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Das weltweit erste flimmerfreie TV-Seriengerät

Der Grundig Monolith 70-390/7 Text mit 100 Hz Technik oder wie die digitale Bildsignalverarbeitung in Grundig High-End Fernsehgeräte Einzug hielt.

 

 Grundig der Vorreiter der 100 Hz Technik.

Grundig der Vorreiter der 100 Hz Technik.

 

1987 präsentierte Grundig  mit dem Monolith 70-390/7 Text weltweit das erste 100 Hz TV-Seriengerät. 20 Jahre später setzte Grundig die Erfolgsgeschichte von 100 Hz mit einem der ersten 100 Hz LCD-TV-Geräte, dem Lenaro 37 LXW 94-9710, fort. Das Foto zeigt Korad Maul auf der IFA 2007 in der Grundig Halle vor diesen ersten 100 Hz LCD-TV-Geräten.

Stand der Digitaltechnik

Die Digitalisierung ist heute Thema in allen Medien und wird auch in der breiten Öffentlichkeit diskutiert. Stillschweigend wird davon ausgegangen, dass dies eine Technik ist, die erst in den beiden letzten Jahrzehnten entwickelt worden wäre. Dem ist aber nicht so. So hatte Harry Nyquist, ein schwedisch-amerikanischer Ingenieur der Elektrotechnik, schon 1927 festgestellt, dass ein analoges Signal (z. B. Sprache, Musik oder Bilder) mit mehr als der doppelten Signalfrequenz abgetastet werden muss um aus dem digitalen Abbild wieder das analoge Ausgangssignal rekonstruieren zu können. D.h., wenn wir vom menschlichen Hörbereich, der bis ca. 20.000 Hz geht, ausgehen, muss man für die Digitalisierung von akustischen Signalen mindestens 40 000 Abtastwerte pro Sekunde entnehmen (bei der Audio-CD verwendet man 44.100 Abtastwerte pro Sekunde). Nyquist hatte sein Forschungsergebnis 1928 publiziert. Sein Abtasttheorem und seine Erforschung der erforderlichen Bandbreite bildeten eine wichtige Grundlage für Claude Shannons theoretische Arbeiten, die letztlich zur Begründung der Informationstheorie führten. Im Folgenden soll nun gezeigt werden wie die digitale Bildsignalverarbeitung in die Grundig Fernsehgeräte Einzug hielt, denn Mitte der 1980er Jahre machten die Fortschritte in der IC-Technologie es möglich Analog Digital Converter (ADC) zu fertigen, die schnell genug waren um Bildsignale zu digitalisieren und auch preislich für den Einsatz in der Consumer-Elektronik geeignet waren.

Der Halbleiter Hersteller ITT Intermetall (später Micronas) hatte bereits Anfang der 1980er Jahre  unter der Marketingbezeichnung Digit2000 einen Satz von Integrierten Schaltkreisen (IC) entwickelt, der die komplette Video- und Audiosignalverarbeitung im Fernsehgerät digital durchführte. Einige Unterhaltungselektronikhersteller setzten dieses Konzept in ihren Geräten ein. Da es aber von der Bild- und Tonqualität einem analogen IC-Konzept unterlegen war und somit für den Kunden keinen verbesserten Nutzen hatte, ging Grundig einen anderen Weg, wie im Folgenden erläutert wird. 

Stand der Bildqualität von Fernsehgeräten in den 1980er Jahren

Die in den 1980er Jahren, nach dem PAL-System arbeitenden Fernsehgeräte lieferten eine  durchaus  gute Bildqualität. Trotzdem waren im damaligen analogen Übertragungssystem  (CCIR-Norm B und G; Horizontalablenkfrequenz 15.625 Hz; Vertikalablenkfrequenz 50 Hz;  625 Zeilen im Zeilensprungverfahren) noch bestimmte Störeffekte vorhanden. Seit der Einführung dieses Übertragungssystems waren Bildröhren mit höherer Bildhelligkeit sowie größeren Bildformaten entwickelt worden, die die folgenden vier Effekte nun stärker sichtbar werden ließen:

Großflächenflimmern

Große, helle Bilder oder Bildteile zeigten ein deutliches Flimmern. Die Ursache dafür lag in  der zu niedrigen Bildwechselfrequenz. Physiologische Untersuchungen erbrachten, dass  Bildwechselfrequenzen von mindestens 70 Hz für eine flimmerfreie Bildwiedergabe erforderlich waren. Dies galt bereits für Bildschirmarbeitsplätze in der EDV-Technik als Richtlinie.

