TV Technik

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6. Hochauflösendes Fernsehverfahren: HDTV

Die im Abschnitt 1.3 angeführten Überlegungen zu einem HDTV-Signal bezogen sich im Wesentlichen auf die Parameter der Bildabtastung und das sich dabei ergebende Helligkeitssignal. Tatsächlich muss natürlich von den Farbwertsignalen R, G, B ausgegangen werden bzw. von dem daraus abgeleiteten Leuchtdichtesignal Y und von noch festzulegenden Farbdifferenz- oder Chrominanzsignalen.

6.1 Parameter des HDTV-Verfahrens

Neben den für Europa festgelegten Standardwerten, wie

— 1250 Zeilen, davon 1152 aktive Zeilen

— Bildwechselfrequenz 50 Hz

— zunächst progressive Abtastung

— Bildseitenverhältnis 16: 9,

wurden im Projekt Eureka EU 95 pro aktive Zeile noch festgelegt:

— 1920 Abtastwerte für das Leuchtdichtesignal und  

-- 960 Abtastwerte für das Chrominanzsignal.

Das Chrominanzsignal wird gebildet aus den beiden Komponenten

— Chrominanz-Breitbandsignal (Wideband) Cw und

— Chrominanz-Schmalbandsignal (Narrowband) CN, die wiederum gemäß den Matrixgleichungen

Formel_6.1.jpg

aus den Farbwertsignalen abgeleitet werden.

Ähnlich wie beim NTSC-Verfahren mit den I- und Q-Signalen, die auf Achsen maxima1er und minimaler Farbempfindung basieren, wurden für das hochauflösende Fernsehverfahren von der Internationalen Beleuchtungskommission (IBK, auch CIE bzw. ICI) 1976 zwei Achsen in der Farbtafel festgelegt, für ein Breitband-Chrominanzsignal Cw, etwa auf der Verbindungslinie von Cyan nach Rot und ein Schmalband-Chrominanzsignal CN, etwa mit der Achse von Blau über den Weißpunkt nach Gelb (Bild 6.1). Beide Chrominanzsignale zusammen übertragen alle Farben in dem durch die Primärfarben Rot, Grün und Blau begrenzten Dreieck.

In dem durch die Normlichtart D65 bestimmten Weißpunkt sind die Farbwertanteile R = G = B untereinander gleich und die Chrominanzsignale Cw = CN = 0. Die beim PAL-Verfahren übertragenen Farbdifferenzsignale U und V sind zum Vergleich in Bild 6.1 gestrichelt eingezeichnet [9].

Das Leuchtdichtesignal wird nach wie vor gemäß der Matrizierung übertragen.

Formel_6.3.jpg

 

Bild_6.1.jpg

Die Bandbreite des Leuchtdichtesignales wird aus technischen Gründen auf 25 MHz beschränkt. Die Chrominanzsignale werden mit unterschiedlicher Bandbreite auf 7 MHz beim Breitbandsignal Cw und auf 5,5 MHz beim Schmalbandsignal CN begrenzt.

In dem Projekt Eureka 95 sind für den HDTV-Produktionsstandard drei Qualitätsstufen vorgesehen:

der übergeordnete HDP-Standard (High Definition Progressive),
ein nachgeordneter HDQ-Standard (High Definition Quincunx) und
der untergeordnete HDI-Standard (High Definition Interlace),
bei dem mit dem Zeilensprungverfahren gearbeitet wird.

Beim HDP-Standard wird von einem orthogonalen Raster mit 1920 Bildpunkten pro aktiver Zeile und 1152 aktiven Zeilen ausgegangen. Die Abtastwerte für das Leuchtdichtesignal und das Chrominanzsignal liegen aufeinander bzw. untereinander, wie aus Bild 6.2a zu entnehmen ist.

Die Auflösungsgrenzen liegen für das Leuchtdichtesignal bei 960 c/pw horizontal und 576 c/ph vertikal, im aktiven Bildteil, und für das Chrominanzsignal bei 480 c/pw und 288 c/ph (Bild 6.2b).

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Die Abtastfrequenz beträgt fA,Y = 144 MHz bei 1920 Abtastpunkten für das Leuchtdichtesignal bzw. fA,C = 36 MHz bei 480 Abtastpunkten für das Chrominanzsignal Cw bzw. CN.

Die Abtastperiodendauer für das Leuchtdichtesignal beträgt etwa TA,Y = 7 ns. Das Chrominanzsignal setzt sich aus alternativ in der Zeile entnommenen Abtastwerten des Cw-Signales und des CN-Signales zusammen.

