TV Technik

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3. Farbbildsignalübertragung im Frequenzmultiplex

Wie im vorangehenden Abschnitt ausführlich erläutert, geschieht die Aufbereitung des Farbfernsehsignales aus Gründen der Kompatibilität in das Leuchtdichtesignal und in die beiden Farbdifferenzsignale. Zur Übertragung der vollständigen Bildinformation — Leuchtdichte und Farbart — ist damit ein dreifach belegbarer Übertragungskanal notwendig. Zu denken wäre an eine Mehrfachausnutzung des Fernsehübertragungskanales nach dem Frequenzmultiplexverfahren oder nach dem Zeitmultiplexverfahren. Beide Möglichkeiten erweisen sich aber, beim Frequenzmultiplexverfahren zumindest im ersten Augenblick, als nicht kompatibel mit dem bereits eingeführten Schwarzweiß-Übertragungsverfahren. Ein Nebeneinander von Leuchtdichte- und Farbartinformation auf der Frequenzachse durch Umsetzung der Farbdifferenzsignale scheidet bei dem auf eine Bandbreite von 5 MHz begrenzten Übertragungskanal von vornherein aus.

Ein für das tatsächlich gewählte Farbübertragungsverfahren entscheidender Gedanke leitet sich von der spektralen Analyse des Leuchtdichte- bzw. BAS-Signales ab. Es zeigt sich nämlich, dass das BAS-Signal kein kontinuierliches Frequenzspektrum besitzt, sondern ein Linienspektrum, in dem nur bestimmte Frequenzkomponenten auftreten. Diese werden im Wesentlichen, wegen des periodischen Abtastvorganges, durch Vielfache der Zeilenfrequenz gebildet.

Betrachtet man zunächst einen sehr vereinfachten Fall, z.B. das BAS-Signal bei Schwarzbild mit durchlaufender periodischer Wiederholung nur eines HorizontalSynchronimpulses, dann lässt sich dafür über eine Fourier-Analyse das dazugehörige Frequenzspektrum ermitteln. Es zeigt sich, daß Spektralkomponenten nur bei Vielfachen der Horizontalfrequenz fh auftreten (Bild 3.1). Bei der Bildvorlage Weiß oder einer Graustufe erhält man bereits die Überlagerung von zwei Spektren mit Komponenten gleicher Frequenzen, aber unterschiedlicher Amplitudenverteilung. Der allgemeine Fall einer beliebigen unbewegten Bildvorlage lässt sich hinsichtlich der Helligkeitsverteilung zurückführen auf Grundkomponenten eines horizontalen und vertikalen Streifenmusters. Dies führt zu Spektralkomponenten bei gebrochenen oder ganzzahligen Vielfachen der Zeilenfrequenz. Durch Hinzunahme der Vertikal-Synchronimpulse mit der Folgefrequenz fv erhält man das Spektrum des BAS-Signales in der Zusammensetzung aus Harmonischen der Horizontalfrequenz (m • fh) und deren Seitenschwingungen im

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Abstand von Vielfachen der Bildwechselfrequenz (n • fw). Vereinfacht wird dabei zunächst von progressiver Bildabtastung ausgegangen. Bei Zeilensprungabtastung treten die Seitenschwingungen zu den Vielfachen der Horizontalfrequenz im Abstand von Vielfachen der Vertikalfrequenz (m • fv) auf.

Einen Ausschnitt dieses Spektrums zeigt Bild 3.2. Das Zeilensprungverfahren hat darüber hinaus noch eine Verschachtelung der Seitenbänder von aufeinanderfolgenden zeilenfrequenten Spektralkomponenten zur Folge, was aber praktisch durch die rasch mit der Ordnungszahl n abklingende Amplitude dieser Seitenschwingungen nicht zutage tritt. Ein schwankender Bildinhalt bei bewegten Bildvorlagen führt zu einer Amplitudenmodulation der Impulsfolge des ruhenden Bildes und äußert sich im Wesentlichen wieder in den Seitenspektren zu den Harmonischen der Horizontalfrequenz [3, 6, 7].

 

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Man erkennt also, dass das Frequenzband des BAS-Signales tatsächlich im Wesentlichen nur bei Vielfachen der Horizontalfrequenz und in deren naher Umgebung belegt ist. Dazwischen weist das Spektrum bedeutende Lücken auf. Da auch die Farbartinformation zeilenperiodisch auftritt, wird das Spektrum der Farbdifferenzsignale B—Y und R—Y sich ebenfalls auf Vielfache der Horizontalfrequenz mit ihren Seitenbändern konzentrieren (Bild 3.3).

 

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Es liegt deshalb nahe, die zusätzliche Farbinformation in die Lücken des Frequenzspektrums des BAS-Signales einzufügen. Dies geschieht, indem die Farbartinformation einer

 

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sinusförmigen Trägerschwingung auf moduliert wird, deren Frequenz fFT und damit auch das Spektrum der zeilenfrequenten Modulationsprodukte, zwischen den Spektralkomponenten des BAS-Signales liegt (Bild 3.4). Man könnte so diesen besonderen Fall des Frequenzmultiplex-Prinzips auch als „Frequenzlücken-Multiplex" bezeichnen.

3.1 Übertragung der Farbart mittels Farbträger

3.1.1 Festlegung der Farbträgerfrequenz

Eine erste Bedingung für die Frequenz des Farbträgers leitet sich aus der symmetrischen Verschachtelung von BAS-Signal- und Farbartsignalspektrum ab: Die Farbträgerfrequenz fFT muss dazu ein ungeradzahliges Vielfaches der halben Zeilenfrequenz fh sein:

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Man erhält so den sogenannten Halbzeilen-Offset.

Die gemeinsame Übertragung des modulierten Farbträgers mit dem BAS-Signal wirft allerdings gewisse Probleme auf, wenn der Farbträger im Leuchtdichtekanal des Bildwiedergabesystems nicht genügend unterdrückt werden kann. Eine Helligkeitsschwankung längs der Zeilen des Fernsehbildes kann sich bemerkbar machen.

Der Störeinfluß des Farbträgers auf das Helligkeitsbild lässt sich erklären, wenn vereinfacht davon ausgegangen wird, dass eine dem BAS-Signal überlagerte sinusförmige Schwingung ein Hell-Dunkel-Störmuster am Bildschirm hervorruft. Bei einer ganzzahligen Beziehung zwischen Farbträgerfrequenz und Horizontalfrequenz mit fFT = n • fh tritt dann ein Störmuster aus hellen und dunklen vertikalen Streifen auf, deren Anzahl über die Zeilendauer entsprechend dem Faktor n ist (Bild 3.5). Die Horizontal-Austastlücke ist bei dieser schematisierten Betrachtung nicht berücksichtigt.

Durch den Halbzeilen-Offset ergibt sich ein Wechsel der Phasenlage der Farbträgerschwingung von 180 0 von Zeile zu Zeile in einem Halbbild. Nach jeweils zwei gleichen Rasterbildern (1. und 3. Halbbild, 2. und 4. Halbbild) aber fallen, wegen der ungeraden Zeilenzahl, helle und dunkle Bildpunkte aufeinander. Das im Takt von 4 • TV, entsprechend einer Frequenz von fv/4 = 12,5 Hz periodisch schwankende Störmuster würde sich so über vier Halbbilder hinweg kompensieren (Bild 3.6). Die Kompensation des Störmusters ist jedoch wegen der Nichtlinearität der Bildröhrenkennlinie und des nicht ausreichenden Integrationsvermögens des Auges bei dieser niedrigen Schwankungsfrequenz nur unvollkommen.

Der subjektive Störeindruck lässt sich aber dadurch reduzieren, dass die Frequenz des Farbträgers möglichst hoch gewählt wird. Das Störmuster erhält dann eine sehr feine Struktur. Eine zweite Forderung an die Frequenz des Farbträgers ist somit, dass diese möglichst am oberen Ende des Spektrums des BAS-Signales liegt.

Allerdings muss berücksichtigt werden, dass der Farbträger durch die Farbartinformation, d. h. durch die beiden Farbdifferenzsignale, moduliert wird, so dass zur Übertragung des oberen Seitenbandes des Modulationsproduktes doch ein gewisser Abstand von der Frequenzbandgrenze eingehalten werden muss. Als günstigster Kompromiss erwies sich bei einem Fernsehsystem mit 5 MHz Videobandbreite ein Wert von etwa 4,4 MHz für die Farbträgerfrequenz. Für ein auf die europäische CCIR-Norm B, G modifiziertes NTSC-Verfahren zur Farbbildübertragung (dieses wird nachfolgend noch eingehend beschrieben) wurde eine Farbträgerfrequenz festgelegt von

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Sowohl beim NTSC-Verfahren als auch bei dem in Weiterentwicklung entstandenen PAL-Verfahren (siehe später) setzt sich der übertragene Farbträger aus einer 0 0 -Komponente und einer 90 0 -Komponente zusammen, die beide unabhängig von den Farbdifferenzsignalen moduliert werden. Unter der Annahme etwa gleicher Farbinformation in direkt aufeinanderfolgenden Zeilen würde auch weiterhin eine Kompensation des Störmusters zustande kommen. Beim PAL-Verfahren wird aber die 90 0 -Komponente der

 

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Farbträgerschwingung zeilenweise um 180 0 in der Phasenlage umgeschaltet. Damit entfällt für diese Komponente des Farbträgers der Kompensationseffekt. Es entstünde im Helligkeitsbild ein vertikales Störmuster. 

Man vermeidet dies durch einen Viertelzeilen-Offset des Farbträgers, d. h. die Farbträgerfrequenz wird nun ein ungeradzahliges Vielfaches von einem Viertel der Zeilenfrequenz. Die Punktstruktur des Störmusters verschiebt sich dabei von Zeile zu Zeile um eine Viertelperiode des Farbträgers, womit sich ein schräg verlaufendes Störmuster ergibt. Das Störmuster tritt nach vier Halbbildern gegenphasig auf und wiederholt sich erst nach acht Halbbildern, was einer Folgefrequenz von 6,25 Hz entspricht. Wegen der periodischen 180 0 -Umschaltung der Phasenlage der 90 0 -Komponente des Farbträgers

 

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erscheint die diagonale Struktur des Störmusters abwechselnd in entgegengesetzter Richtung. Dies vermindert den Störeindruck. Durch einen zusätzlichen Versatz der Farbträgerfrequenz um fv/2 — 25 Hz erreicht man eine kontinuierliche Bewegung des Störmusters, was dessen Wahrnehmbarkeit noch weiter reduziert. Die Farbträgerfrequenz beim PAL-Verfahren nach der CCIR-Norm B, G ergibt sich somit zu

 

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Diese Frequenz ist gemäß der CCIR-Norm auf ± 5 Hz genau einzuhalten.

Die starre Verkopplung der Farbträgerfrequenz mit der Horizontalfrequenz erreicht man durch Ableitung der Horizontalfrequenz fh bzw. der doppelten Frequenz 2fh aus der Frequenz des Farbträgers im Farbträgerverkoppler (B i ld 3.7). Der von einem Quarzoszillator kommende Farbträger wird nach einem Verfahren der Einseitenbandmodulation (Phasenmethode) in seiner Frequenz um 25 Hz reduziert, so dass die Viertelzeilen-Offset-Frequenz verfügbar ist. Über eine Frequenzteilung mit dem Divisor 1135 und

 

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anschließende Frequenzvervielfachung mit dem Faktor 8 erhält man die doppelte Zeilenfrequenz 2fh, die dem Taktgeber zur Erzeugung der Austast- und Synchronsignale, sowie weiterer Hilfssignale, zugeführt wird. Aus der Vertikalfrequenz fv, die durch Teilung aus der doppelten Zeilenfrequenz abgeleitet wird, gewinnt man durch eine weitere Teilung mit dem Divisor 2 die zum Frequenzversatz notwendigen 25 Hz.

Literatur zum Abschnitt 3.1: [2, 3, 6, 7, 38, 40].

3.1.2 Quadraturmodulation

Nach den bisherigen Ausführungen lässt sich bereits ein vereinfachtes Blockschaltbild für ein System zur kompatiblen Farbfernsehübertragung durch Leuchtdichtesignal und der einem Farbträger über die Farbdifferenzsignale aufmodulierten Farbart angeben (Bild 3.8). Dabei muss ein Modulationsverfahren gewählt werden, das es ermöglicht, auf der Empfangsseite die beiden Farbdifferenzsignale wieder getrennt zurückzugewinnen.

Von der historischen Entwicklung her und bei dem heute noch weit verbreiteten NTSC Verfahren, sowie auch bei der verbesserten Variante des PAL-Verfahrens, ist dies eine

 

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Doppel-Amplitudenmodulation. Eine 0 0 -Komponente des Farbträgers wird durch das (B—Y) -Signal und eine 90 0 -Komponente wird durch das (R—Y)-Signal amplitudenmoduliert mit Trägerunterdrückung beim Wert null des Modulationssignales. Man spricht in diesem Fall von Zweiseitenband-Amplitudenmodulation (ZSB-AM). Die Amplitude des Modulationsproduktes ist proportional der Amplitude des modulierenden Signales. Wegen der Trägerunterdrückung wird die Phasenlage des Modulationsproduktes, 0 0 oder 180 0, von der Polarität des momentanen Farbdifferenzsignalwertes bestimmt. Durch Addition der Modulationsprodukte aus den beiden ZSB-AM-Modulatoren, FR_Y und FB_Y, erhält man als Resultierende die modulierte Farbträgerschwingung (Bild 3.9). Diese bildet das eigentliche Farbartsignal F. Es wird, in Verbindung mit dem Leuchtdichte- oder Luminanzsignal, auch als Chrominanzsignal bezeichnet.

An die Stelle der Frequenz fFT des unmodulierten Farbträgers tritt nun die Frequenz fF des Farbartsignals, mit fF = fFT •

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Die Resultierende als das Modulationsprodukt der sogenannten Quadraturamplitudenmodulation kann angegeben werden durch die beiden Komponenten in 0 0 - bzw. 90 0 -Phasenlage mit

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bzw. in der Form

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Die Amplitude F entspricht dabei der Farbsättigung mit 

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und der Phasenwinkel PF in bezug auf die 0 0 -Phasenlage der (B—Y)-Komponente dem Farbton mit

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Das Zeigerdiagramm nach Bild 3.10 ist vergleichbar mit dem in Bild 2.16. In Bild 3.10 wird nun aber direkt das Farbartsignal als Vektor der modulierten Farbträgerschwingung in der komplexen Ebene dargestellt. Die Doppelinformation Farbsättigung und Farbton ist so in die Amplitude und Phase der Farbträgerschwingung umgesetzt worden.