Zwischenzeilenflimmern

Bedingt durch das Zeilensprungverfahren sprangen horizontale oder nahezu horizontale  Linien bzw. Kanten des Bildinhaltes (z. B. die Grundlinie bei Tennisübertragungen) im  Rhythmus der Vollbildfrequenz also mit 25 Hz. Der Effekt wurde auch mit Kantenflackern  oder Zwischenzeilenflimmern bezeichnet.

Cross-Color

Durch Übersprechen des Luminanzsignals in den  Color-Verarbeitungsteil des Fernsehgerätes wurden feine Helligkeitswechsel des Luminanzsignals eingefärbt, z.B. deutlich sichtbar wenn der Nachrichtensprecher ein graugestreiftes Jackett trug.

Cross-Luminanz

Durch Übersprechen des Chrominanzsignals in den Luminanzverarbeitungsteil des Fernsehgerätes wurden bei Farbsprüngen Störeffekte sichtbar, z. B. unbunte Störung beim Farbbalkentestbild an den Farbübergängen.

 

Der Grundig Monolith 70-390/7 Text, das erste 100 Hz TV-Seriengerät

Der Grundig Monolith 70-390/7 Text, das erste 100 Hz TV-Seriengerät. Der Normwandler-Baustein bestand aus zwei Platinen (im Foto aufgeklappt) mit ca. 100 Integrierten Schaltkreisen. Als Gruppenleiter war der Autor Herr Konrad Maul für dieses 100 Hertz-TV-Gerät verantwortlich.

Verdopplung der Bilderzahl pro Sekunde beseitigt Großflächenflimmern

Legte man die damaligen und auch heute noch bei Fernsehgeräten üblichen Betrachtungsabstände von ca. 4- bis 5 facher Bildhöhe zugrunde (bei der damals üblichen 70 cm Bildschirmdiagonale ergab sich dann ein Betrachtungsabstand von ca. 2 bis 3 m) war für die meisten Testpersonen das Großflächenflimmern am störendsten. Da es systembedingt war, das PAL-Übertragungs-Verfahren aber beibehalten werden musste, erschien es am sinnvollsten,  im Fernsehempfänger selbst das Großflächenflimmern zu beseitigen. Dies geschah mit digital arbeitenden Bildspeichern. Sie ermöglichten eine Art Normumwandlung im Fernsehgerät. Aus 50 Halbbildern pro Sekunde wurden 100 Halbbilder pro Sekunde erzeugt. Bei 100 Halbbildwechseln in der Sekunde war selbst bei sehr großen Helligkeitswerten kein Großflächenflimmern mehr erkennbar.

Wurde diese Flimmerreduktion zusammen mit der damals schon verwendeten   Farbsignalsprung-Versteilerungs­Schaltung (CTI = Colour Transient Improvement) eingesetzt, ergab dies einen außerordentlich guten Bildeindruck. Mit dem Monolith 70-390/7 Text wurde nun erstmals ein großflächenflimmer befreites Fernsehgerät in das Produktspektrum von Grundig aufgenommen (Abb. 1). Da dieses Gerät, wie schon erwähnt eine Art Normumwandlung  durchführte, ließ diese sich am besten realisieren, wenn man das Gerät in drei Funktionsbereiche aufgliederte (Abb. 2). Diese drei Teilbereiche waren  Empfangs-Farbdecoderteil, Normwandlerbaustein und Displayteil.