Die Abtastperiodendauer hat den Wert TA,CW = TA,CN = 28 ns.

Die Dauer der aktiven Zeile ergibt sich zu Th, akt = 1920 • 6,944 ns = 2 • 480 • 13,888 ns = 13,33 us. Mit einer Zeilenwechselfrequenz oder Horizontalfrequenz von fh 1250 • 50 Hz = 62,6 KHz liegt die Zeilendauer bei Th = 16 µs.

Bei Codierung der Abtastwerte mit N = 8 bit pro Abtastwert berechnet sich eine Gesamtbitrate für das serielle Multiplexsignal von

Rechnung_6.1.jpg

Beim nachgeordneten HDQ-Standard reduziert sich die Datenrate bereits beträchtlich, weil hier die Abtastwerte für das Leuchtdichtesignal in Quincunx-Anordnung von Zeile zu Zeile versetzt nur bei jedem zweiten ursprünglichen Abtastort genommen werden (Bild 6.3a).

Es kann nicht mehr gleichzeitig volle horizontale und vertikale Auflösung für das Leuchtdichtesignal vorliegen, d.h. die Diagonalauflösung wird reduziert, siehe dazu Bild 6.3b. Das menschliche Auge ist jedoch weniger empfindlich auf Diagonalauflösung als auf Horizontal- oder Vertikalauflösung. Die Auflösung für das Chrominanzsignal bleibt unberührt.

Bild_6.3.jpg

Die Abtastfrequenzen betragen nun fA,Y = 72 MHz bei 960 Abtastpunkten für das Leuchtdichtesignal und unverändert fA,C = 36 MHz bei 480 Abtastpunkten für das Chrominanzsignal Cw bzw. CN. Die Abtastperiodendauer beim Leuchtdichtesignal liegt jetzt bei etwa TA,Y = 14 ns.

Die Gesamtbitrate für das serielle Datensignal wird in diesem Fall

Rechnung_6.2.jpg

Dem untergeordneten HDI-Standard mit Zeilensprung liegt wieder ein orthogonales Abtastraster zugrunde. Die 1250 Zeilen sind jetzt aber auf zwei Halbraster mit je 625 Zeilen aufgeteilt. Bei einer Halbbildwechselfrequenz von fv = 50 Hz beträgt nun die Horizontalfrequenzfh = 31,25 kHz bzw. die Zeilendauer Th = 32 µs. Die Abtastung der Bildpunkte erfolgt mit fA,Y = 72 MHz für das Leuchtdichtesignal, mit nun wieder 1920 Abtastwerten im Abstand TA, Y = 14 ns, bzw. mit fA,C = 36 MHz für das Chrominanzsignal im zeitlichen Abstand TA, cw = TA, Cn = 28 ns (Bild 6.4).

Die Auflösungsgrenzen betragen 960 c/pw in der Horizontalen und, wegen des Zeilensprungverfahrens reduziert, etwa 365 c/ph in der Vertikalen. Die Bitrate des seriellen Multiplexsignales beträgt jetzt wie beim HDQ-Verfahren ebenfalls rBit = 1,152 Gbit/s [97].

Die aktive Summenbitrate beim digitalen HDTV-Signal berechnet sich mit dem

HDP-Standard zu rbit = 1,327 Gbit/s

HDQ-Standard rbit = 884,736 Mbit/s

      HDI-Standard      rbit = 884,736 Mbit/s.

Ein vielfach benutzter weiterer Standard, die „HDTV-Referenzqualität", bezieht sich auf reduzierte Horizontalauflösung mit — gegenüber der CCIR-601-Qualität verdoppelter Zahl — nun 1440 Abtastwerten pro aktive Zeile für das Leuchtdichtesignal und Zeilensprungverfahren. Die Netto-Bitrate ist hier 663,532 Mbit/s.

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6.2 Übertragung eines HIJTV-Signales nach dem MUSE-Verfahren

Das von der HDTV-Kamera oder vom Filmabtaster gelieferte Signal weist eine maximale Videofrequenz beim Leuchtdichtesignal auf von

Rechnung_6.3.jpg

Mit Berücksichtigung eines KELL-Faktors von etwa 0,65 erhält man die Bandbreite des Leuchtdichtesignales dann mit Bvideo  50 MHz bzw. 25 MHz.

Die Übertragung eines HDTV-Signales im Frequenzmultiplex ist zwar Anfang der achtziger Jahre in Japan diskutiert worden (Half-Line-Offset-PAL-Verfahren), es kam jedoch wegen der notwendigen hohen Übertragungsbandbreite nicht zur Einführung [9]. Ein anderer Weg führte über eine Bandbreitereduktion durch Unterabtastung zur Zeitmultiplex-Übertragung vom Luminanz und Chrominanz.