 

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Bei der Übertragung einer unbunten Bildvorlage werden die Farbdifferenzsignale und damit auch die Amplitude der modulierten Farbträgerschwingung zu Null. Im Schwarzweißbild treten in diesem Fall auch keine Störungen durch den Farbträger auf.

Die Amplitudenmodulation der 0 0 - bzw. 90 0 -Komponente des Farbträgers erfolgt jeweils in einem symmetrischen Modulator, der die Trägerunterdrückung bewirkt. Vielfach verwendet man dazu Ringmodulatoren oder integrierte Schaltkreise mit Transistoren als gesteuerte Schalter. Eine vereinfachte Schaltung dazu zeigt Bil d 3.11. Der Phasensprung von 180 0 im Modulationsprodukt beim Wechsel der Polarität des modulierenden Farbdifferenzsignales ist in der Signaldarstellung deutlich zu erkennen.

Bei der Demodulation des Farbartsignales müssen diesem die übertragenen Farbdifferenzsignale getrennt abgenommen werden. Dies ist möglich durch Synchrondemodulation mit einer 00 - und einer 90 0 -Farbträgerschwingung, bei der nur die in Phase zu diesem Referenzträger liegende Komponente des Farbartsignales bewertet wird. Dazu ist auf der Empfangsseite die phasenrichtige unmodulierte Farbträgerschwingung als Referenzträger notwendig. Zur Synchrondemodulation dienen dieselben Schaltungen wie zur Modulation auf der Sendeseite. An Stelle des modulierenden Farbdifferenzsignales wird

 

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das Modulationsprodukt zugeführt. Ein Tiefpaß im Ausgangskreis glättet die gleichgerichteten Halbwellen (Bild 3.12).

 

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Über die Multipliziererfunktion des Synchrondemodulators erhält man bei Demodulation mit dem 0 0 -Referenzträger (cos OF t) aus

 

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nach dem Tiefpaß eine Spannung proportional dem Wert (B—Y) einschließlich des Vorzeichens.

Bei Demodulation mit dem 90 0 -Referenzträger (-sin OF t) erhält man aus

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nach dem Tiefpaß eine Spannung proportional dem Wert (R—Y) einschließlich des Vorzeichens.

Da die unmodulierte Farbträgerschwingung nicht übertragen wird, muss sie am Empfangsort als Referenzträger erzeugt werden. Zur phasenrichtigen Synchronisierung mit dem sendeseitigen Farbträger wird während jeder Zeile innerhalb der Horizontal-Austastlücke ein Bezugssignal übertragen, das Farbsynchronsignal, das nach dem englischen Sprachgebrauch auch als Burst bezeichnet wird. Dieses Signal besteht aus etwa 10 Schwingungszügen des unmodulierten Farbträgers, die dem Synchronimpuls auf der hinteren Schwarzschulter folgen (B i I d 3.13). Während neun Zeilen der Vertikal-Austastlücke im Bereich des Vertikal-Synchronsignales wird der Burst unterdrückt.

 

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Die Phase des Farbsynchronsignales liegt beim NTSC-Verfahren bei 180 0 gegenüber der 0 0 -Bezugsphase des unmodulierten Farbträgers. Beim PAL-Verfahren erfolgt zeilenweise eine Umschaltung der Phasenlage, was später noch ausführlich erläutert wird.

 

 

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Im Empfänger trennt man das Farbsynchronsignal mittels eines Tastimpulses vom Farbartsignal ab. In einer Phasenvergleichsschaltung wird aus der Abweichung der Phasenlage des erzeugten Referenzträgers von der Phase des Farbsynchronsignals eine Regelspannung gewonnen, die über ein Integrationsglied den Referenzträgeroszillator in Frequenz und Phase nachsteuert. Die Regelspannung wird zu Null, wenn die Phasenabweichung 90 0 beträgt. Vom Referenzträgeroszillator geht die Farbträgerschwingung mit 90 0 -Phasenlage direkt dem (R—Y)-Synchrondemodulator und über eine 90 0 -Phasenrückdrehung in 0 0 -Phasenlage dem (B—Y)-Demodulator zu (Bild 3.14).

3.2 FBAS-Signal

Das Farbartsignal F wird mit dem BAS-Signal zum FBAS-Signal zusammengefasst. Dies erfolgt durch Addition der Signale und Hinzunahme des Burst. Das komplette FBAS-Signal wird dann, bei dem für terrestrische Direktversorgung der Fernsehteilnehmer angewandten Verfahren der Restseitenband-Amplitudenmodulation, durch Amplitudenmodulation dem hochfrequenten Bildträger aufgeprägt. Bei Berücksichtigung der vollen Farbdifferenzsignal-Amplituden würde eine Übermodulation des Bildträgers durch das Farbartsignal bei verschiedenen Bildvorlagen auftreten. Am Beispiel der Normfarbbalkenfolge, deren charakteristische Werte in Ta b elle 3.1 zusammengestellt sind, ist dies in Bild 3.15 in der Hüllkurvendarstellung des modulierten Bildträgers gezeigt.

 

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Die Übermodulation tritt in beiden Richtungen auf. Insbesondere durch das periodische Aussetzen der hochfrequenten Trägerschwingung und schon beim Unterschreiten des 10%-Weißwertes würden starke Störungen auftreten. Es muss deshalb die Farbartsignalamplitude reduziert werden. Dies bedeutet jedoch auch wieder eine Absenkung des Nutzsignales im Farbartkanal. Man hat sich entschieden, als Kompromiss zwischen Übermodulation einerseits und Verringerung des Signals/Rauschabstandes andererseits eine geringe Übermodulation von 33% in beiden Richtungen bei voll gesättigten Farben zuzulassen. In der Praxis treten diese kaum auf, so dass auch der Fall der Übermodulation kaum eintritt.

Die Reduzierung der Farbartsignalamplitude erfolgt bei den beiden Farbdifferenzsignalen nicht gleichmäßig, sondern durch unterschiedliche Reduktionsfaktoren, und zwar durch Multiplikation mit dem Faktor

 

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0,49            beim (B—Y)-Signal

und

0,88        beim (R—Y)-Signal.

Es ergeben sich daraus die reduzierten Farbdifferenzsignale, denen man die Bezeichnung U-Signal und V-Signal gegeben hat, zu

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bzw. in vereinfachter Schreibweise:

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Die Zahlenwerte sind auf- bzw. abgerundet.

Diese Signale werden bei der Quadraturamplitudenmodulation des Farbträgers wieder umgesetzt in die Komponenten FU und FV des Farbartsignales.

Für die Normfarbbalkenfolge mit 100% gesättigten Farben sind die Signalwerte in Tabelle 3.2 aufgeführt. Der Wert F-red berechnet sich nun mit

 

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Bild 3.16 zeigt das Zeilenoszillogramm des dazugehörigen FBAS-Signales.

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Für messtechnische Untersuchungen und Einstellungen an Farbfernsehübertragungssystemen dient als Testsignal eine Normfarbbalkenfolge, bei der nach EBU-Norm (European Broadcasting Union) alle Farbwertsignale, außer im Weißbalken, in ihrer Amplitude auf 75% reduziert werden. Damit vermeidet man die 33%ige Übermodulation durch das Farbsignal. Tabelle 3.3 gibt die Signalwerte bei 75%iger Farbsättigung der Normfarbbalken wieder, in Bild 3.17 ist das dazugehörige FBAS-Signal dargestellt.

Zur Bestimmung der Kennwerte eines Farbartsignales, d. h. der Farbträgeramplitude und Farbträgerphase bzw. der Farborte in der U-V-Ebene, verwendet man das Vektorskop. Es handelt sich dabei um ein in Polarkoordinaten geeichtes Oszilloskop mit zwei Synchrondemodulatoren für die FU- und die Fv-Komponente des Farbartsignales sowie

 

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dem Referenzträgeroszillator mit der dazugehörigen Phasenregelschaltung. Die demodulierten Farbdifferenzsignale gehen auf die X- bzw. Y-Ablenkung des Oszilloskops. Die Endpunkte der dargestellten Vektoren erscheinen als helle Punkte, weil dort der Strahl etwa 6 us verweilt, während der Wechsel von einem Farbort zum anderen sehr schnell erfolgt und deshalb kaum sichtbar oder sogar ausgetastet wird. Unter Bezugnahme auf die Amplitude und Phasenlage des Burst kann das Vektor-Oszillogramm eingestellt werden (B i I d 3.18). Die Sollagen der Endpunkte der Vektoren sind auf einer Schablone eingetragen. Toleranzfelder für mittlere und hohe Anforderungen an die Qualität der Farbbildübertragung markieren den zulässigen Bereich der einzelnen Farborte.

3.3 Kompatible Farbfernsehverfahren

Wie schon im Abschnitt 2.1 erwähnt, ist es wegen der Kompatibilität zu dem bereits eingeführten Schwarzweiß-Fernsehverfahren notwendig, vom Farbbildsignal die Information über die Helligkeit bzw. Leuchtdichte und über die Farbart getrennt zu übertragen. Im Abschnitt 3.1 wurde erläutert, wie die Farbartinformation durch Aufbringen auf einen Farbträger in das Spektrum des BAS-Signales eingebracht wird. Dies geschieht, wie dargestellt, durch eine doppelte Amplitudenmodulation, der Quadratur-Amplitudenmodulation, die auch als eine Kombination von Amplituden- und Phasenmodulation interpretierbar ist. Prinzipiell könnte die Doppelmodulation auch durch eine getrennte Amplitudenmodulation (z. B. vom (B—Y)-Signal) und eine Frequenz- oder Phasenmodulation (dann vom (R—Y)-Signal) des Farbträgers erfolgen [38]. Darüber hinaus ist es aber auch möglich, die beiden Farbdifferenzsignale voneinander getrennt in aufeinanderfolgenden Zeilen durch eine einfache Modulation des Farbträgers zu übertragen. Das jeweils fehlende Signal entnimmt man dann aus der gespeicherten vorangehenden Zeile.Von den angeführten Möglichkeiten haben drei Varianten eine weit verbreitete Einführung erfahren, nämlich das NTSC-, das PAL- und das SECAM-Verfahren.

3.3.1 NTSC-Verfahren

Das nach dem Erfinder-Gremium National Television System Committee benannte NTSC-Verfahren bildet die Grundlage für die weiterentwickelten Varianten PAL und SECAM. Es wurde in den USA nach Zustimmung durch die nationale Fernmeldebehörde FCC (Federal Communications Commission) im Januar 1954 im Rundfunk-Fernsehen eingeführt und bald darauf in Kanada und Japan sowie später in weiteren Ländern übernommen.

Das NTSC-Verfahren ist durch die bisherigen Ausführungen über die Quadraturmodulation des Farbträgers durch die Farbdifferenzsignale im Prinzip bereits beschrieben worden. Abweichend von dem bisher Gesagten werden aber beim Original-NTSC-Verfahren nach der CCIR-Norm, Standard M (US-Norm) nicht die reduzierten Farbdifferenzsignale U und V übertragen, sondern eine I-Komponente und eine Q-Komponente des Farbartsignales. Das I-Q-Achsensystem erhält man durch Drehen des U-V-Achsensystems um 33 0 in positiver Richtung (Bild 3.19). In der Normfarbtafel entspricht die I-Achse einer Achse maximaler und die Q-Achse einer Achse minimaler Farbauflösung des menschlichen Auges (Bild 3.20).

 

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Man erreicht durch diese Achsendrehung eine verbesserte Bildqualität hinsichtlich der Übergänge zwischen verschiedenfarbigen Flächen. Das Q-Signal kann nämlich stärker bandbegrenzt werden als das I-Signal, was zu einem geringeren Übersprechen vom Qin den I-Kanal wegen der unsymmetrischen Bandbegrenzung des Farbartsignales führt.

Die Modulationssignale sind jetzt

 

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Die Bandbreite der übertragenen Farbdifferenzsignale beträgt beim

I-Signal etwa 1,3 MHz (Abfall < 3 dB)

und beim

Q-Signal etwa 0,4 MHz (Abfall < 2dB),

bei einer Videosignalbandbreite von 4,2 MHz (Standard M).

Bezogen auf eine Videosignalbandbreite von 5 MHz (Standard B, G) könnte die Bandbreite des I- und des Q-Signales jeweils 1,3 MHz betragen.

Um zu einem besseren Vergleich mit den europäischen Standards zu gelangen, werden die Parameter des Original-NTSC-Systems (Standard M) mit der Videobandbreite von 4,2 MHz und der Farbträgerfrequenz von 3,58 MHz auf die Videobandbreite von 5 MHz und die Farbträgerfrequenz von 4,43 MHz angepasst. Man erhält dann die in Bild 3.21 angegebene Belegung des Videofrequenzbandes.

 

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Das vollständige Blockschaltbild eines NTSC-Coders gibt Bild 3.22 wieder. Die Verzögerungsleitungen im Y- und im I-Kanal dienen zum Ausgleich der größeren Laufzeit des schmalbandigen Q-Kanals. Der Burst wird beim NTSC-Verfahren in 1800 -Phasenlage übertragen. Er wird über ein Tor durch einen Auftastimpuls erzeugt.

Das Blockschaltbild eines entsprechenden NTSC-Decoders zeigt Bild 3.23. Die Synchrondemodulation erfolgt hier mit den Referenzträgerphasen 33 0 und 123 0. Aus den demodulierten I- und Q-Signalen sowie dem Y-Signal werden in einer Matrix die Farbwertsignale R, G und B zurückgewonnen. Wegen der unterschiedlichen Bandbegrenzung könnte beim Demodulationsvorgang noch ein Übersprechen des I-Signales in den QKanal hervorgerufen werden. Um dies zu vermeiden, wird dem Q-Demodulator ein Tiefpaß mit der Grenzfrequenz 0,4 MHz nachgeschaltet.

