Schalter
phasenrichtig zu schalten, damit die FV-Komponente
phasenrichtig umgeschaltet wird.
Abb. 2 zeigt die Zusammensetzung des FBAS-Signals
einschließlich des Farbsynchronsignals nach dem PALSystem. Ein zentraler Impulsgeber liefert neben den Horizontal- und Vertikalsynchronimpulsen auch die Impulse
für die Phasenumschaltung des Farbträgers (PALSchalter) und die Auftastimpulse für die Erstellung des
Farbsynchronsignals (Burst). Da die Laufzeit des Farbsignals durch die umfangreichere Aufbereitung länger ist
als die Laufzeit des Y-Signals, muss durch eine Verzögerungsleitung das Y-Signal zeitlich an das Farbsignal angepasst werden (vgl. S. 245).
Abbildung 45: Geschalteter Burst für 3
Zeilen
Diesen geschalteten Burst bezeichnet man auch als alternierenden Burst (wechselnder). Er bildet die PALKennung für den Empfänger, sorgt also für die synchron
laufende Umschaltung der V-Komponente im Empfänger.
Die Phasensynchronisierung des Farbträgeroszillators im
Empfänger wird durch die wechselnde Burstphase nicht
beeinflusst, da durch ein Regelspannungsglied mit großer
Das zur Senderendstufe gelangende Signal ist das vollständige Signal. Es enthält alle Informationen über Helligkeitswerte, Farbarten und Synchronsignale. Es wird
deshalb Farb-Bild-Austast-Synchron-Signal (FBAS-Signal) genannt. Abb. 3 zeigt den Spannungsverlauf für die
Farbbalkenvorlage des Testbildes bei einer Farbsättigung
von 75%.
18
Abbildung 47: Blockschaltbild des PAL-Farbcoders
12. Welche Funktion hat der PAL-Schalter?
13. Aus welchen Bestandteilen besteht das FBAS-Signal?
Abbildung 48: FBAS-Signal
Aufgaben zu 6.1.4
1. Erklären Sie das Prinzip der additiven Farbmischung!
2. Erklären Sie die Unterschiede zwischen Farbton, Farbsättigung und Leuchtdichte!
3. Wodurch wird im Farbkreis der Farbton und wodurch
die Sättigung gekennzeichnet?
4. Beschreiben Sie die grundsätzliche Funktion der Farbfernsehkamera!
5. Aus welchem Grunde müssen die Ausgangssignale
der Farbfernsehkamera verringert werden?
6. Weshalb werden die Signale R-Y und B-Y im Sender
reduziert?
7. Welcher Unterschied besteht zwischen dem U- und
dem FU-Signal?
8. Beschreiben Sie den Vorgang bei der Quadraturmodulation!
9. Welche Rolle spielt der Farbhilfsträger bei der Farbbildübertragung?
10. Erklären Sie das wesentliche Merkmal des PALVerfahrens!
11. Was versteht man unter dem alternierenden Burst?
19