Bereits im Jahr 1988 übertrug die NHK (Nippon Hoso Kyokai) anlässlich der Olympischen Sommerspiele in Seoul über einen Direktempfangssatelliten einen Teil ihrer Berichte nach der japanischen HDTV-Norm über einen 8-MHz-Videokanal. Zur Anwendung kam dabei das von der NHK entwickelte MUSE-Verfahren (Multiple Sub Nyquist-Sampling Encoding).

Das Grundprinzip des MUSE-Verfahrens basiert auf der Austauschbarkeit von Bandbreite und Übertagungsdauer. So kann z. B. ein Videosignal mit 5 MHz Bandbreite als Teilbild in einer 1/25 s über einen 5-MHz-Kanal übertragen werden oder ein Teilbild eines HDTV-Signales mit 20 MHz Bandbreite in 4 mal 1/25 s über den gleichen 5-MHz Kanal. Sowohl auf der Sendeseite als auch auf der Empfangsseite erfordert dieses Verfahren allerdings eine Speicheranordnung, die ähnlich ja schon vom MAC-Verfahren bekannt ist. Am Beispiel einer einfachen Bildvorlage mit 24 Bildpunkten im Halbbild sei dieses Prinzip der „Unterabtastung" (Sub-Nyquist-Sampling) demonstriert (Bild 6.5).

Die Bildauflösung wird bei jedem Abtastvorgang auf ein Viertel reduziert. Insgesamt jedoch erhält man auf der Empfangsseite nach entsprechend schnellem Auslesen des Speichers jedes Teilbild mit der vollen Auflösung zurück, allerdings ein neues Teilbild erst nach 4 x 1/25 s = 160 ms. Das Verfahren funktioniert prinzipiell deshalb nur für ruhende oder nur sehr langsam bewegte Bildvorlagen.

Beim MUSE-Verfahren wird nun nach einer Reihe von komplizierten Prozessen über einen Bewegungsdetektor zunächst festgestellt, ob im Bild eine Bewegung vorhanden ist. Bewegte Bildteile werden dann mit verminderter Auflösung wiedergegeben, was vom Auge nicht als störend empfunden wird. Bei einer langsamen Bewegung des gesamten Bildes wird eine Zusatzinformation übertragen, die im Empfänger dafür sorgt, dass quasi ein stehendes Bild wiedergegeben wird.

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Für die von der HDTV-Quelle kommenden Signale wird eine Bandbreite von festgelegt:

20 MHz beim Leuchtdichtesignal Y

    7 MHz beim Chrominanzsignal Cw 

5,5 MHz beim Chrominanzsignal CN

Die Bildwechselfrequenz beträgt 30 Hz. Bei 1125 Zeilen ergibt das eine Zeilenwechselfrequenz von 33 750 Hz bzw. eine Zeilendauer von etwa 29,63 us. Während des aktiven Teils der Zeile (Hinlauf) erscheint das Leuchtdichtesignal Y im Zeitmaßstab 1:1. Innerhalb der Zeilenrücklaufzeit werden zeilenweise alternierend die Chrominanzsignale Cw und CN zeitlich im Verhältnis 4:1 komprimiert übertragen (Bild 6.6). Dieses Verfahren wird als „Time Compressed Integration of Line Colour Signals" (TCI) bezeichnet. Durch die Zeitkompression wird die Bandbreite des Cw-Signales auf 28 MHz erhöht. Mit der Bandbreitenreduktion durch die Unterabtastung um den Faktor 4 gelangt man jedoch wieder unterhalb die Bandgrenze des 8 MHz Übertragungskanales. Ein Begleitton wird in der Vertikal-Austastlücke übertragen.

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Der MUSE-HDTV-Empfänger benötigt eigentlich zwei Vollbildspeicher mit je 10 Mbit Speicherkapazität. Den Speicheraufwand kann man reduzieren, wenn gewisse Störungen in Kauf genommen werden [9]. Das Verfahren wurde bereits 1984 vorgestellt. Es zeigt bei ruhenden Bildvorlagen bemerkenswert gute Ergebnisse. Eine ausführliche Beschreibung findet sich in [98]. Durch die Entwicklung moderner Datenkompressionsverfahren und, damit verbunden, die bevorstehende Einführung der digitalen Fernsehsignalübertragung denkt man jedoch in Japan nun daran, das HDTV-System „Hi-Vision", das mit dem MUSE-Verfahren arbeitet, aufzugeben. Nicht zuletzt liegt der Grund auch in den sehr teuren MUSE-Decodern [99].