Durch Wahl der Referenzträgerphasen mit 00 und 90 0 können bei der Synchrondemodulation auch die Farbdifferenzsignale (B —Y) und (R—Y) erhalten werden. Die Matrix vereinfacht sich dann für den Fall der Farbdifferenzsignal-Ansteuerung der Farbbildröhre, weil nur noch das (G—Y)-Signal zu bilden ist. Allerdings dürfen die demodulierten Signale nicht mehr verschiedener Bandbegrenzung unterworfen werden, da in den beiden Farbdifferenzsignalen das breitbandige I-Signal enthalten ist. Man schaltet deshalb den beiden Sychrondemodulatoren jeweils einen Tiefpaß mit einer Bandbreite von etwa 0,7 MHz nach. In diesem Zusammenhang spricht man auch von „Äquiband-Demodulation" [7], [38].

 

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Nach dem Blockschaltbild gemäß Bild 3.23 dient zur Trennung des Leuchtdichtesignales vom Farbartsignal eine Bandsperre für den modulierten Farbträger im Leuchtdichtekanal und ein Bandpaß im Farbartkanal. Es wird dadurch eine ausreichende Trennung der beiden Signale bewirkt. Tatsächlich gelangen noch gewisse Frequenzkomponenten des Leuchtdichtesignales in den Farbartkanal und rufen, insbesondere an Schwarzweißkanten und in feinen Bilddetails, ein farbiges Störmuster hervor. Man spricht in diesem Fall von Cross-Colour. Umgekehrt führt ein Übersprechen des Farbartsignales in den Leuchtdichtekanal zum sog. Cross-Luminance. Um auch Störungen durch Rauschen aus dem Farbartkanal zu vermeiden, wird bei Schwarzweiß-Sendungen der Burst nicht ausgestrahlt. Aus diesem Kriterium wird ein Schaltsignal abgeleitet, das bei fehlendem Burst über den Farbabschalter oder Colour-Killer den Farbartkanal automatisch sperrt.

Eine vollkommene Trennung von Leuchtdichtesignal und Farbartsignal wäre auf Grund der Frequenzverkämmung mit einem Kammfilter möglich. Für übliche NTSC-Heimempfänger hat sich dieser Aufwand als nicht notwendig erwiesen.

Eine offensichtliche Schwäche des NTSC-Verfahrens ist, dass der Farbton, den das menschliche Auge besonders kritisch registriert, im Phasenwinkel des Farbartsignales übertragen wird. Schon geringe Verschiebungen der Farbträgerphase werden deshalb vom Auge sehr schnell als Farbtonverfälschungen wahrgenommen. So kann es z. B. vorkommen, dass bei der Bildung des FBAS-Signales im Studio unterschiedliche Signallaufzeiten für das Farbartsignal und den Burst auftreten und damit eine falsche Phasenlage des Farbartsignales zustande kommt. Die NTSC-Farbfernsehempfänger waren deshalb mit einem Farbtoneinsteller ausgestattet zur Korrektur von Farbtonfehlern, die sich auf Grund von statischen Phasenfehlern im Übertragungsweg ergeben. Es wurde dabei die Phasenlage des Referenzträgers nachgestellt unter Bezugnahme auf den Farbton eines bekannten Bildteiles, meist auf die Hautfarbe von Personen.

Neuerdings wird von verschiedenen Fernsehsendern in USA während einer Zeile der Vertikal-Austastlücke ein Referenzsignal (VIR-Signal) übertragen, das neben der Farbträgerphase auch eine Leuchtdichte-Referenz enthält. Dieses VIR-Signal dient zur automatischen Farbtonregelung im Empfänger. Das demodulierte Test-Farbartsignal wird im Farbkomparator mit einer Gleichspannung verglichen, die vom Schwarzwert des VIR-Signales abgeleitet ist. Aus der Differenz der Spannungen wird ein Regelkriterium gewonnen, von dem die Phase der Referenzträgerschwingung nachgesteuert wird [41].

Nicht korrigieren lassen sich mit einem Farbeinsteller oder der VIR-Korrekturschaltung aber die sogenannten differentiellen Phasenfehler. Unter dem Begriff der differentiellen Phase versteht man nach DIN 45 061 die Differenz der Phasendrehungen in einem Vierpol an zwei verschiedenen Stellen der Aussteuerungskennlinie bei der Farbträgerfrequenz.

Ähnlich ist ein Begriff der differentiellen Verstärkung definiert. Das Entstehen von differentiellen Amplituden- und Phasenfehlern sei an einem schematisierten Beispiel (BiId 3.24) erläutert. Das Farbartsignal erleidet beim Durchlaufen dieser Verstärkerstufe eine differentielle Amplitudenänderung wegen der unterschiedlichen Steilheit der Übertragungskennlinie, bedingt durch die Arbeitspunktverschiebung über den Y-Anteil des FBAS-Signales, und eine differentielle Phasenänderung wegen der vom Emitterstrom und damit vom momentanen Arbeitspunkt abhängigen Eingangskapazität des Transistors. Bild 3.25 zeigt diesen Einfluss auf das FBAS-Signal und seine Auswirkung in der Vektordarstellung. Bei den Farbbalken mit niedrigem Leuchtdichteanteil, bei Blau und Rot, ergibt sich eine geringere Phasendrehung gegenüber der Sollage bzw. der Referenzphase des Bursts als bei den Farbbalken mit hohem Leuchtdichteanteil, wie bei Gelb und Cyan. Auch die Amplitudenänderung ist deutlich zu erkennen. Während differentielle Amplitudenfehler durch eine Gegenkopplung und damit verbundene Linearisierung der Übertragungskennlinie eliminiert werden können, ist dies bei differentiellen Phasenfehlern nicht möglich. Differentielle Phasenfehler von 5 0 machen sich bereits störend bemerkbar.

 

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3.3.2 PAL-Verfahren

Schon während der Entwicklung des NTSC-Verfahrens wurden in USA Möglichkeiten einer Farbtonfehlerkompensation erprobt, die aber zu keinem befriedigenden Ergebnis führten. In Europa arbeitete man zu Beginn der sechziger Jahre in Frankreich unter HENRI DE FRANCE und in der Bundesrepublik Deutschland unter WALTER BRUCH an verbesserten NTSC-Systemvarianten. Den Teilnehmern der UER-(EBU-) Ad-hoc-Gruppe „Farbfernsehen" wurde im Januar 1963 erstmals eine der drei von W. BRUCH verbesser ten Varianten des NTSC-Systems, das PAL-Verfahren, vorgeführt. Nach gründlicher Erprobung wurde das PAL-Verfahren 1966 vom CCIR in seinen System-Parametern definiert und in einer Reihe von westeuropäischen Ländern, mit Ausnahme von Frankreich, zur nationalen Norm erklärt. In der Bundesrepublik Deutschland wurde Farbfernsehen nach dem PAL-Verfahren offiziell zur Funkausstellung am 25. 8. 1967 eingeführt. Eine Vielzahl von europäischen und außereuropäischen Ländern haben mittlerweile das PAL-System übernommen.

Das PAL-Verfahren basiert auf dem NTSC-Verfahren, es weist aber eine wesentlich geringere Störanfälligkeit gegenüber statischen und differentiellen Phasenfehlern auf. Der Grundgedanke des PAL-Verfahrens, bei dem mit relativ geringem Aufwand eine Auslöschung von Phasenfehlern erfolgt, ist folgender: Eine Phasenverschiebung, die das Farbartsignal auf dem Übertragungsweg erfahren hat, kann durch eine entgegengesetzt gerichtete aber gleich große Phasendrehung kompensiert werden.

Man erreicht diesen Effekt, indem die Phasenlage einer der beiden Komponenten des Farbartsignales, z.B. der Fv-Komponente, zeilenweise um 180 0 umgepolt wird. Damit tritt der Phasenfehler auf der Empfangsseite abwechselnd in positiver und negativer Richtung auf. Durch eine Addition der Farbartsignale von zwei aufeinander folgenden Zeilen kompensiert sich der Fehler. Von dem zeilenweisen Phasenwechsel, englisch Phase Alternation Line, leitet sich die Bezeichnung „PAL" ab.

In Bild 3.26 ist das Prinzip der Phasenfehlerkompensation beim PAL-Verfahren dargestellt. Das Farbartsignal Fn der Zeile n, zusammengesetzt aus den Komponenten FU,n und Fv,n, erleidet auf der Übertragungsstrecke einen Phasenfehler a in positiver Richtung gegenüber der Bezugsphase des Burst. Es gelangt empfangsseitig als Signal Fn' über ein Laufzeitglied mit der Verzögerung um die Dauer einer Zeile (64 PS) zu einer Addierstufe. Während der darauffolgend übertragenen Zeile n + 1 wird sendeseitig die Fv-Komponente um 180 0 umgepolt. Das Farbartsignal Fn+l, gebildet aus den Komponenten FU, und —Fv, 11+1, wird ebenso um den Phasenfehler a in positiver Richtung verfälscht. Die sendeseitige Umpolung der Fv-Komponente muß nun empfangsseitig wieder rückgängig gemacht werden. Damit erhält man aus dem fehlerbehafteten Signal F'n+l nach Umpolung der Fv-Komponente das Farbartsignal, F' das den Phasenfehler a der Übertragungsstrecke mit negativer Richtung aufweist. Unter der Voraussetzung, dass die Farbartsignale der Zeilen n und n + 1 gleich sind, erhält man aus der

 

Bild_3.26.jpg

Addition des verzögerten Farbartsignales FK, und des unverzögerten Farbartsignales F'n+l* ein resultierendes Signal Fres, in dem sich der Phasenfehler aufhebt. Der Phasenwinkel (PF des Empfangssignales Fres ist identisch mit dem des gesendeten Farbartsignales, womit der Farbton erhalten bleibt. Das Empfangssignal weist, nach einer Reduzierung auf den halben Amplitudenwert, lediglich eine geringe Entsättigung gegenüber dem Sendesignal auf.

Bei diesem Verfahren, das von W. BRUCH und seinen Mitarbeitern erfunden wurde [42], geht man von der Annahme aus, dass sich die Farbart der Bildvorlage in zwei aufeinanderfolgend übertragenen Zeilen nicht ändert. Praktisch trifft dies weitgehend zu. Sind horizontal verlaufende Farbkanten vorhanden, so empfindet das Auge jedoch auch dann kaum eine Verfälschung des Farbüberganges.

Das Vektorgramm des PAL-codierten Farbartsignales für die Normfarbbalkenfolge zeigt Bild 3.27. Jeder Farbvektor erscheint an der horizontalen Achse gespiegelt. Die Zeiger der Zeilen n + 1 sind gestrichelt eingezeichnet.

 

Bild_3.27.jpg

Zur phasenrichtigen empfängerseitigen Umpolung der Fv-Komponente beziehungsweise des Referenzträgers für den (R—Y)- bzw. V-Synchrondemodulator wird mit dem Farbsynchronsignal eine zusätzliche Kennung übertragen. Dazu wird der Burst in zwei Komponenten aufgespalten, von denen eine stets in der 180 0 -Phasenlage und die andere zeilenweise abwechselnd, phasenrichtig mit der Fv-Umpolung, in der +90 0 - bzw. —900 -Phasenlage gesendet wird. Dadurch ergibt sich der sog. alternierende Burst mit 1800 ± 45 0 (B i ld 3.28). Die eigentliche Bezugsphase des Burst erhält man auf der Empfangsseite durch Mittelwertbildung zu 1800.

Die Zuordnung der Burstphase zu den Zeilen der einzelnen Halbbilder ist genau festgelegt. In Verbindung mit der Austastung des Burst während eines Teils der Vertikal-Austastlücke ergibt sich, dass alle Halbbilder mit der gleichen Burstphase beginnen. Damit werden gleiche Einschwingbedingungen für den Referenzträgeroszillator gewährleistet, falls dessen Phase nach Unterbrechung der Synchronisierung vom Sollwert abweicht. Die CCIR-Norm, Standard B und G, sieht vor, dass die Phasenlage des Burst in den

 

Bild_3.28.jpg

ungeradzahligen Zeilen des ersten und zweiten Halbbildes sowie in den geradzahligen Zeilen des dritten und vierten Halbbildes 135 0 beträgt und demgegenüber 225 0 in den geradzahligen Zeilen des ersten und zweiten Halbbildes sowie in den ungeradzahligen Zeilen des dritten und vierten Halbbildes. Während neun Zeilen in jedem Halbbild wird der Burst ausgetastet. Siehe dazu Bild 3.29 [2, 7].

 

Bild_3.29.jpg

Die Erzeugung des alternierenden Burst erfolgt über den U- bzw. V-Modulator. Dazu werden der zeilenfrequente Burst-Auftastimpuls (K-lmpuls) und der PAL-Kennimpuls (P-lmpuls) mit halber Zeilenfrequenz zur Festlegung der PAL-Phasenlage benötigt.

Das Blockschaltbild eines PAL-Coders zeigt Bild 3.30. Es werden die reduzierten Farbdifferenzsignale U und V direkt übertragen mit einer Bandbreite von 1,3 MHz (max. 3 dB Abfall). Eine Begrenzung der Seitenbänder des modulierten Farbträgers auf unterschiedliche Breite durch den 5-MHz-Übertragungskanal wirkt sich infolge der Phasenfehlerkompensation nicht mehr störend aus. Gegenüber dem NTSC-Coder entfällt die 330 -Phasendrehung der Farbträgerkomponenten. Hinzu kommt jedoch die zeilenweise Umpolung der 900 -Farbträgerkomponente für den V-Modulator.

 

Bild_3.30.jpg

Die technische Realisierung der PAL-Fehlerkompensation auf der Empfängerseite bedarf gegenüber der Prinzipdarstellung in Bild 3.26 einer besonderen Erläuterung. Dazu ist es zweckmäßig, aus dem PAL-Decoder zunächst eine wichtige Funktionsgruppe, den Laufzeit-Decoder, herauszunehmen. Im Gegensatz zum NTSC-Decoder wird beim PAL-Decoder das Farbartsignal nicht parallel den beiden Synchrondemodulatoren zugeführt, sondern es findet bereits vorher eine Aufspaltung in die Fu- und die Fv-Komponente statt. Diese Aufgabe übernimmt der Laufzeit-Decoder (Bild 3.31).