Das Empfangs-Farbdecoderteil arbeitete mit 50 Hz Vertikal- und 15.625 Hz Horizontalfrequenz;  deshalb  wird es hier kurz mit 50-Hz-Ebene bezeichnet. Signale dieser Ebene erhalten im Folgenden den Index 50. Das Displayteil arbeitete mit 100 Hz Vertikal- und 31.250 Hz Horizontalfrequenz; deswegen wird es hier kurz mit 100-Hz-Ebene bezeichnet. Signale dieser Ebene erhalten im Folgenden den Index 100. Im Anschluss werden die Teilbereiche näher beschrieben. Abb. 2 zeigt den mechanischen Aufbau des Monolith 70-390/7 Text und Abb. 3 die Blockschaltung der Video- und Ablenksignal-Verläufe. Auch der Videotext wurde im Monolith 70-390/7 Text auf flimmerfreie 100 Hz Wiedergabe konvertiert. Darauf soll aber hier nicht eingegangen werden.

 

Der Grundig Monolith 70-390/7 Ansicht von hinten

 

Grundig Monolith 70-390/7 Text weltweit das erste flimmerfreie Fernsehgerät. Die Ansicht von hinten zeigt die Funktionsbereiche Empfangs- und Farbdecoderteil, Normwandlerbaustein und Displayteil. Die zwei Chassis und der Normwandlerbaustein sind zur besseren Sichtbarkeit herausgezogen.

Empfangs- und Farbdecoderteil

Das Empfangsteil war im wesentlichen identisch mit dem eines Monolith 70-390/9 mit normaler 50-Hz-Bildwiedergabe. Daher wird hier nur auf die Unterschiede in der Signalverarbeitung eingegangen. Der analoge Farbdecoder arbeitete mit dem TDA 4555 und lieferte das demodulierte Luminanzsignal (Y50) und die demodulierten Farbdifferenzsignale  (-(R-Y)50 und -(B-Y)50). Diese Signale wurden als Schnittstelle zum Normwandlerbaustein (Bildspeicher) gewählt, da sie erstens von der Farbfernsehnorm unabhängig waren und zweitens bezüglich des Speicherplatzbedarfes eine ökonomisch vertretbare Lösung darstellten.

 

Blockschaltung der Video- und Ablenksignal-Verläufe

Blockschaltung der Video- und Ablenksignal-Verläufe des Grundig Monolith 70-390/7 Text

 

Digitaltechnik für den Normwandler

Für die 50/100-Hz-Konvertierung sind damals verschiedene Prinzipien diskutiert worden. Als guter Kompromiss hinsichtlich Leistungsfähigkeit und Aufwand wurde die Halbbildwiederholung gesehen, da keine Anpassung an Bewegungsabläufe erforderlich war. Dabei wurde das vom Sender empfangene Halbbild (20 ms) in einem Halbbildspeicher abgelegt und anschließend mit einer Halbbilddauer von 10 ms zweimal auf dem Bildschirm dargestellt. Um schnellstmöglich ein großflächenflimmerbefreites Gerät fertigen zu können,  wurde auf die Verwendung von kundenspezifischen Schaltkreisen verzichtet. Deshalb  mussten als Speicher-Schaltkreise digitale CCD-Speicher (317 kBit) verwendet werden, da diese einen wesentlich geringeren Steueraufwand für die mit Standard- Logik-Schaltkreisen  (74F..., 74LS...,74HCT...) aufgebaute Speichersteuerung erforderten.

Dieser digitale CCD-Speicher (SAA 9001 von Valvo) besaß eine serielle Struktur. Dies bedeutete bei Verwendung in einem Normumsetzer zur Halbbildverdoppelung, dass zwei Halbbildspeicher  benötigt wurden. Der eine wurde mit dem jeweils aktuellen Sender-Halbbild beschrieben, während der andere, der das vorherige Halbbild enthielt, zweimal aus­ gelesen und sein Inhalt auf dem Bildschirm dargestellt wurde. Dieser Nachteil der seriellen Speicherstruktur des digitalen CCD-Speichers, der bei Großflächenflimmerbefreiung eine Verdoppelung der Speicherkapazität erforderte wurde aber in Kauf genommen um Time to Market für das Grundig 100 Hz-Fernsehgerät möglichst kurz zu halten.

