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5. Aufbereitung von digitalen Farbbildsignalen im Zeitmultiplex

Bis vor einigen Jahren noch war die Aufbereitung und Übertragung von Fernsehsignalen als Digitalsignal im Wesentlichen auf den Studiobereich oder im Fernsehempfänger auf eine Platine beschränkt. Der Grund dafür liegt in der notwendigen hohen Bandbreite, die zur Übertragung eines digitalen Fernsehsignales erforderlich ist. Die digitale Signalverarbeitung bei Videosignalen eröffnet jedoch vielfältige Möglichkeiten der „Bearbeitung", sei es in Speicher- oder Effekt-Einrichtungen. Im Verteil- und Zubringernetz zwischen den Fernsehstudios allerdings ist die digitale Signalübertragung über Lichtwellenleiter und auf Richtfunkstrecken bereits längst übliche Technik. Die geringere Störanfälligkeit des Digitalsignales erlaubt hier eine hochqualitative Bild- und Tonsignalübertragung.

5.1 Prinzip der Pulscodemodulation, Zeitmultiplex

Die Grundlage der digitalen Signalaufbereitung bildet die Pulscodemodulation (PCM). Das Prinzip der Signalwandlung über die Pulscodemodulation wird am Beispiel eines einfachen BA-Signales gezeigt (Bild 5.1). Nach Tiefpaß-Bandbegrenzung auf die höchste zu übertragende Signalfrequenzkomponente mit fs max. werden dem Signal im Takt der Abtastfrequenz fA kurze Proben entnommen, die jeweils bis zum nächsten Abtastwert in einer Halte-Schaltung gespeichert werden. Bei Videosignalen entfällt die HalteSchaltung meistens schon wegen der hohen Abtastfrequenz und mit dem beim Video-Analog-Digital-Wandler angewandten Codierprinzip. Die Abtastfrequenz muss gemäß dem Abtasttheorem mindestens doppelt so hoch sein wie die höchste Signalfrequenz.

Bild_5.1.jpg

Die Abtastproben werden dann einem Analog-Digital-Wandler (Cod) zugeführt und in binäre Codeworte umgewandelt. Bei kommerziellen Video-Analog-Digital-Wandlern sind der Abtastteil und die Codierung in die N parallelen Digitalsignale funktionell in einem integrierten Schaltkreis zusammengefasst. Die Codierung erfolgt bei Videosignalen üblicherweise mit N = 8 oder N = 10 Bit pro Abtastwert. Ein nachfolgender Parallel-Serien-Wandler, der in Bild 5.1 in den Codierer (Cod) mit einbezogen ist und dem der Bit-Takt fBit zugeführt wird, erzeugt das serielle Datensignal mit der Bitrate rBit im NRZ-Code (Non Return to Zero, d.h. der logische Pegel geht nicht von „1" auf „0" zurück innerhalb von TBit).

Für den Bit-Takt gilt die Beziehung

Formel_5.1.jpg

Die serielle Bitrate beträgt

Formel_5.2.jpg

Die binären Codeworte werden aufeinanderfolgend übertragen, wobei in bestimmten Abständen eine Markierung über den Codewortbeginn einzufügen ist. Der Synchronanteil des analogen BAS-Signales wird meist nur in vereinfachter Form codiert.

Empfangsseitig übernimmt der Digital-Analog-Wandler (Decod) über einen SerienParallel-Wandler das ankommende Digitalsignal. Der dazu notwendige Bit-Takt fBit wird aus dem übertragenen Digitalsignal abgeleitet. Ebenso wird die AbtastfrequenzfA durch Frequenzteilung aus dem Bit-Takt gewonnen. Eine Abtast-Halte-Schaltung übernimmt vom Digital-Analog-Wandler die decodierten quantisierten Abtastwerte und hält sie jeweils über eine Abtastperiodendauer fest. Man erhält so eine Treppenspannung, die im Wesentlichen nur die Signalkomponente beinhaltet. Bei Video-Digital-Analog-Wandlern entfällt jedoch wieder die Halte-Schaltung und es werden die etwa eine halbe Abtastperiodendauer breiten Signalproben direkt auf den Tiefpaß zur Signalrückgewinnung gegeben. In der Treppenspannung und auch schon in den breiten Impulsen aus dem Analog-Digital-Wandler weist die Signalkomponente den sogenannten „si-Frequenzgang" auf, der in Verbindung mit dem nachfolgenden Tiefpaß kompensiert werden muss [77].

 Das zurückgewonnene Signal us*(t) unterscheidet sich vom Sendesignal us(t) durch die Quantisierungsverzerrung. Diese bleibt jedoch bei Codierung mit N = 8 bit oder 10 bit pro Abtastwert, entsprechend einer Anzahl von 256 oder 1024 Quantisierungsstufen, sehr gering und wird, insbesondere bei der 10-bit-Codierung, vom Auge nicht wahrgenommen.