Das ankommende Farbartsignal teilt sich am Eingang des Laufzeit-Decoders in drei Pfade auf. Es gelangt einmal über ein Laufzeitglied mit der Signalverzögerung um eine Zeilendauer Th (Gruppenlaufzeit 64 PIS) und mit einer Phasenverschiebung von 00

 

Bild_3.31.jpg

(k • 2π), entsprechend einer Phasenlaufzeit von z. B. 284 • T 64,056 PS, und zum anderen auf direktem Weg mit 0 0 bzw. 180 0 Phasendrehung an die beiden Ausgänge. Dort findet jeweils die Addition von zwei Signalen statt [42].

Am „Ausgang FU" addieren sich das Farbartsignal der vorangehenden Zeile (Fn) und das der gerade ablaufenden Zeile (Fn+l). Aufeinanderfolgende Zeilen beinhalten die Fv-Komponente mit um 180 0 wechselnder Phasenlage, so dass diese sich über zwei Zeilen hinweg aufhebt. An dem „Ausgang FU" kann somit ständig die Fu-Komponente des Farbartsignales abgenommen werden. Dem „Ausgang Fv" wird das Eingangsignal um 180 0 phasenverschoben zugeführt. Durch die Addition mit dem um eine Zeilendauer verzögerten Farbartsignal ergibt sich hier eine Aufhebung der Fu-Komponente. Es erscheint an diesem Ausgang dann nur die Fv-Komponente des Farbartsignales, allerdings zeilenweise in der Phasenlage um 180 0 wechselnd. Die Funktion des Laufzeit Decoders geht aus den Zeigerdiagrammen in Bild 3.32 deutlich hervor.

 

Bild_3.32.jpg

Nach einer anderen, in [9] angegebenen Version des Laufzeit-Decoders, beträgt die Phasenverschiebung im Laufzeitglied 180 0 und die Phasenlaufzeit entsprechend 283,5 • TFT = 63,943 gs. Eine zusätzliche Phasendrehung von 180 0 erfährt das verzögerte Farbartsignal hier auf dem Weg zum „Ausgang Fu".

In der praktischen Ausführung des Laufzeitdecoders ist stets eine Abgleichmöglichkeit vorgesehen, womit auf beste Trennung der FU- und Fv-Komponenten eingestellt wird. Siehe dazu auch [43].

Zur Signalverzögerung im Laufzeit-Decoder verwendet man eine Ultraschall-Verzögerungsleitung. Das Farbartsignal wird dazu über piezoelektrische Wandler in eine Ultraschallschwingung mit 4,43 MHz und wieder in ein elektrisches Signal umgewandelt. In dem piezoelektrischen Sendewandler wird durch Scherkraft eine Transversalschwingung erzeugt und in einen Glaskörper als Verzögerungsmedium eingekoppelt. Die Ultraschallwelle durchläuft diesen Glaskörper. Ihre Fortpflanzungsgeschwindigkeit ist gering (2650 m/s), so dass man für die Laufzeit von 64 us etwa eine Lauflänge von 17 cm benötigt. Verwendet wird Bleisilikatglas, das einen geringen Temperaturkoeffizienten aufweist. Im Empfangswandler ruft die auftretende Ultraschallwelle eine Spannung an den Elektroden hervor. Die Wandler bestehen aus dünnen Scheiben von Bleizirkonattitanat oder Bariumtitanat, die polarisiert und auf den gegenüberliegenden Seiten metallisiert werden.

Die ersten Ultraschall-Verzögerungsleitungen waren zunächst stabförmig, bei einer Länge von etwa 17 cm. Kleinere Abmessungen erreicht man, wenn Mehrfachreflexionen an den Glas-Luft-Übergängen ausgenutzt werden. Bild 3.33 zeigt dazu verschiedene Möglichkeiten [43], [44].

 

Bild_3.33.jpg

 

Die zeilenweise Änderung der Phasenlage der Fv-Komponente könnte durch eine entsprechende periodische Umschaltung rückgängig gemacht werden. Einfacher ist jedoch die zeilenweise Umpolung der Phasenlage des Referenzträgers für den V-Sychrondemodulator. In der Anordnung des kompletten PAL-Decoders übernimmt diese Aufgabe der PAL-Schalter (Bild 3.34). Die phasenrichtige Synchronisierung des PAL-Schalters erfolgt vom alternierenden Burst her.

Der Referenzträgeroszillator stellt sich in dem geschlossenen Regelkreis (siehe Bild 3.14) auf eine Phasenlage von 90 0 bezogen auf den Mittelwert der Burstphase bei 1800 ein. Dazu wird die über ein Integrationsglied geglättete Ausgangsspannung des Burst-Phasendiskriminators zur Nachstimmung des Referenzträgeroszillators herangezogen. Die nur von den Farbträgeranteilen befreite Ausgangsspannung des Phasendiskriminators dient zur phasenrichtigen Synchronisierung des PAL-Multivibrators, der den PAL-Schalter zur Umpolung des Referenzträgers für den (R—Y)- bzw. V-Synchrondemodulator steuert.

Dem Burst-Phasendiskriminator wird außerdem noch eine von der Burstamplitude abhängige Spannung entnommen zur Steuerung des Spannungsverstärkungsfaktors im Farbartsignalverstärker, damit an den Synchrondemodulatoren stets eine konstante Amplitude des Farbartsignales gewährleistet ist, sowie eine Schaltspannung, mit der bei fehlendem Burst der Farbartsignalverstärker gesperrt wird, um ein farbiges Rauschen am Bildschirm zu vermeiden.

 

Bild_3.34.jpg

Ein Phasenfehler a, den das Farbartsignal auf dem Übertragungsweg in bezug auf den Burst erfährt, erscheint sowohl beim Fu- als auch beim Fv-Signal in gleicher Richtung (Bild 3.35). Da in den Synchrondemodulatoren aber nur eine Bewertung der mit dem

Bild_3.35.jpg

jeweiligen Referenzträger in Phase liegenden Komponente des zugeführten Signales stattfindet, erhält man am Ausgang des (B—Y)- bzw. U-Demodulators das Signal

Formel_3.18.jpg

und am Ausgang des (R—Y) bzw. V-Demodulators das Signal

Formel_3.19.jpg

Beide zurückgewonnenen Farbdifferenzsignale, U' und V', sind durch den Phasenfehler a mit demselben Faktor cos a behaftet, so dass das Verhältnis V'/ U' gegenüber dem sendeseitigen Wert V/U gleich geblieben ist und damit auch der Farbton, der im Phasenwinkel enthalten ist, nicht verfälscht wird.

 

Formel_3.20.jpg

Eine gewisse Entsättigung durch die geringere Amplitude der demodulierten Farbdifferenzsignale gemäß dem Faktor cos a macht sich wesentlich erst bei größeren Werten des Phasenfehlers a bemerkbar.

Die Wirkungsweise des PAL-Decoders lässt sich sehr anschaulich an dem Spektrum des PAL-Signales zeigen. Dazu wird von der Tatsache ausgegangen, dass sich das Spektrum sowohl des Y-Signales als auch der trägerfrequenten U- und V-Signale aus Harmonischen der Zeilenfrequenz zusammensetzt. Siehe dazu Bi ld 3.36. Das U-Signal wird der 0 0 -Komponente der Farbträgerschwingung durch Amplitudenmodulation mit Trägerunterdrückung aufgebracht und erscheint damit im Spektrum symmetrisch zum unterdrückten Farbträger bei frr (d). Die 90 0 -Komponente der Farbträgerschwingung wird zunächst durch den PAL-Schalter im Rhythmus von fh/2 in der Phase umgepolt. Dies entspricht einer Zwei-Phasenumtastung der Trägerschwingung. Das Spektrum der Schaltfunktion überlagert sich dabei symmetrisch dem unterdrückten Träger. Man erhält neben der Nullstelle bei der TrägerfrequenzfFT noch Nullstellen symmetrisch zur Farbträgerfrequenz im Abstand von geradzahligen Vielfachen der Schaltfrequenz fh/2 (e). Durch Amplitudenmodulation mit Trägerunterdrückung wird das Spektrum des VSignales der periodisch umgepolten 90 0 -Komponente der Farbträgerschwingung aufgebracht. Vereinfacht dargestellt erhält man dann das Spektrum des Fv-Signales nach (h).

In der Überlagerung der Spektren des Y-Signales (a) im Bereich der Farbträgerfrequenz fFT sowie des Fu-Signales (d) und des Fv-Signales (h) erkennt man den Viertelzeilen Offset sowohl der FU- als auch der Fv-Komponente gegenüber dem Spektrum des YSignales.

Die empfängerseitige Aufspaltung des PAL-Spektrums erfolgt im Laufzeit-Decoder. Dieser weist die Funktion eines sogenannten Kammfilters auf, d. h. seine Übertragungsfunktion wiederholt sich periodisch. Für das Signal am Ausgang „FU" erhält man durch die Addition von verzögertem und unverzögertem Eingangssignal (siehe Bild 3.37 a) die resultierende Übertragungsfunktion

 

Bild_3.36.jpg

Formel_3.21.jpg

mit dem Betrag

Formel_3.22.jpg

Maxima treten auf bei den Frequenzen

Formel_3.23.jpg

Minima liegen um fh/2 versetzt zwischen den Maxima des Betrags der Übertragungsfunktion.

Für das Signal am Ausgang „Fv" erhält man durch Subtraktion von verzögertem und in der Phase um 1800 gedrehtem unverzögertem Eingangssignal (siehe Bild 3.37 b) die resultierende Übertragungsfunktion

 

Formel_3.24.jpg

mit dem Betrag

Formel_3.25.jpg

Minima liegen entsprechend dazu wieder um fh/2 versetzt.

Bild 3.38 zeigt nun, wie über die Kammfilter-Übertragungsfunktionen für den „FU"und den „Fv"-Ausgang die Trennung zwischen den Spektralkomponenten des FU- und des Fv-Signales erfolgt. Voraussetzung ist allerdings ein exakter Amplituden- und Phasenabgleich des Laufzeitdecoders [45].

 

Bild_3.38.jpg

Man erkennt aber auch, dass sowohl am „Fu"-Ausgang als auch am „Fv"-Ausgang noch Reste von Spektralkomponenten des Y-Signales auftreten. Es handelt sich hier um den Cross-Chrominanz- oder Cross-Colour-Effekt. Im Bild sichtbare Störungen treten dann auf, wenn die Bildvorlage zu Spektralkomponenten des Leuchtdichtesignales im Bereich der Farbträgerfrequenz mit entsprechender Amplitude führt. Kritisch sind hier feine vertikale oder schräge Streifenmuster. Durch ein Absenken des Leuchtdichtesignales im Bereich der Farbträgerfrequenz mittels eines schwach wirkenden Bandsperrfilters im PAL-Coder kann der Cross-Colour-Effekt auf der Empfangsseite herabgesetzt werden. Eine Störung im Leuchtdichtekanal durch den modulierten Farbträger wird als CrossLuminance bezeichnet. Durch die Wahl der Farbträgerfrequenz am oberen Ende des Leuchtdichtesignalspektrums sind diese Störungen zwar schon weitgehend reduziert worden. Zusätzlich aber wird der Frequenzgang im Leuchtdichtekanal durch ein Sperrfilter für das Farbartsignal oberhalb 4 MHz bereits abgesenkt.

Die beschriebenen Übersprecheffekte, Cross-Colour und Cross-Luminance, könnten durch aufwendigere Kammfilter mit schmalerem Durchlaßbereich im PAL-Decoder und durch ein zusätzliches Kammfilter für das Leuchtdichtesignal beseitigt werden. Eine mögliche Anordnung mit einem 2-Zeilen-Kammfilter zur Trennung von Leuchtdichte- und Farbartsignal zeigt Bild 3.39. Ein nachgeschaltetes 1-Zeilen-Kammfilter müsste dann noch die Trennung in die Fu- und Fv-Komponenten vornehmen. Nachteil dieser Anordnung ist allerdings, dass das verwendete 2-Zeilen-Kammfilter eine periodische Übertragungsfunktion im Frequenzbereich von Null bis 5 MHz aufweisen müsste, was mit üblichen Ultraschall-Verzögerungsleitungen nicht realisierbar ist.

Bild_3.39.jpg

In der Anordnung nach Bild 3.40 dagegen werden aus dem Spektrum des FBA(S)Signales die Komponenten des Farbartsignales durch eine Kompensation eliminiert. Der Frequenzbereich des 2-Zeilen-Kammfilters muss sich somit nur über den Frequenzbereich von etwa 3,1 bis 5 MHz erstrecken.

Durch die Mehrzeilen-Verzögerung des Farbartsignales treten jedoch besonders bei unbewegten horizontalen Linien Mehrfachkonturen im wiedergegebenen Bild auf. Dem ist nur durch sog. adaptive Kammfilter zu begegnen, bei denen abhängig vom Bildinhalt eine geeignete Filterung vorgenommen wird [46], [47]. Die digitale Signalverarbeitung eröffnet hier allerdings mehr Möglichkeiten [48], [49].

 

Bild_3.40.jpg

Dies gilt schon für die Realisierung von breitbandigen Kammfiltern durch digitale Filter. Die Verzögerungszeit wird dabei durch die Taktfrequenz bestimmt, mit der das digitale FBA-Signal über das Speicherelement geschoben wird. So lassen sich mit einem Verzögerungsglied und einem Addierer oder Subtrahierer kosinusförmige Übertragungsfunktionen realisieren, die je nach Verzögerungszeit bzw. Taktfrequenz dann, wie in Bild 3.41 dargestellt, mit

 

Rechnung_3.1.jpg

Kammfilter (bzw. Chrominanz-Kammfilter) dienen,

Rechnung_3.2.jpg

und damit entsprechender Periodizität der Übertragungsfunktion.

Bild_3.41.jpg

3.3.3 SECAM-Verfahren

Etwa gleichzeitig mit dem PAL-Verfahren wurde Anfang der sechziger Jahre in Frankreich unter HENRI DE FRANCE das SECAM-Verfahren entwickelt. Es vermeidet die dem NTSC-Verfahren anhaftende Empfindlichkeit gegenüber Phasenfehlern auf dem Übertragungsweg und deren Auswirkung als Farbtonfehler dadurch, dass dem Farbträger in jeder Zeile nur eines der beiden Farbdifferenzsignale aufmoduliert wird. Man geht dabei, wie schon beim PAL-Verfahren, von der Annahme aus, dass sich die Farbinformation von Zeile zu Zeile nicht wesentlich ändert beziehungsweise, dass das menschliche Auge eine Verringerung der Vertikal-Farbauflösung bis zu einem gewissen Grad nicht als störend empfindet.