Das Einfügen der CTI-Schaltung nach der  D/A-Wandlung ermöglichte, die Abtastrate für die beiden Farbdifferenzsignale drastisch herabzusetzen. Da die farbfernsehnorm unabhängigen Komponenten (Y50), -(R-Y)50 und -(B-Y)50 digitalisiert wurden, war PAL/SECAM-Betrieb möglich. Auf NTSC ­Wiedergabe wurde bewusst verzichtet, da dies eine aufwendige Speichersteuerungs-Umschaltung erfordert hätte (60 Halbbilder/s). Die Schaltungsauslegung und Funktion des Normwandlers ist aus der Blockschaltung in Abb. 4 zu ersehen.

 

Blockschaltung des Normwandlers des Grundig Monolith

Blockschaltung des Normwandlers des Grundig Monolith 70-390/7 Text

 

Sowohl für die A/D- und die D/A-Umsetzung der Luminanz- und Farbdifferenzsignale als auch für die Speichersteuerung benötigte man geeignete Taktsignale. Wichtig war dabei, dass diese Taktsignale zeilenfrequenzverkoppelt waren, d. h., die Taktsignalfrequenzen mussten ein ganzzahliges Vielfaches der Zeilenfrequenz (fz = 15.625 kHz) sein. Nur dann konnte  eindeutig und in einfacher Weise (ohne aufwendige Interpolation) ein im Speicher abgelegter Signalwert auch einem bestimmten Bildpunkt auf dem Bildschirm zugeordnet und Auflösungsverluste vermieden werden. Die den abgetasteten Signalwerten auf dem Bildschirm zugeordneten Bildpunkte lagen dann nämlich in einem festen, orthogonalen (rechtwinkligen)  Raster zueinander und die Bildpunkte einzelner Vollbilder fielen genau übereinander. Wie Abb. 4 zeigt, erhielt der Block "Takt- und Steuersignalgenerator" einen Zeilenimpuls ABK50 (Bursttastimpuls), der über eine  PLL (Phase Locked Loop) den VCO (Voltage Controlled Oscillator) des Taktgenerators (40,5 MHz) mit der Zeilenfrequenz 15,625 kHz verkoppelte.

Aus diesem 40,5-MHz-Systemtakt wurden dann alle anderen Takt- und Speichersteuerungssignale der Bildnormumsetzung abgeleitet und diese waren damit ebenfalls zeilenverkoppelt. Um den Speicheraufwand gering zu halten, wurden die Luminanzinformation (Y50) und die Farbinformationen -(R-Y)50 und -(B-Y)50 auf zwei getrennten Signalwegen umgewandelt. Damit war eine optimale Anpassung an die jeweils erforderliche Signalbandbreite möglich.

Bei der vor dem Speicher liegenden A/D-Umsetzung wurde für das Y50-Signal eine  Amplitudenauflösung von 7 Bit verwendet. Bei der für das Luminanzsignal (Y50) gewählten Abtastrate von 10,125 MHz ergaben sich 540 Abtastwerte pro Fernsehzeile. Für die beiden       Farbdifferenzsignale -(R-Y)50 und -(B-Y)50  wurde eine Amplitudenauflösung von 6 Bit verwendet. Die Abtastrate für die Farbdifferenzsignale betrug 1,6875 MHz. Somit ergaben sich für jedes Differenzsignal 90 Abtastwerte pro Fernsehzeile. Insgesamt wurden pro Halbbild 294 Zeilen Bildinhalt abgespeichert.

Damit ergab sich ein Speicherbedarf für das Y50-Signal pro Halbbild von:

7 Bit x 540 x 294 = 1,2 MBit

Für  das -(R-Y)50  und -(B-Y)50 Signal ergab sich pro Halbbild:

6 Bit x (90+90) x 294 = ca. 0,3 MBit

Insgesamt wurden also pro Halbbild 1,5 MBit Speicherkapazität benötigt. Für einen Halbbildspeicher des Normumsetzers wurden somit fünf CCD­Speicher SAA 9001 (mit    jeweils 317 520 Bit) benötigt, vier für das Luminanzsignal und einer für die beiden Farbdifferenzsignale. Für die benötigten zwei Halbbildspeicher des Normumsetzers wurden somit  insgesamt zehn  digitale CCD-Speicher eingesetzt. Um immer optimale A/D-Converter-Aussteuerung zu gewährleisten, war dem Y50-A/D-Umsetzer eine Regelstufe mit Klemmschaltung (TDA 9045) vorgeschaltet. Weiterhin war ein Tiefpass am Y50-Eingang erforderlich (Anti-Aliasing-Filter). Nach der D/A-Umsetzung mussten das Y100 und die Farbdifferenzsignale -(R-Y)100 und -(B-Y)100  zunächst durch Tiefpässe (TP)  gefiltert  werden bevor sie an die Video/RGB-Kombination (TDA 3505) bzw. an den CTI Schaltkreis (TDA 4565) geführt wurden.

Displayteil

Da Luminanzsignal und Farbdifferenzsignale aus dem Bildspeicher des Normumsetzers doppelt  so schnell ausgelesen wie eingeschrieben wurden, mussten CTI, Video/RGB-Kombination und RGB-Endstufen eine obere Grenzfrequenz haben, die etwa bei der doppelten Übertragungsbandbreite des entsprechenden Eingangssignals lag.

Da die Vertikalablenkendstufe des TDA2653A über eine Wechselstromkopplung mit der  Ablenkeinheit verbunden war, mussten beim 100-Hz-Betrieb Rasterkorrektursignale direkt  in die Vertikalablenkspulen eingespeist werden. Diese Korrektursignale wurden vom   Steuersignalgenerator des Normwandler-Bausteins erzeugt (Shift-Video). Das Shift-Video-Signal war immer dann aktiv, wenn normaler Fernseh-Video­Betrieb vorlag. Dann mussten mit Hilfe dieses Shift-Video-Signals  jeweils vier aufeinanderfolgende 100- Hz-Halbbilder, in der Zeitdauer einer 25 Hz Vollbildsequenz des Senders, in die zueinander richtige  Vertikallage gebracht werden (sogenannter AABB-Betrieb).

Die Erhöhung der horizontalen Ablenkfrequenz auf 31.250 Hz erforderte einen kompletten Neuentwurf der Horizontalablenkschaltung. Insbesondere an Ablenkeinheit,  Horizontalendstufe und Zeilentransformator wurden  sehr hohe Anforderungen gestellt. Es wurde ein System Zeilentrafo/Kaskade entwickelt, das bei Betrieb mit 31,25 kHz einen  entsprechend niedrigen Innenwiderstand in der Hochspannungserzeugung aufwies. Das Netzteil musste dem erhöhten Leistungsbedarf der Horizontalablenkschaltung und der  Zusatzbelastung des Normwandlerbausteins angepasst werden. Weiterhin wurde, um jegliche Interferenzen mit der Horizontalablenkschaltung zu vermeiden, ein zeilenverkoppeltes Schaltnetzteilkonzept mit 31,25 kHz gewählt.

Der Monolith 70-390/7 Text wurde 1987/88 in limitierten Auflage gefertigt und erzielte ausgezeichnete Testergebnisse. Die Testzeitschrift "video" schrieb in ihrer Ausgabe 9/1987: „Im video-Testlabor trat der erste 100-Hertz-Serienfernseher gegen sein Schwestermodell ohne Flimmerfrei-Schaltung an, den Monolith 70-390, der in der video-Bestenliste Platz eins inne hat. Der bei der Bildqualität erzielte Fortschritt war allen Testpersonen sofort augenfällig.“ Und schlussfolgerte schließlich: „Denn oberstes Ziel bleibt für die Fürther die Verbesserung des bewegten Bildes.“ Dieser Erfolg war eine sehr schöne Bestätigung und zugleich Ansporn auch in Zukunft weiter eine Vorreiterrolle bei der Entwicklung von Bildqualitätsverbesserungen zu spielen.   