Wie schon erwähnt, gibt der eigentliche Video-Analog-Digital-Wandler das Digitalsignal zunächst auf N parallelen Ausgängen ab (Bild 5.2). Der logische Zustand an diesen Ausgängen bleibt über eine Abtastperiodendauer erhalten. Bei der nachfolgenden Parallel-Serien-Wandlung werden in die Abtastperiode TA dann entsprechend N Bits mit der Zeitdauer von jeweils TBit eingebracht. Es gilt die Beziehung

Formel_5.3.jpg

Bei der Codierung von Farbbildsignalen unterscheidet man die geschlossene Codierung eines FBAS-Signales oder die Komponenten-Codierung bei R-G-B-Signalen bzw. Y-(B-Y)-(R-Y)-Signalen

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Die Codierung eines NTSC-, PAL- oder SECAM-FBAS-Signales mit der in Europa üblichen Bandbreite erfordert eine Abtastfrequenz von mindestens 10 MHz. Wegen möglicher Interferenzstörungen mit dem Farbträger wählt man als Abtastfrequenz ein ganzzahliges Vielfaches der Farbträgerfrequenz, d. h. mindestens die dreifache Farbträgerfrequenz von etwa 13,3 MHz. Bei PAL-FBAS-Signalen erweist sich wegen der Vierersequenz der Burstphasenlage und wegen einer einfachen digitalen Signalverarbeitung die vierfache Farbträgerfrequenz mit 17,734475 MHz als zweckmäßig. Mit einer Codewortlänge von N = 8 bit ergibt das eine Bitrate von etwa 142 Mbit/s, siehe dazu Bild 5.3

Bild_5.3.jpg

Die geschlossene Codierung findet vor allem dort Anwendung, wo das analoge FBAS Signal weiter digital verarbeitet werden soll, z. B. in einem Farbfernsehempfänger mit digitaler PAL-Decodierung und digitalen Filtern. Das digitale Codesignal wird dazu parallel auf N Leitungen vom Coder übernommen.

Zur Übertragung eines seriellen digitalen FBAS-Signales, dem noch der Begleitton sowie eine PCM-Rahmenkennung beizufügen sind, wird ein sehr breitbandiger Übertragungskanal notwendig. Die kommerziellen digitalen Weitverkehrssysteme sind an festgelegte Bitraten gebunden. Diese betragen z. B. in der dritten Hierarchiestufe 34,368 Mbit/s und in der vierten Hierarchiestufe 139,264 Mbit/s. Eine Anpassung des digitalen Fernsehsignales bedingt eine entsprechende Redundanz- und Irrelevanzreduktion [89].

Bei der Komponenten-Codierung werden an der Signalquelle parallel die Farbwertsignale R, G und B oder das Leuchtdichtesignal Y und die Farbdifferenzsignale (B-Y) und (R-Y) analog-digital-gewandelt und als Digitalsignale in einem Multiplexer zusammengefasst. Am Beispiel von R-G-B-Komponentensignalen ist dies in Bild 5.4 demonstriert. Die AbtastfrequenzfA muss in jedem Kanal das Abtasttheorem erfüllen. In bestimmten Abständen, z. B. in der Vertikal-Austastlücke, wird eine sogenannte Rahmensynchronisierung eingefügt.

Zur Übertragung der digitalen Komponentensignale sind entweder N parallele Leitungen, mit mindestens noch einer zusätzlichen Taktleitung, erforderlich oder es erfolgt

Bild_5.4.jpg

noch eine Parallel-Serien-Wandlung, wie in Bild 5.4 angegeben. Die Summenbitrate ergibt sich dann zu

Formel_5.4.jpg

Die Komponenten-Codierung findet üblicherweise im Studio statt.

5.2 Digitale Studionorm UIT-R (CCIR) 601

Im Jahre 1981 verabschiedete das CCIR (Comité Consultatif International des Radiocommunications), seit Dezember 1992 durch die Neuorganisation der Internationalen Fernmeldeunion UIT (Union Internationale des Télécommunications) umbenannt in UIT-R, die Empfehlung 601 für die Komponenten-Codierung von Videosignalen im Studiobereich (Digitale Studionorm) für Fernsehsysteme mit 525 Zeilen, 60 Hz und 625 Zeilen, 50 Hz [76].

Die CCIR-Empfehlung 601 definiert im 4:2:2-Standard für 625-Zeilen-Systeme folgende Parameter:

Code_5.1.jpg

wobei diese Signale aus den gammakorrigierten Signalen Y, (R—Y), (B—Y) gewonnen werden, mit

Code_5.2.jpg

Anzahl der Abtastwerte über die gesamte Zeilendauer:

Code_5.3.jpg

Abtaststruktur:

Abtaststruktur5.1.jpg

Abtastfrequenz:

— beim Leuchtdichtesignal

13,5 MHz

— bei jedem Farbdifferenzsignal

6,75 MHz.