Die für die Farbinformation charakteristischen Farbdifferenzsignale brauchen deshalb nicht gleichzeitig übertragen zu werden. Dies kann vielmehr in jeweils aufeinanderfolgenden Zeilen nacheinander geschehen. Im Empfänger muss dann das Signal einer Zeile über eine Verzögerungsleitung für die Dauer von 64 gespeichert werden. Die Bezeichnung SECAM, aus „séquentielle å mémoire" abgeleitet, besagt, dass es sich um ein sequentielles Verfahren mit Signalspeicherung handelt. Nachdem die beiden Farbdifferenzsignale getrennt und nicht gleichzeitig dem Farbträger aufgeprägt werden, bleibt die Wahl des Modulationsverfahrens noch frei. Beim SECAM-Verfahren arbeitet man mit der wenig störanfälligen Frequenzmodulation. Allerdings treten auch hier Probleme mit der Sichtbarkeit des frequenzmodulierten Farbträgers auf dem Bildschirm zutage. In verschiedenen Entwicklungsstufen des Systems versuchte man dem zu begegnen.

Bild 3.42 zeigt das Blockschaltbild eines SECAM-Coders. Aus den R-, G-, B-Signalen werden in einer Matrix das Leuchtdichtesignal Y und die beiden Farbdifferenzsignale gebildet, bei SECAM gemäß den Beziehungen

Formel_3.27.jpg

 

für das (B—Y)-Farbdifferenzsignal und

Formel_3.28.jpg

für das (R—Y)-Farbdifferenzsignal. Zeilenweise abwechselnd wird jeweils ein Farbdifferenzsignal nach Bandbegrenzung auf 1,3 MHz und Anhebung der höheren Signalfrequenzen über eine Video-Preemphase auf den FM-Modulator gegeben. Durch die Video-Preemphase (Bild 3.43) und eine entgegengesetzt wirkende Deemphase nach dem FM-Demolulator auf der Empfangsseite erreicht man einen über das gesamte Signalband gleichmäßigen Signal/Rauschabstand.

 

Bild_3.42.jpg

Die Farbträgerfrequenz ist wie beim NTSC- und beim PAL-Verfahren mit der Zeilenfrequenz verkoppelt. Gemäß der letzten Entwicklungsstufe von SECAM, SECAM Illb oder SECAM III opt., werden die beiden Farbdifferenzsignale mit ihrem Signalwert null auf verschiedene Farbträgerfrequenzen bezogen. Die Störungen durch die frequenzmodulierte Schwingung mitteln sich dadurch von Zeile zu Zeile besser aus. Nach der CCIR-Norm sind für die Standards B, D, G, H, K, K 1, L/SECAM folgende Farbträgerfrequenzen festgelegt [2]:

Formel_3.29.jpg

Das FM-Modulationsprodukt wird über eine weitere Preemphase im Bereich der Seitenbänder des Farbträgers nach einer bestimmten Frequenzcharakteristik angehoben. Siehe dazu Bild 3.44. Es wird damit bei unbunten Bildvorlagen, insbesondere im häufig vorkommenden Weiß, die Amplitude des Farbträgers relativ klein gehalten, was zu geringeren Störungen im Leuchtdichtesignal führt. Auf der Empfangsseite erfolgt im Farbträgerkanal durch eine gegensinnig wirkende Deemphase über das sogenannte Cloche-Filter (Glocken-Filter) wieder eine Anhebung im Bereich der Farbträgerfrequenz, gleichzeitig aber auch eine Absenkung der Seitenbänder, womit letztendlich wieder der Signal/Störabstand in den demodulierten Farbdifferenzsignalen verbessert wird.

Der Frequenzhub U beträgt, bezogen auf den Wert D = 1 der modifizierten Farbdifferenzsignale, beim (B—Y)-Signal 230 kHz und beim (R—Y)-Signal 280 kHz. Der Wert D 1 entspricht der Amplitude des Leuchtdichtesignales zwischen den Werten von Schwarz und Weiß.

 

Bild_3.43.jpg

 

Geht man von der Normfarbbalkenfolge mit 75% Sättigung aus, die auch in wirklichen Bildvorlagen meist nicht überschritten wird, dann berechnet sich mit dem maximalen Wert des (B—Y)-Signales von ± 0,89 eine größte Änderung der Momentanfrequenz des Farbträgers von

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und mit dem maximalen Wert des (R—Y)-Signales von ± 0,70 eine größte Frequenzänderung von

Formel_3.32.jpg

Diese Werte liegen innerhalb der maximal zulässigen Momentanfrequenzänderung, wie Bild 3.45 zeigt. Die maximale Frequenzänderung darf bei der Farbträgerfrequenz die Werte +506 kHz und —350 kHz und bei der Farbträgerfrequenz f0R die Werte +350 kHz und —506 kHz nicht wesentlich überschreiten [2].

Bild_3.45.jpg

Auf der Empfangsseite (Bild 3.46) erfolgt über eine Art Laufzeit-Decoder die Verteilung des einlaufenden und des von der vorangehenden Zeile gespeicherten modulierten Farbträgers auf die beiden FM-Demodulatoren. Deren Bezugsfrequenzen müssen sehr konstant sein, um eine Verfälschung des Momentanwertes der demodulierten Farbdifferenzsignale zu vermeiden.

Damit im Decoder die Zuordung des modulierten Farbträgers phasenrichtig auf den entsprechenden FM-Demodulator erfolgt, werden in jedem Halbbild während neun Zeilen der Vertikal-Austastlücke nach dem Vertikal-Synchronimpuls und den Ausgleichsimpulsen sogenannte Identifikationsimpulse in Form des modulierten Farbträgers übertragen.

 

Bild_3.46.jpg

In einem bestimmten Zyklus über vier Halbbilder wird der Farbträger dabei sägezahnförmig frequenzmoduliert. Den Verlauf der videofrequenten DR- und DB-Identifikationssignale bzw. die ihnen zugeordneten Momentanfrequenzen des Farbträgers gibt Bild 3.47 wieder. In Zeile 7 des ersten Halbbildes ändert sich die Frequenz von 4,40625 MHz auf 4,75625 MHz, zugeordnet einem DR-Signal, in der darauffolgenden Zeile 8 von 4,25000 MHz auf 3,9000 MHz, zugeordnet einem DB-Signal, und weiter alternierend bis Zeile 15. Das zweite Halbbild beginnt in Zeile 320 mit dem einem DB-Signal zugeordneten Farbträger usw. Im dritten und vierten Halbbild starten die Zeilen 7 bis 320 mit gegenüber dem ersten und zweiten Halbbild entgegengesetzter Zuordnung.

Mit der Frequenzänderung verbunden ist wegen der trägerfrequenten Preemphase auch eine Amplitudenänderung des durch die Identifikationsimpulse übertragenen Farbträgers, so dass man z. B. innerhalb der Vertikal-Austastlücke des ersten Halbbildes einen Signalverlauf wie in Bild 3.48 dargestellt erhält.

Die Auswertung der Identifikationssignale erfolgt im Empfänger durch Resonanzkreise, die auf 3,9000 MHz bzw. 4,75625 MHz abgestimmt sind. Nach Gleichrichtung der Spannungen an den Schwingkreisen erhält man eine den Farbdifferenzsignalen DB und DR zugeordnete Impulsfolge mit halber Zeilenfrequenz, mit der die Schaltfolge des SECAM-Umschalters synchronisiert wird. Als integrierte Schaltkreise werden mittlerweile auch andere Schaltungen zur Rückgewinnung der Identifikationsimpulse verwendet, siehe dazu z. B. [50].

Bild_3.47.jpg

Tabelle 3.4 gibt die für eine EBU-Normfarbbalkenfolge (75% Sättigung) charakteristischen Werte des SECAM-FBAS-Signales wieder.

Tabelle_3.4.jpg

Die Werte für die Farbträgeramplitude FB_Y und FR_Y sowie die gegenüber den Frequenzen f0B bzw. vorliegende Frequenzabweichung AfB_Y und AfR_Y gelten für den eingeschwungenen Teil der Farbbalkensignale, da an den Farbkanten durch die differenzierende Wirkung der Video-Preemphase die Farbdifferenzsignale DB und DR stark angehoben werden.

Das SECAM-Verfahren weist gegenüber PAL einige systembedingte Schwächen auf, da wegen der relativ geringen verfügbaren Übertragungsbandbreite die Frequenzmodulation bereits an ihrer physikalischen Grenze ausgenutzt wird.

 

3.4 Verbesserte PAL-Verfahren

3.4.1 Schwächen des Standard-PAL-Verfahrens

Wie schon in Abschn. 3.3.2 erwähnt, treten beim PAL-Verfahren durch die Verkämmung der Spektren von Leuchtdichtesignal und Farbartsignal Übersprecheffekte auf, die sich einerseits durch die hochfrequenten Komponenten des Leuchtdichtesignales im Farbartkanal als „Cross-Colour"-Störung unangenehm bemerkbar machen und die andererseits eine „Cross-Luminance"-Störung durch das Farbartsignal im Leuchtdichtekanal hervorrufen.

Es wurde bereits darauf hingewiesen, dass durch schmalbandigere Kammfilter eine Unterdrückung der Leuchtdichtesignalkomponenten im Farbartkanal erreicht werden kann. Schmalbandigere Kammfilter benötigen aber Verzögerungsglieder über mehrere Zeilenperioden. Das hat zur Folge, dass bei Bildvorlagen mit horizontalen Kanten der Signalwert am Ausgang des Kammfilters sich über mehrere Stufen aufbaut und am Bildschirm Mehrfachkonturen sichtbar werden. Man hat deshalb adaptive Mehrzeilen Kammfilter entwickelt, deren Übertragungsfunktion und damit auch die Sprungantwort je nach Bildvorlage automatisch geändert wird [46], [48], [49]. Es zeigte sich aber, dass trotz beachtlichem Aufwand eine bei allen Bildvorlagen störungsfreie Bildwiedergabe auch nicht erreicht werden kann.

Eine einfache Methode, die zumindest eine teilweise Unterdrückung der Cross Color-Störung bewirkt, basiert auf einer Reduzierung der Bandbreite im Farbartsignalverstärker auf den Bereich von etwa 3,8 bis 5 MHz. Damit werden Spektralkomponenten des Leuchtdichtesignales bis 3,8 MHz ausgesperrt. Die geringere Bandbreite im Farbartkanal, und somit auch in den Farbdifferenzsignalen, mit nur etwa 0,6 MHz führt zu einem „Verschmieren" der Farbübergänge. Dem begegnet man durch eine „Versteilerung" der Flanken bei den Farbdifferenzsignalen. In einer CTI-Schaltung (Colour Transition Improvement) werden dazu die Farbdifferenzsignale jeweils in einen direkten und einen um die Sprungdauer verzögerten Pfad aufgeteilt und, vom Sprung her gesteuert, wieder addiert [51].

Bei Ausnutzung der vollen Bandbreite bis 5 MHz im Leuchtdichtekanal treten sichtbare „Cross-Luminance"-Störungen durch das Farbartsignal auf. Eine Reduzierung der Bandbreite auf 3,5 MHz beseitigt zwar diese Störung, aber gleichzeitig tritt eine „Unschärfe" im Bild auf. Als Kompromiß wird vielfach ein sog. „Notch-Filter" im Leuchtdichtekanal des Empfängers eingesetzt, dass die Verstärkung im Bereich um  4,4, MHz herabsetzt. Nachteilig wirken sich wieder die durch Gruppenlaufzeitfehler entstehenden Überschwinger im Signalverlauf aus.

Verbesserungen beim eingeführten PAL-Verfahren sind nun gefordert hinsichtlich der Reduzierung oder Unterdrückung der Übersprechstörungen und der möglichen Ausnutzung der vollen Leuchtdichtesignalbandbreite von 5 MHz unter der Vorgabe der Kompatibilität möglicher Modifikationen mit dem Standard-PAL-Verfahren.

3.4.2 I-PAL-Verfahren

Eine Kombination aus NTSC, PAL und SECAM stellt das im Institut für Rundfunktechnik (IRT) in München entwickelte I-PAL-Verfahren (Improved PAL) dar [9, 52].

Schon beim PAL-Verfahren wurde bei der Phasenfehlerkompensation davon ausgegangen, daß sich der Bildinhalt in zwei aufeinanderfolgenden Zeilen nicht ändert. Beim SECAM-Verfahren führte dieser Gedanke zur zeilenweise alternierenden Übertragung der beiden Farbdifferenzsignale. Eine damit verbundene Reduktion der Vertikalauflösung wird auch beim I-PAL-Verfahren hingenommen, das in jeder Weise zum PAL-Verfahren kompatibel ist, aber die bei PAL bekannten Übersprecheffekte nicht mehr aufweist. Außerdem kann im Empfänger eine größere Bandbreite für das Y-Signal ausgenutzt werden.

Das bei I-PAL übertragene FBAS-Signal unterscheidet sich in aufeinanderfolgenden Zeilen. In der Zeile n wird nur das Leuchtdichtesignal Y mit der vollen Bandbreite von 5 MHz übertragen, dazu der Burst des PAL-Signales aus der Zeile n. In der darauffolgenden Zeile n + 1 wird das Leuchtdichtesignal nur mit seinem tieffrequenten Anteil YT bis 2,9 MHz übertragen und dazu das Farbartsignal Fund der Burst der Zeile n + 1 (Bild 3.49 a). Es wird angenommen, daß im Farbartsignal die +Fv-Komponente enthalten ist. Der zeilenweise alternierende Burst ist aus Kompatibilitätsgründen notwendig. Das Blockschaltbild eines I-PAL-Coders zeigt Bild 3.50.

Bild_3.49.jpg

Bild_3.50.jpg

Auf der Empfangsseite entnimmt man dem Frequenzbereich von 2,9 bis 5 MHz zeilenweise alternierend den hochfrequenten Anteil YH des Leuchtdichtesignales oder das Farbartsignal F. Der hochfrequente Anteil des Y-Signales aus der Zeile n wird gespeichert und in der Zeile n + 1 zum übertragenen tieffrequenten Anteil YT hinzugefügt, so dass auch in dieser Zeile ein breitbandiges Leuchtdichtesignal verfügbar ist. Die in Zeile n + 1 übertragene Farbartinformation wird ebenfalls über eine Zeile verzögert und in der darauffolgenden Zeile n + 2 übernommen (Bild 3.49b).