Grundig 100 Hz Weiterentwicklungen bis zum 100 Hz LCD-TV

Im Rahmen der Weiterentwicklung der Halbleitertechnologie konnten aufgrund der nun möglichen kleineren Strukturen der Integrierten Schaltkreise (Large Scale Integration) immer mehr Funktionen in die ICs integriert werden. So konnten in den folgenden Jahren alle noch bestehenden Störeffekte (Artefakte) des PAL-Systems unter Beibehaltung des analogen Übertragungsstandards im Fernsehgerät durch digitale Signalverarbeitung beseitigt werden. Abb. 5 zeigt den zeitlichen Verlauf der weiteren empfängerseitigen Bildverbesserungen in Grundig High-End-Farbfernsehgeräten.

 

 

Grundig 100 Hz-Innovationen

Grundig 100 Hz-Innovationen

 

Und was ist heute im Zeitalter von Flachbildschirmen und digitaler Übertragungstechnik für  HDTV von der 100 Hz Technik noch geblieben? Das digitale Übertragungsverfahren für HDTV hat die eingangs aufgeführten Schwachstellen des PAL-Systems nicht. Aber Flachbildschirme in LCD- und OLED-Technik haben bei all ihren Vorteilen doch einen Schwachpunkt gegenüber der guten alten Bildröhre. Aufgrund ihres technischen Prinzips können diese Flachbildschirme Bewegung schlechter wiedergeben. Um diesen Effekt zu vermindern kommt die 100 Hz Technik wieder zu Ehren. Es werden durch digitale Signalverarbeitung empfängerseitig zusätzliche Bilder berechnet. Bei den HDTV Standards 720p/50 (ARD, ZDF) und 1080p/50 werden zum Beispiel  zu den vom Sender übertragenen 50 Bildern pro Sekunde weitere 50 berechnet. Besonders hochwertige LCD-TV-Geräte arbeiten sogar mit 200 Hz. Hier kann nicht im Detail auf das Prinzip eingegangen werden aber bei Interesse kann unter http://www.gisela-und-konrad-maul.de/HV07_Essay.pdf  ein Technik-Essay des Autors „Die raffinierten Tricks der Bildverbesserer“ nachgelesen werden, in dem das Prinzip der Verbesserung der Bewegungswiedergabe von LC-Displays erklärt wird.

Und selbst bei UHD1-Phase1, dem Ultra High Definition TV-System mit der Auflösung von 3840 x 2160 Bildpunkten, wird die empfängerseitige Berechnung von Zwischenbildern (100 Hz Technik) zur Verbesserung der Bewegungswiedergabe empfohlen (siehe [8] Sachstand: UHDTV des Instituts für Rundfunktechnik IRT). Erst bei UHD1-Phase 2 ist dann eine senderseitige (native) Übertragung in HFR (High Frame Rate) also 100 bzw. 120 Bildern pro Sekunde (100 bzw. 120 Hz) vorgesehen um die Bewegungswiedergabe vor allem bei Sportübertragungen zu verbessern.

Literatur

[1]   Maul K. L.;G. Müller: TV-Bild ohne Flimmern. Funkschau Nr. 14 (1987)

[2]   Kraus, U. E.: Vermeidung des Großflächenflimmerns in Fernseh-Heimempfängern. Rundfunktech. Mitteilungen Jahrg. 25 (1981), Heft  6.

[3]   Digitaler Halbbildspeicher  für Fernsehgeräte. Elektronik  Nr. 16 (1983).

[4]   Michel, C.: Der Multi-Norm-Farb/RGB­ Baustein. Grundig Technische Informationen Nr. 1 (1985).

[5]   Institut für  Rundfunktechnik: Technischer Bericht  Nr.  B71/85; Großflächenflimmern bei 50 Hz und 60 Hz Bildwechselfrequenz.

[6]   Achterberg, H.: Flimmerfreie Bildwiedergabe in Fernsehgeräten. Valvo Technische Information

[7]   Maul, K. L.: Die raffinierten Tricks der Bildverbesserer. Home Vision Heft 7 (2008)

[8]   Schäfer, Rainer et al.: Sachstand: UHDTV. FKT Nr. 4 (2018)

 

Copyright: Dipl.-Ing. (FH) Konrad L. Maul, Certified Counsellor



 

 


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