Die Abtastfrequenz von 13,5 MHz entspricht der 864-fachen Horizontalfrequenz bei dem 625-Zeilen/50-Hz-System.

Codierung: bei gleichmäßiger Quantisierung mit 8 bit bzw. 10 bit pro Abtastwert für Leuchtdichtesignal und Farbdifferenzsignale

Anzahl der Abtastwerte über die digitale aktive Zeile (53,33 us):

- beim Leuchtdichtesignal Y 720  

- bei jedem Farbdifferenzsignal CR, CB 360

Leuchtdichtesignal-Codierung: mit 220 Quantisierungsstufen, wobei Wert 16 gleich dem Schwarzwert und Wert 235 gleich dem Weißwert ist

Farbdifferenzsignal-Codierung: mit 224 Quantisierungsstufen, wobei Wert 128 gleich dem Unbuntwert ist

Die Symbole CB und CR werden für die Farbdifferenzsignale benutzt, deren Matrizierung so vorgenommen wird, dass der Spitze-Spitze-Wert gleich dem maximalen Wert des Leuchtedichtsignales wird.

Tabelle 5.1 gibt dies mit auf- bzw. abgerundeten Werten wieder.

Tabelle_5.1.jpg

Die Bandbreite des Y-Signales beträgt mindestens 5,75 MHz. Für die Farbdifferenzsignale CB und CR gilt entsprechend ein Wert von 2,85 MHz.

Die Forderungen an das bandbegrenzende Tiefpaßfilter vor der Signalabtastung liegen demgemäß bei sehr geringer Dämpfungsschwankung im Durchlaßbereich (max. ± 0,05 dB) und bei einer Mindestsperrdämpfung von 40 dB ab 8 MHz (beim Y-Signal) bzw. ab 4 MHz (bei CB und CR) [76].

5.3 Digitales Zeitmultiplexsignal nach UIT-R (CCIR) 656

Die codierten Abtastwerte von Leuchtdichtesignal und den beiden Farbdifferenzsignalen werden in einem Digitalsignal-Multiplexer zusammengefasst und im Zeitmultiplex in der Folge

Code_5.4.jpg

parallel auf N = 8 bzw. 10 Leiterpaaren mit 27 MWorten/s und einem Leiterpaar für den 27-MHz-Takt übertragen oder seriell über ein Koaxialkabel mit einer Bitrate rbit = 216 Mbit/s (bei 8-bit-Codierung) bzw. rbit = 270 Mbit/s (bei 10-bit-Codierung) mit „Hilfsdaten", auch digitale Tonsignale, während der H- und V-Austastlücken. Siehe dazu Bild 5.5.

Bild_5.5.jpg

Die serielle Summenbitrate rBit berechnet sich aus

Rechnung_5.1.jpg

bzw. 

Rechnung_5.2.jpg

Aus der Praxis mit digitalen Videosignalen nach CCIR 601 hat sich gezeigt, daß in besonderen Bildvorlagen, z. B. Weißflächen, bei einer 8-bit-Codierung noch Quantisierungsrauschen zu erkennen ist. Die 10-bit-Codierung wird deshalb zukünftig dominieren.

Das serielle Datensignal muss so codiert sein, dass es gleichspannungsfrei ist, und dass aus dem Datenstrom der Bit-Takt abgeleitet werden kann. Man erreicht das durch „Verwürfeln" des Datenstromes (Scrambling) mit einer Pseudozufallssequenz und durch sog. NRZI-Codierung (Non Return to Zero Inverse). Dabei wird eine logische „0" als Gleichspannungswert (z. B. +5 V oder Null) und die logische „1 " als Gleichspannungssprung codiert.

Nach der CCIR-Norm 656 soll das übertragene Digitalsignal am Leitungsanfang eine Spitze-Spitze-Spannung zwischen 400 mV und 700 mV an einem 75-Q-Widerstand aufweisen [90, 91, 92, 93].

Unter Berücksichtigung der Austastlücken, d. h. bei Übertragung nur der aktiven Bildpunkte, ergäbe sich eine aktive Summenbitrate für das 625-Zeilen-System aus

Rechnung_5.3.jpg

und

Rechnung_5.4.jpg

von insgesamt 165,888 Mbit/s.

Durch eine gewisse Redundanz- und Irrelevanzreduktion lässt sich ohne merkbaren Qualitätsverlust die Bitrate soweit reduzieren, dass selbst mit zusätzlichem Fehlerschutz und einem digitalen Begleitton die Gesamtbitrate auf einen für digitale Übertragungssysteme festgelegten Wert gebracht werden kann [94, 95] von z. B.

139,264 Mbit/s bei der 4. Hierarchiestufe von PCM-Systemen oder

155,520 Mbit/s bei STM-I (Synchrones Transportmodul) bei der Synchronen Digitalen Hierarchie (SDH) [96].

 


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