 

Bild_3.51.jpg

Verschiedene Verfahren der I-PAL-Decodierung sind nun möglich. Die Speicherung der Farbartinfomation kann entweder in den beiden Farbdifferenzsignalen geschehen, was aufwendige Speichereinrichtungen erfordert, oder, wie Bild 3.51 in dem vereinfachten Blockschaltbild eines I-PAL-Decoders zeigt, mittels einer üblichen Ultraschall-Verzögerungsleitung für den Frequenzbereich um 4,4 MHz. Das Farbartsignal F wird den beiden Synchrondemodulatoren parallel zugeführt und mit je einem 0 0 - und einem 90 0 -Referenzträger nach U und V demoduliert.

Der normale PAL-Decoder erhält nur jede zweite Zeile ein Farbartsignal, die Phasenfehlerkompensation entfällt damit. Die Verzögerungsleitung im PAL-Decoder bewirkt aber, daß während jeder Zeile sowohl am Ausgang „FU" als auch am Ausgang „Fv" ein Farbartsignal erscheint, am Ausgang „FU" stets positiv gerichtet und am Ausgang „Fv" zeilenweise umgepolt (Bild 3.52). Wegen der fehlenden zweiten Komponente bei der Bildung der Summensignale an den Ausgängen „FU" und „Fv" des Laufzeit-Decoders ist die Farbsättigung allerdings um den Faktor 2 reduziert, was jedoch auf einfache Weise, z. B. mit dem Farbsättigungseinsteller am Fernsehempfänger, ausgeglichen werden kann.

Bild_3.52.jpg

Auf die verlorengegangene Phasenfehlerkompensation glaubte man, nach heutigen Maßstäben der Übertragungstechnik, verzichten zu können. Statische und differentielle Phasenfehler treten nun zwar bei moderner Schaltungstechnik kaum mehr auf, wohl aber bei der Video-Magnetbandaufzeichnung im Studio. Mit einem differentiellen Phasenfehler von 5 0 pro Aufzeichnung ergeben sich bei Mehrfachkopien nicht mehr tolerierbare Phasenfehler im Endprodukt. So konnte das I-PAL-Verfahren trotz Unterdrückung der Cross-Effekte und Ausnutzung der vollen Luminanzbandbreite keine Anwendung beim Fernseh-Rundfunk finden.

Eine modifizierte Variante des I-PAL-Verfahrens, das I-PAL-M-Verfahren, beseitigt auch die Phasenempfindlichkeit beim FBAS-Signal und den Sättigungsverlust bei der kompatiblen Signalverarbeitung im Standard-PAL-Decoder. Gegenüber dem I-PAL-Verfahren wird nun wieder in jeder Zeile das Farbartsignal übertragen, allerdings in jeweils einem Paar von zwei aufeinanderfolgenden Zeilen von den gleichen Farbdifferenzsignalen herrührend (Bild 3.53). Phasenfehler im Übertragungskanal werden sowohl beim I-PAL-M-Decoder als auch beim Standard-PAL-Decoder kompensiert, beziehungsweise in geringe Sättigungsfehler umgewandelt. Die Auflösung der Farbinformation ist gegenüber dem Standard-PAL-Verfahren in vertikaler Richtung reduziert. Das Leuchtdichtesignal wird in jeder Zeile, entweder nur mit dem tieffrequenten Anteil YT oder aus YT und YH zusammengesetzt, mit voller Bandbreite übertragen, so dass zusätzliche Kompensationsmaßnahmen zur Unterdrückung von Cross Luminance notwendig sind [53, 54] 

Bild_3.53.jpg

 

Das Prinzip des I-PAL-M-Coders gibt Bild 3.54 wieder. Das Leuchtdichtesignal wird in einen tieffrequenten Anteil (h) und einen hochfrequenten Anteil (YH) aufgespalten. Die Farbdifferenzsignale werden mittels eines relativ flachen Gauß-Filters (3-dB-Abfall bei 2 MHz) und eines einfachen Vertikalfilters wegen der Unterabtastung vorgefiltert. Anschließend erfolgt, synchron zu der Aufschaltung der Leuchtdichtesignalanteile, eine zeilenweise Wiederholung der Farbdifferenzsignale, und zwar so, dass in der Zeile mit dem YT-Anteil des Leuchtdichtesignales die Farbdifferenzsignale direkt übertragen werden. Das PAL-Farbartsignal und der Burst werden mit den entsprechenden Leuchtdichtesignalanteilen zum FBA(S)-Signal zusammengefasst.

 

Bild_3.54.jpg

Im I-PAL-M-Decoder (Bild 3.55) erfolgt wiederum eine Abspaltung des Farbartsignales, das nun in der Zeile n direkt und in der Zeile n+ 1 nach Verzögerung um die Zeile über einen „Modifikator" einem Standard-PAL-Decoder zugeführt wird. Aufgabe des Modifikators ist es, die von der Codierung her in den Zeilen n+l enthaltene Cross Colour-Störung zu beseitigen.

 

Bild_3.55.jpg

Dazu wird durch Multiplikation des Farbartsignales der Zeile n mit dem der Zeile n + 1 ein Referenzträger mit der zweifachen Farbträgerfrequenz gewonnen, gemäß

Formel_3.33.jpg

Nach Beseitigung der sättigungsabhängigen Amplitudenänderung durch Amplitudenbegrenzung erfolgt im „Modifikator" bei der einlaufenden Zeile n+ 1 eine Multiplikation der verzögerten Zeile n mit dem Referenzträger, was zu dem Ergebnis führt:

Formel_3.34.jpg

entsprechend dem sendeseitigen Farbartsignal

Rechnung_3.3.jpg

Somit stehen sowohl das Farbartsignal der Zeile n (direkt) und das der Zeile n+ 1 (über Modifikator) frei von Cross-Colour-Störung zur PAL-Decodierung zur Verfügung.

Das Summensignal FBA(S) wird, nach Laufzeitausgleich für den Bandpaß, einer Subtrahierstufe zugeführt. Bei der einlaufenden Zeile n liegt nur der YEAnteil vor, es wird nichts subtrahiert. Das zusätzlich überlagerte Farbartsignal (Fu +jFv)n kommt nicht zur Auswirkung, weil später der hochfrequente Anteil YH aus der vorangehenden Zeile n— 1 verwendet wird. Während der Zeile n+ 1 wird vom Summensignal mit (YT + YH) + (Fu —jFv)n das im Modifikator zurückgewonnene Farbartsignal (FU subtrahiert. Die markierten Signale an den verschiedenen Stellen des I-PAL-M-Decoders geben dies wieder.

Somit liegt in den betrachteten Zeilen n und n+2 der tieffrequente Anteil YT des Leuchtdichtesignales und in der Zeile n+l das breitbandige Leuchtdichtesignal

YT + YH zur Weiterverarbeitung an. Man gewinnt dann zunächst den hochfrequenten Anteil YH aus der Zeile n+ 1 zurück, um ihn nach weiterer Verzögerung um eine Zeile — zur Anpassung an das Farbartsignal — beziehungsweise um zwei Zeilen mit dem tieffrequenten Anteil YT zusammenzuführen.

Das übersprechfreie Leuchtdichtesignal Y wird letztendlich in der Matrixschaltung mit den decodierten, übersprechfreien U- und V-Signalen in die Farbwertsignale R, G und B umgewandelt.

Das I-PAL-M-Verfahren hatte zunächst gute Chancen, in ein verbessertes PAL-System übernommen zu werden. Da die Vorzüge des I-PAL-M-Verfahrens aber erst voll zum Tragen kommen, wenn die Produktionsbearbeitung in einem reinen Komponentenstudio erfolgt, waren die in einer Übergangsperiode zu berücksichtigenden PAL-Bearbeitungsschritte ein unüberwindliches Hemmnis für das I-PAL-M-Verfahren.

3.4.3 Q-PAL-Verfahren

Eine weitere Möglichkeit zur kompatiblen Verbesserung des PAL-Verfahrens wurde am Lehrstuhl für Nachrichtentechnik der Universität Dortmund untersucht und als QPAL-Verfahren bekannt gemacht [55, 57, 581.

Auch bei diesem Verfahren werden Cross-Colour und Cross-Luminance weitestgehend eliminiert und die Horizontalauflösung des Leuchtdichtesignales gegenüber dem technisch realisierten Standard-PAL-Verfahren erhöht. Es basiert auf einer vertikal-zeitlichen Vor- und Nachfilterung der hochfrequenten Leuchtdichtesignalanteile und des empfängerseitigen Farbartsignales.

Ausgangspunkt ist das dreidimensionale Spektrum des PAL-FBAS-Signales. Zur Erläuterung sei an dieser Stelle die Entwicklung des dreidimensionalen Spektrums eines Fernsehbildsignales aufgezeigt, das über die Abtastung der Bildvorlage in horizontaler und vertikaler Richtung und über die Teilbildfolge zustande kommt.

Ausgehend von einer einfachen Bildvorlage mit vertikalen Streifen (schwarz und weiß) erhält man über die horizontale Abtastung eine mit Th periodische Zeitfunktion und ein mit fh periodisches Amplitudenspektrum (Bild 3.56). Bei einer höchsten Auflösung in n = 320 schwarze und weiße Streifen, bezogen auf die volle Zeilendauer von Th = 64 PS, ergibt das im Spektrum eine erste Harmonische bei f = 5 MHz. Anders ausgedrückt werden in einer 1. Dimension des Spektrums die Horizontal-Spektralkomponenten fx angegeben durch „cycles per picture width" (c/pw), hier im Bereich von fx = o . 320 c/pw auftretend. Diese Darstellung gibt nur eine Aussage über die Frequenzachse und keine Angabe der Amplituden wieder.

 

Bild_3.56.jpg

Aufgrund der vertikalen Abtastung (hier vereinfacht progressive Abtastung angenommen) einer Folge von horizontal verlaufenden schwarzen und weißen Balken, erhält man eine mit der Teilbilddauer TV periodische Zeitfunktion, deren Spektrum in der 2. Dimension fy mit Angabe der „cycles per picture height" (c/ph) angegeben wird (Bild 3.57). Bezogen auf 625 Zeilen über die volle Bildhöhe (Vertikalaustastung hier nicht berücksichtigt) treten Spektralkomponenten im Bereich vonfy = 0 312 1/2 c/ph auf. Die Bildvorlage wird somit über die horizontale und vertikale Abtastung in einzelne Bildpunkte aufgelöst.

Bild_3.57.jpg

Wieder unter der Annahme einer progressiven Abtastung leitet sich für das Bildsignal, bezogen auf einen bestimmten Punkt (x, y) in der Teilbildfolge, eine auf die Teilbilddauer TV periodische Zeitfunktion ab, bei der eine Wechselfrequenz im Bereich von ft = o . 25 Hz auftreten kann. Bild 3.58 gibt dies in der 3. Dimension des Spektrums auf der Zeitachse wieder.

Bild_3.58.jpg

 

In einem nächsten Schritt gibt man ein zweidimensionales Spektrum an, z.B. als yx-Spektrum (Bild 3.59). Man entnimmt daraus die maximal mögliche Auflösung der Bildvorlage in horizontaler sowie in vertikaler Richtung. Das Spektrum wiederholt sich theoretisch periodisch im positiven und negativen Bereich der mathematischen Zahlenebene.

Bild_3.59.jpg

 

Eine andere, für die vertikal-zeitliche Filterung des Signales maßgebliche Darstellung, bildet das y-t-Spektrum. Es ist in Bild 3.60a zunächst für progressive Abtastung angegeben und dann in Bild 3.60b für das Zeilensprungverfahren. Daraus ist zu entnehmen, dass volle vertikale Auflösung nur bei ruhenden Bildvorlagen (ft = 0) möglich ist und andererseits bei ft = 25 Hz die Vertikalauflösung gegen null geht. Dies ist so zu erklären, dass ja der betrachtete Bildpunkt (x, y) in jedem zweiten Teilbild gar nicht abgetastet wird.

Der folgende letzte Schritt faßt nun die drei Teilspektren zu einem dreidimensionalen Spektrum zusammen. Bild 3.61 zeigt dies zunächst bei progressiver Abtastung mit dem durch die NYQu1sT-Frequenzen (Frequenz des schnellstmöglichen Wechsels)

Rechnung_3.4.jpg

abgegrenzten Quader.

Bild_3.60.jpg

Das dreidimensionale x-y-t-Spektrum beim Zeilensprungverfahren gibt Bild 3.62 wieder. Beim PAL-Verfahren wird nun vom Leuchtdichtesignal der Bereich vonfx = 0 320 c/pw und im Frequenzmultiplex (eigentlich „Frequenzlücken-Multiplex") gleichzeitig vom Farbartsignal der Bereich vonfx = 200 320 c/pw belegt.

Dreidimensionale Filtertechniken zur Vorfilterung beim PAL-Coder und zur Nachfilterung beim PAL-Decoder erlauben eine eindeutige Trennung der Spektralkomponenten [56].

Durch eine vertikal-zeitliche Filterung bereitet man beim Q-PAL-Verfahren im Spektrumsbereich von etwa 3,1 bis 5 MHz, entsprechendfx = 200 320 c/pw, die Komponenten des Leuchtdichtesignales und des Farbartsignales getrennt auf. Man setzt dazu Digitalfilter ein, die mit der Zeilenfrequenz (Vertikal-Filterung) bzw. mit der Teilbildfrequenz (zeitliche Filterung) getaktet werden, siehe dazu Bild 3.41.

Das Ergebnis führt zu einem übersprechfreien Leuchtdichte- und Farbartsignal nach dem Q-PAL-Decoder. Selbst ein Standard-PAL-Empfänger zeigt bereits eine merkbare Unterdrückung der Cross-Effekte.

Bild_3.62.jpg

Bild 3.62 Dreidimensionales x-y-t-Spektrum bei Zeilensprung-Abtastung

Im Zusammenhang mit der 16: 9-Breitbildübertragung wurde das Verfahren noch ergänzt und als Q-PAL-Plus angegeben [59].

3.4.4 Color-Plus-Verfahren

Eine weitere, verbesserte Variante des eingeführten PAL-Verfahrens stellt das ColorPlus-Verfahren dar. Die Unterdrückung von Cross-Colour- und Cross-Luminance-Störungen erreicht man hier durch eine Kompensation der störenden Signalkomponenten mit zeitlicher Mittelung über zwei aufeinanderfolgende Halbbilder hinweg. Dazu ist sowohl im Coder als auch im Decoder ein digitaler Halbbildspeicher erforderlich. Das Ergebnis ist eine weitgehende Trennung von Leuchtdichtesignal- und Farbartsignalanteilen, und es erlaubt damit die volle Ausnutzung der Videobandbreite für das Leuchtdichtesignal. Wegen der Mittelung von Signalen über zwei Halbbilder wird jedoch die zeitliche Auflösung auf 25 Bewegungsphasen pro Sekunde (12,5 Hz) reduziert.

Das Verfahren ist ideal geeignet für ein Bildsignal, dem eine Filmabtastung zugrunde liegt, weil hier von der Quelle her nur 25 Bewegungsphasen pro Sekunde vorliegen. Bei einem Kamerasignal wird durch eine spezielle vertikal-zeitliche Filterung das Signal dem Verfahren angepasst [57], [60].

Wie aus dem Blockschaltbild in Bild 3.63 ersichtlich ist, wird das Leuchtdichtesignal auch bei diesem Verfahren in einen tieffrequenten Anteil (h) und einen hochfrequenten Anteil (YH) aufgeteilt. Die Übergangsfrequenz liegt bei 3,4 MHz. Der hochfrequente Leuchtdichtesignalanteil YH und die Farbdifferenzsignale U und V sind, vom Quellensignal bei Filmabtastung her oder über Halbbildspeicherung, in zwei aufeinanderfolgenden Halbbildern gleich. Das Farbartsignal F jedoch erfährt nach einem Halbbild, exakt nach 312 Zeilen, eine Phasenverschiebung um 1800.

Dies ergibt sich aus der Farbträgerfrequenz fFT — 4,43361875 MHz bzw. der Farbträgerperiodendauer von TFT — 0,2255. . PIS, die über 312 Zeilen zu einer Verzögerung von 312 • 64 us = 19968 us führt, wiederum entsprechend 88 530,5 Farbträgerperioden. Damit liegt nach 312 Zeilen eine Phasenverschiebung des Farbträgers um 1800 vor.

Bild_3.63.jpg

Das Spektrum des Farbartsignales einer aus zwei Nachbarzeilen (vom 1. und 2. Halbbild) gemittelten Zeile weist so, bei gleicher Amplitudenverteilung, in zwei aufeinanderfolgenden Halbbildern eine Phasenverschiebung von 1800 auf. Das Prinzip der Cross Colour- und Cross-Luminance-Unterdrückung durch Kompensation über zwei Halbbilder wird in Bild 3.64 anhand der Signale und der entsprechenden Spektren erläutert.

Das Color-Plus-FBAS-Signal stellt ein PAL-kompatibles Signal dar, es kann von einem Standard-PAL-Decoder in herkömmlicher Weise verarbeitet werden. Allerdings treten hier noch Cross-Colour- und Cross-Luminance-Störungen auf.

Zur Kompensation der Übersprechstörungen im Frequenzbereich von 3,4 bis 5 MHz (YH, F) wird im Color-Plus-Decoder eine Mittelung sowohl beim hochfrequenten Leuchtdichtesignal als auch beim Farbartsignal über zwei Halbbilder hinweg vorgenommen. Durch die Mittelwertbildung entsteht zunächst für das hochfrequente Leuchtdichtesignal YH und für das Farbartsignal F eine Bildfolge mit 312 1/2 Zeilen und 25 Hz Wiederholfrequenz. Mittels einer Teilbildwiederholung wird daraus ein Zeilensprungsignal mit 2 mal 312 1/2 Zeilen und 50 Hz Rasterwechselfrequenz generiert. Das Prinzipschaltbild des Color-Plus-Decoders gibt Bild 3.65 wieder.

Die Mittelwertbildung beim Farbartsignal kann auch in die Frequenzebene der Farbdifferenzsignale verlegt werden. Dazu notwendig ist dann jeweils ein Halbbildspeicher (312 H) im U- und im V-Kanal nach dem PAL-Demodulator.

Das Color-Plus-Verfahren ist, wie bereits erwähnt, ideal für Bildsignale bei Filmabtastung geeignet. Beim Kamerasignal können in ungünstigen Fällen störende Bewegungsartefakte auftreten. Es wird deshalb eine bewegungsadaptive Bildsignalverarbeitung vorgenommen. Näheres dazu im folgenden Abschnitt bei der Einbindung des ColorPlus-Verfahrens in das PALplus-System.

Bild_3.64.jpg

Bild_3.65.jpg

 

3.5 PALplus-System

In Zusammenarbeit von namhaften Industriefirmen, einiger europäischer Rundfunkanstalten und dem Institut für Rundfunktechnik wurde aus den vorangehend beschriebenen Ansätzen zur Qualitätsverbesserung beim PAL-Verfahren ein neuer Fernsehstandard entwickelt und auf der Internationalen Funkausstellung 1991 unter dem Begriff PALplus der Öffentlichkeit vorgestellt. Als Vorgabe war dabei selbstverständlich die volle Kompatibilität mit dem eingeführten PAL-System zu berücksichtigen, sowohl empfängerseitig als auch weitestgehend auf der Senderseite und bei den hochfrequenten Übertragungskanälen [61, 62, 63].

3.5.1 Merkmale des PALplus-Standards

Der PALplus-Standard beinhaltet neue Eigenschaften sowohl bei der Bild- als auch bei der Tonsignalübertragung. Gegenüber dem eingeführten Standard-PAL-Verfahren bringt das voll kompatible PALplus-System nun folgende Veränderungen bzw. Verbesserungen:

  • Einführung des 16: 9-Bildformates
  • Unterdrückung der Cross-Colour- und Cross-Luminance-Störungen und damit volle Ausnutzung der 5-MHz-Bandbreite für das Leuchtdichtesignal
  • hohe Tonqualität durch digitale Tonsignalübertragung
  • Entzerrung von Echostörungen.

Kompatibilität mit dem eingeführten PAL-System ist gewährleistet. So ist das PALplus Signal in bestehenden 7- bzw. 8-MHz-HF-Kanälen genauso wie in PAL-Satellitenkanälen übertragbar. Das Breitbildformat wird auf dem herkömmlichen 4 : 3-Bildschirm mit den bereits von der Filmübertragung her bekannten schwarzen Streifen am oberen und unteren Bildrand wiedergegeben. Neben der vorgesehenen digitalen Tonsignalübertragung wird auch weiterhin ein analoges FM-Tonsignal übertragen. Die mögliche Entzerrung von Echostörungen ist als zusätzliches technisches Merkmal im PALplus-System vorgesehen. Eine definierte technische Realisierung ist derzeit noch nicht festgelegt.

3.5.2 Kompatible Übertragung im 16:9-Bildformat

Bei der Einführung eines kompatiblen Breitbild-Übertragungsverfahrens standen zunächst verschiedene Verfahren zur Diskussion:

  •  das Letterbox-Verfahren
  •  das Side-Panel-Verfahren
  • das Pan-and-Scan-Verfahren.

Beim Letterbox-Verfahren wird die 16: 9-Bildvorlage so aufbereitet, dass durch Herausnahme von Zeilen aus dem aktiven Raster ein 16 : 9-Breitbild mit verminderter Bildhöhe auf dem 4 : 3-Bildschirm wiedergegeben werden kann. Das Bild erscheint damit als in die Breite gezogenes Rechteck, was zu dem Vergleich mit einem „Briefkasteneinwurf" geführt hat. Am oberen und unteren Bildrand treten dabei breite schwarze Streifen auf.

Das Prinzip des Letterbox-Verfahrens zeigt Bild 3.66. Die Reduzierung der Bildhöhe erfolgt durch Herausnahme jeder vierten Zeile aus dem aktiven 576-Zeilen-Raster. Die verbleibenden 432 Zeilen werden entsprechend zusammengeschoben, womit die aktive Bildhöhe sich auf drei Viertel des ursprünglichen Wertes verringert. Dieses sogenannte „Kernbild" (oder auch „Letterbox-Bild" wird in herkömmlicher Weise durch Leuchtdichte- und Farbartsignal übertragen. Die Leuchtdichteinformation der herausgenommenen 144 Zeilen wird am oberen und unteren Bildrand in je 72 „Helper-Zeilen" so übertragen, daß sie für den Standard-PAL-Empfänger unsichtbar bleibt. Der PALplus-Empfänger jedoch verarbeitet die Zusatzinformation in den „Vertikal-Helfern" und rekonstruiert zusammen mit der Information in den 432 Zeilen des Kernbildes das ursprüngliche Farbbild mit 576 sichtbaren Zeilen im 16: 9-Breitbildformat.

Bild_3.66.jpg

Eine andere Möglichkeit wäre das Side-Panel-Verfahren. Dabei wird von dem 16 : 9-Breitbild ein 4 : 3-Ausschnitt von der Bildmitte nach dem herkömmlichen Standard übertragen und zusätzlich für den 16 : 9-Empfänger die Bildinformation der Seitenstreifen (Side-Panels) nach einer besonderen Aufbereitung, z. B. als Digitalsignal in der Vertikal-Austastlücke, unsichtbar auf dem 4: 3-Bildschirm. Bei der praktischen Erprobung zeigte sich jedoch ein sichtbares Störmuster an den Schnittstellen zwischen dem 4:3-Ausschnitt und den Side-Panels.

Wird der 4: 3-Bildausschnitt variabel, je nach Bildszene, aus dem Breitbild herausgenommen und als Hauptinformation übertragen, dann spricht man vom Panand-Scan- Verfahren.

In diesem Fall wird die Verantwortung für den 4 : 3-Bildausschnitt dem Kameramann übertragen und beansprucht so zusätzlich dessen Aufmerksamkeit.

Beim PALplus-System hat man sich für das Letter-Box- Verfahren entschieden. Die reversible Zeileninterpolation wird nach vereinfachter Darstellung gemäß Bild 3.67 vorgenommen. Die 576 aktiven Zeilen werden dazu in jeweils vier Zeilen, hier mit A, B, C, D bezeichnet, zusammengefasst. Durch eine 4 : 3-Vertikalfilterung werden daraus drei Zeilen, A', B', C' nach der in Bild 3.67 angegebenen Zusammensetzung abgeleitet, deren Information in herkömmlicher Weise durch Leuchtdichte- und Farbartsignal übertragen wird. Die angegebene Gewichtung in den Zeilen bezieht sich auf den Signalinhalt in übereinanderliegenden Bildpunkten.

Bild_3.67.jpg

Die vertikale Unterabtastung hat gewisse Interferenzstörungen zur Folge, die aber durch ein besonderes Verfahren mit vertikaler Bandaufspaltung in Tiefpaß- und Hochpaßanteile weitgehend eliminiert werden.

Die jeweils dritte Zeile, C, wird zusätzlich als sogenannter „Vertikal-Helfer" so übertragen, dass sie für den Standard-PAL-4 : 3-Empfänger unsichtbar bleibt.

Dazu wird das Leuchtdichtesignal dieser Zeile nach Vorverarbeitung einem Hilfsträger, für den die Farbträgerschwingung verwendet wird, durch Restseitenband-Amplitudenmodulation aufgebracht und mit reduzierter Amplitude um den Schwarzwert herum in den jeweils 72 Zeilen am oberen und unteren Bildrand übertragen. Durch die Trägermodulation wird das resultierende Spektrum der Vertikal-Helfer-Signale von niederfrequenten Anteilen befreit, die sonst bei älteren Fernsehempfängern zu Synchronisationsstörungen führen könnten. Die Amplitude des Vertikal-Helfer-Signals wird auf 300 mV Spitze-Spitze-Wert symmetrisch um den Schwarzwert, entsprechend der Burst-Amplitude, festgelegt. Kompatibilitätsuntersuchungen haben ergeben, dass die Sichtbarkeit der Vertikal-Helfer in den schwarzen Letterbox-Streifen ausreichend gering ist.

3.5.3 PALplus-Coder und -Decoder

Das Prinzipschaltbild des PALplus-Coders gibt Bild 3.68 wieder. Ausgehend von den analogen Komponentensignalen Y, U und Verfolgt als erstes die Analog-Digital-Wandlung der Signale, weil der gesamte Signalverarbeitungsprozeß im PALplus-Coder in der

Bild_3.68.jpg

Digital-Ebene abläuft. Tatsächlich wird dem PALplus-Coder in einem digitalen Komponentenstudio das Digital-Serielle-Komponenten-Signal (DSC) mit einer Summenbitrate von 270 Mbit/s zugeführt und in einem Demultiplexer in die digitalen Komponentensignale Y576 sowie CB und CR aufgeteilt, siehe dazu auch Bild 3.71. Auf das Digital-Serielle-Komponenten-Signal wird ausführlich in den Abschnitten 5.2 und 5.3 eingegangen.

Die Zeilen-Konvertierung von den 576 aktiven Zeilen in die 432 Kernbild-Zeilen und die 144 Helper-Zeilen findet in Verbindung mit einem sogenannten „Quadrature Mirror Filter" (QMF) statt. Dabei erfolgt eine Aufspaltung des vertikalen Frequenzbandes in einen tieffrequenten Anteil YVJ und einen hochfrequenten Anteil Yv,H (Bild 3.69). Die Aufspaltung muß absolut komplementär erfolgen, d. h. die Summe der beiden Teilspektren muß bei jeder Vertikalfrequenz sich zu eins ergänzen.

Zur besseren Zuordnung des Vertikalspektrums auf die Gegebenheiten der Letterbox-Konvertierung werden in Bild 3.69 die Spektralkomponenten nicht mit der Dimension „c/ph" angegeben, sondern auf die 576 aktiven Zeilen des Rasterbildes bezogen in „l/ph" (lines per picture height). Die vertikale Aufspaltung in den Yvr-Anteil, der den Hauptanteil des Vertikalspektrums mit den groben Strukturen beinhaltet, und in den Yv,H-Anteil, der dazu ergänzend die vertikalen Feinstrukturen aufweist, erfolgt durch eine dreifache Überabtastung und nachfolgende Unterabtastung mit dem Faktor vier. Durch die Überabtastung mit dem Faktor drei werden im zeitlichen Verlauf zwischen zwei ursprünglichen Abtastwerten zwei neue Werte durch lineare Interpolation eingefügt. Bei der anschließenden Unterabtastung wird nur wieder jeder vierte Abtastwert übernommen.

Bild_3.69.jpg

Auf der Empfangsseite läuft der Vorgang in umgekehrter Richtung ab. Die sich bei der sendeseitigen Bandaufspaltung ergebenden Überlappungsbereiche, die Alias-Störungen hervorrufen könnten, werden durch die komplementäre Ergänzung der Teilbänder auf der Empfangsseite eliminiert.

Bei der vertikalen Bandaufspaltung wird unterschieden in die Vollbild-Verarbeitung (a)) bei einem Quellensignal vom Filmabtaster und in die Halbbild-Verarbeitung (b)) bei einem Kamerasignal. Die Umschaltung von „Kamera-" auf „Film-Betrieb" oder umgekehrt wird von der Signalquelle über ein Datensignal (in den Ancillary Data), das in der Status-Information in der Zeile 23 auch zum Empfänger übertragen wird, automatisch gesteuert. Die Konvertierung des Spektrums der 576 aktiven Zeilen in das Spektrum der 432 Kernbild-Zeilen durch 3-fache Überabtastung und anschließende 4-fache Unterabtastung ist im Ergebnis in Bild 3.69c dargestellt [64, 65, 66]

Bei den Farbdifferenzsignalen U und V (im digitalen Bereich CB und CR) findet nur eine Umsetzung der Zeilenzahl von 576 aktiven Zeilen auf die 432 Zeilen des Kernbildsignales statt.

Das gesamte Kernbild- oder Letterbox-Signal, aus den Anteilen Y432 sowie U (U432 und V (V432), wird nun einer Vorverarbeitung nach dem Prinzip des bewegungsadaptiven Color-Plus-Verfahrens (Motion Adaptive Colour Plus) unterzogen. Dazu gehört die Mittelwertbildung (Intra Frame Averaging, IFA) und die Ableitung einer Information über die Änderung des Bildinhaltes mittels eines Bewegungsdetektors aus den Farbdifferenzsignalen. Ohne Bewegung zwischen zwei zusammengehörigen Halbbildern wird der Mittelwert (durch IFA) des hochfrequenten Leuchtdichtesignales YH (oberhalb von 3,1 MHz) und der beiden Farbdifferenzsignale gebildet und jeweils übertragen. Die Bewegungsentscheidung findet in Teilbereichen des Bildes statt.

Ab einem gewissen Schwellenwert vom Bewegungsdetektor wird von der Mittelwertbildung im Leuchtdichtesignal YH weggeschaltet und der hochfrequente Anteil Y432,H nicht weitergegeben. Die Farbdifferenzsignale werden dann auch nicht der Mittelwertbildung unterzogen und mit der vollen 50-Hz-Bewegungsauflösung übertragen. Die Farbdifferenzsignale werden in jedem Fall im PAL-Modulator in herkömmliche Weise in das Farbartsignal F umgesetzt. Auch wird ein PAL-Burst erzeugt.

Der vertikal hochfrequente Anteil des Leuchtdichtesignales, die Helper-lnformation Y144, wird zunächst mittels eines Tiefpasses horizontalfrequent auf 3 MHz bandbegrenzt, damit nach der Modulation auf den Farbträger keine Spektralanteile unter 1 MHz auftreten können, die u. U. im Empfänger zu einer Störung der Synchronisation führen würden.

Das Leuchtdichtesignal Y144 wird, um die Sichtbarkeit des Helper-Signales im Standard-PAL-Empfänger in den schwarzen Balken am oberen und unteren Bildrand zu vermindern, einer speziellen Signalverarbeitung unterzogen (Bild 3.70). Dazu wird das Signal über eine nichtlineare Amplituden-Vorverzerrung nach höheren Signalwerten hin komprimiert und bei 70% BA-Wert auf eine maximale Spannung von 350 mV begrenzt. Geringe Signalamplituden werden dadurch besser über das Rauschen angehoben.

Bild_3.70.jpg

Anschließend wird dieses Signal einer Farbträgerschwingung mit 00 -Phase in der Amplitude aufmoduliert, mit Trägerunterdrückung und Seitenband-Filterung mittels eines NYQuist-Filters, so dass das Modulationsprodukt einer Einseitenband-AM zustande kommt. Durch die schon vor dem Modulator vorgenommene Tiefpaß-Bandbegrenzung des Y144-Signales auf 3 MHz reicht das Seitenband nur bis etwa 1 MHz herunter.

Das modulierte Helper-Signal wird symmetrisch zum Schwarzwert übertragen, mit einer maximalen Spannung entsprechend dem Burst-Pegel.

Im Gegensatz zu der Darstellung in Bild 3.68 erfolgt die Modulation des Farbträgers beim digitalen PALplus-Coder von den Farbdifferenzsignalen CB und CR, die eine unterschiedliche Matrizierung gegenüber den analogen Farbdifferenzsignalen U und V aufweisen:

Rechnung_3.5.jpg

Es ist deshalb noch eine Skalierung notwendig. Wie schon erwähnt, wird in dem Datensignal der Zeile 23 eine Information über das Quellensignal (Kamera oder Film) übertragen. Dazu kommen noch weitere Daten, worauf im folgenden Abschnitt unter dem Begriff „Statusbit-Signalisierung" noch näher eingegangen wird.

Die für den PALplus-Coder notwendigen Funktionsgruppen kann man in einem vereinfachten Blockschaltbild gemäß Bild 3.71 zusammenfassen [67, 68, 69].

Bild_3.71.jpg

Bei der Decodierung des PALplus-Signales läuft die im Coder vorgenommene Signalverarbeitung wieder rückgängig ab. Das bedeutet, dass, nach Abtrennung und Auswertung der Statusbit-Information auf Zeile 23, das Farbartsignal 17432 und das Helper-Signal Y Helper demoduliert werden und die Farbdifferenzsignale „U432" und „V432" zusammen mit dem hochfrequenten Anteil Yh des Kernbildsignales Y432 dem bewegungsadaptiven Color-Plus-Decodierprozeß unterworfen werden. Aus Bild 3.72 ist dies zu ersehen. Das Helper-Signa1 Y Helper wird mittels des im Empfänger regenerierten Farbträgers (0 0 -Phase) synchron demoduliert. Bei der Demodulation des PALplus-Farbartsignales kann man auf den PAL-Laufzeit-Decoder verzichten und, wie bei NTSC, das Farbartsignal mit einem Referenzträger in 0 0 -Phasenlage bzw. mit dem geschalteten ± 90 0 -Referenzträger synchron demodulieren. Bei der digitalen Aufbereitung des PALplus-FBAS-Signales aus dem Quellensignal vom digitalen Komponentenstudio treten praktisch keine statischen oder differentiellen Phasenfehler auf. In dem inversen Letterbox-Filter erfolgt die Rückumsetzung der durch Kernbildsignal und Helper-Signal übertragenen Zeilen in das ursprüngliche 576-Zeilen-Raster mit dem 16:9-Bildformat. Auch hier findet wieder eine Unterscheidung in die Betriebsart „Kamera-" oder „Film Betrieb" statt, die in den Statusbits übertragen wird.

Die Demodulation und Decodierung des PALplus-Signales im Empfänger wird in der praktischen Realisierung mit digitalen Signalen vorgenommen. Man verwendet dazu Signalprozessoren (Serial Video Processor, SVP), die auf die verschiedenen Aufgaben programmiert sind. Ein vereinfachtes Blockschaltbild nach Bild 3.73 zeigt die Funktionsgruppen in einem digitalen PALplus-Decoder.

Bild_3.72.jpg

Bild_3.73.jpg

Aufgabe des Signalprozessors SVP 1 ist die bewegungsadaptive Color-Plus-Decodierung, d. h. die Mittelwertbildung für die Bereinigung des hochfrequenten Anteils YH des Leuchtdichtesignales „Y432" und der beiden Farbdifferenzsignale U432 und V432 („CB" und „CR"). Im Signalprozessor SVP 2 wird die inverse Vertikalkonvertierung, d. h. die Umsetzung der Letterbox- und Helper-Signale in das 576-Zeilen-Raster vorgenommen [70].

3.5.4 Statusbits-lnformation

Die Signalverarbeitung im PALplus-Coder und -Decoder erfolgt abhängig von dem Quellensignal (Kamera oder Filmabtaster) und sie wird auch davon abhängig sein, ob 16: 9-Bildmaterial oder noch 4: 3-Bildmaterial vorliegt. Darüber hinaus treten bei der Letterbox-Übertragung Probleme mit den Untertiteln zum Bild auf. So wird es erforderlich, einige Informationen aus dem Studio an die Empfänger weiterzugeben.

Festgelegt wurden nun innerhalb eines Datenwortes mit 14bit vier Funktionsgruppen, die folgende Information beinhalten:

Gruppe 1 Bildformat
Es wird unterschieden:
Vollformat 4: 3, Letterbox 16: 9, Letterbox 14 : 9, Vollformat 16:9 und einige Varianten davon.
Diese Information wird mit 3 bit, geschützt durch ein Paritätsbit, übertragen.

Gruppe 2 Verbesserte Dienste. Hierin wird übertragen:
Kamera-Mode oder Film-Mode, Standard-PAL oder bewegungsadaptives Color-Plus, Helper-Signal PALplus übertragen oder nicht.
Die Codierung erfolgt mit 4 bit, wobei nur 3 bit ausgenutzt werden.

Gruppe 3 Untertitel
Man überträgt mit 3 bit, ob Untertitel im Teletext übertragen werden oder nicht, und ob sie innerhalb oder außerhalb des aktiven Bildes liegen.

Gruppe 4 (3 bit) ist noch nicht mit Information belegt.
Die Daten werden übertragen in der ersten Hälfte der Zeile 23, die gemäß dem CCIRStandard 624 noch zur Vertikalaustastlücke gehört (Bild 3.74). Aus den Erfahrungen mit der Datenzeile 16 (siehe Abschnitt 9.3) wurde der gegen Rauschen, Echos und Frequenzgangstörungen sehr robuste Bi-Phase-Code gewählt. Die Bitdauer beträgt TBit = 1,2 für jeweils zwei Bi-Phase-Elemente mit je 600 ns, basierend auf einem 5-MHz Systemtakt (Bild 3.75).

Bild_3.74.jpg

Die Statusbits-Daten beginnen mit einer

Run-In-Folge mit 29 Taktelementen, entsprechend 29 x 0,2 us, gefolgt von dem

Start-Code mit 24 Taktelementen, entsprechend 24 x 0,2 us.

Es schließen sich die eigentlichen 14 Informationsbits an, mit 14 x 1,2 us, woraus sich für das Datenpaket eine Gesamtdauer von 27,4 us ergibt [71].

3.5.5 Referenzsignale

Erst nach offizieller Veröffentlichung der PALplus-Systemspezifikation im Juni 1994 wurde bekannt, dass von den im 270 Mbit/s-Eingangsdatenstrom ankommenden 576 aktiven Zeilen nach Verarbeitung im PALplus-Coder nur 574 aktive Zeilen in das PALplus-Signal übernommen werden. Es sind dies die Zeilen 24 bis 310 und 336 bis 622, wobei sich nun gegenüber den bisherigen Ausführungen die Kernbild- oder LetterboxZeilen auf 2 mal 215, d.h. insgesamt 430 verringern.

Die Zeile 23 ist gegenüber der Darstellung in Bild 3.74 in der zweiten Hälfte nicht mehr mit Bildinhalt belegt. Sie enthält vielmehr einen Helper-Referenz-Burst, in dem über etwa 1 1 us eine Folge von 48 Farbträgerschwingungen mit einer Spitze-Spitze-Amplitude von 300 mV und der Phasenlage 180S0 übertragen wird (Bild 3.76 a). Dieser Amplitudenwert gilt auch als Maximalwert für die Helper-Signale. Er muss aber auch in einer definierten Beziehung zum Weiß Wert des Leuchtdichtesignales in den Kernbild-Zeilen stehen, weshalb zusätzlich in der nun von Bildinhalt freigehaltenen ersten Hälfte der Zeile 623 ein 10 us breiter Impuls als Weiß-Referenzwert eingebracht wird (Bild 3.76b).

Bild_3.76.jpg

3.5.6 Digitale Tonsignalübertragung

Innerhalb des PALplus-Systems ist auch die digitale Tonsignalübertragung vorgesehen. In der Einführungsphase (ab 1995) kommt dieses Merkmal aber noch nicht zum Tragen, weil noch eine gewisse Koordinierung mit anderen Diensten mit digitaler Tonsignalübertragung erfolgen muß.

In einigen Ländern Europas wurde im Zusammenhang mit der Zweiton-Übertragung das NICAM-Verfahren eingeführt (siehe Abschnitt 1.4.3). Dabei wird auf einem zweiten HF-Tonträger im Abstand von 5,85 MHz zum Bildträger ein Stereo-Tonsignal mit einer Gesamtbitrate von 728 kbit/s durch 4-PSK übertragen. Der Aufbereitung des digitalen Tonsignales liegt eine Codierung mit 14 bit/Abtastwert zugrunde. Am Institut für Rundfunktechnik (IRT) in München wird seit einiger Zeit an einem Verfahren gearbeitet, mit dem auf den ersten HF-Tonträger neben dem analogen Tonsignal (Ton 1 oder L+R) ein zusätzliches digitales Stereo-Tonsignal, das durch 16-QAM auf einen Hilfsträger bei der Frequenz 4 • fh = 62,5 kHz moduliert wird, durch Frequenzmodulation aufgebracht wird. Der Hilfsträger ist mit der Zeilenfrequenz sowohl frequenz- als auch phasenmäßig verkoppelt, so daß sich im Empfänger eine einfache Hilfsträger-Regenerierung aus dem Zeilensynchronsignal ableiten läßt. Das übertragene digitale Tonsignal ist nach dem MUSICAM-Verfahren (Masking Pattern Universal Subband Integrated Coding and Multiplexing) [72] aufbereitet und weist eine Bitrate von 192 kbit/s auf. Das 16-QAMModulationsprodukt belegt ein Frequenzband von etwa 20 bis 105 kHz [73].


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