6.3 Übertragung eines HDTV-Signales nach dem HD-MAC-Verfahren

Mit dem MAC-Zeitmultiplex-Verfahren wurde bereits eine merkliche Qualitätsverbesserung gegenüber den eingeführten Übertragungs-Standards erreicht. Deren Grenzen sind jedoch aufgrund der Bildaufnahmetechnik mit 625 Zeilen gegeben. Im Rahmen des Eureka-95-Projektes war auch ein HDTV-Übertragungsverfahren vorgesehen, das auf dem MAC-Verfahren basiert und zu diesem abwärtskompatibel ist.

Anlässlich der Olympischen Winterspiele 1992 in Albertville und insbesondere bei den Olympischen Sommerspielen 1992 in Barcelona wurde das „High-Definition-MAC-Verfahren" HD-MAC im praktischen Einsatz demonstriert, mit Wiedergabe der übertragenen HDTV-Bilder auf HD-MAC-Empfängern mit 1250-Zeilen-Raster oder kompatibel auf D2-MAC-Empfängern mit 625-Zeilen-Raster. Die Ergebnisse wurden unterschiedlich beurteilt, waren aber im Wesentlichen sehr gut.

Bei HD-MAC liegt eine gewisse Ähnlichkeit mit MUSE vor, weil auch hier ein Austausch von Bandbreite gegen Übertragungsdauer vorgenommen wird. Es werden analoge Signalabtastwerte der zeitkomprimierten Leuchtdichte- und Farbdifferenzsignale sowie ein digitales Synchron- und Ton-Daten-Signal wie bei D-/D2-MAC übertragen. Das HDMAC-Signal weist eine Video-Bandbreite von etwa 10 MHz auf und kann damit, wie ein D2-MAC-Signal, durch Frequenzmodulation im Satellitenkanal oder durch Restseitenband-Amplitudenmodulation in einem 12 MHz Kanal im Breitband-Kabelnetz übertragen werden.

Beim HD-MAC-Verfahren wird von einer HDTV-Signalquelle mit HDI-Standard, d. h. genau genommen von der „Referenzqualität" mit 1440 Bildpunkten pro Zeile ausgegangen. Die Bandbreite des Quellensignales beträgt damit etwa 20 MHz. Im HDMAC-Coder wird daraus ein D2-MAC-kompatibles Signal mit 625 Zeilen, 50 Hz und Zeilensprung aufbereitet.

Das HD-MAC-Videosignal wird durch eine Folge von Abtastwerten mit der Frequenz von 20,25 MHz übertragen. Die Bandbreite des Basisband-Übertragungskanales muß dazu mindestens die 1. NYQUIST-Bedingung mit B = 10,125 MHz erfüllen, bezogen auf den 50%-Wert einer Übertragungsfunktion mit cos2-Roll-Off-Verlauf. Mit einem Roll-Off-Faktor von r = 0,1 beträgt dann die praktisch notwendige Bandbreite etwa 11 MHz.

Der Ton-/Daten-Burst ist identisch bei D-/D2-MAC und EID-MAC. Bei HD-MAC wird zusätzlich innerhalb der Vertikal-Austastlücke in zweimal 20 Zeilen ein DATV-Signal (Digital Assisted TV) mit 20,25 Mbit/s, duobinär codiert, für den HD-MAC-Decoder übertragen.

Die Aufbereitung des Videosignales geschieht beim HD-MAC-Verfahren über eine bewegungsadaptive 3 Wege Signalverarbeitung. Die Bildvorlage wird dazu in eine größere Anzahl von Einzelfeldern (Blöcke) aufgeteilt und die jeweilige Bildinformation in Abhängigkeit von der Bewegung im Einzelfeld mit unterschiedlicher Teilbilddauer übertragen. Die Videobandbreite kann so auf etwa 10 MHz begrenzt werden [97].

Über die 3-Wege-Signalverarbeitung (Bild 6.7) findet eine Aufbereitung des Videosignales in den Bildbereichen statt:

  • mit wenig Bewegung über 4 Teilbilder hinweg (in 80 ms) mit voller Ortsauflösung, gemäß den 1250 Zeilen
  • mit mehr Bewegung über 2 Teilbilder hinweg (in 40 ms) mit verminderter Auflösung
  • mit viel Bewegung in 50 Halbbildern/s (20 ms pro Halbbild) und einer Ortsauflösung gemäß 625 Zeilen.

Bild_6.7.jpg

6.3.1 Bildsignalaufbereitung über 3-Wege-Signalverarbeitung

Das Prinzip des HD-MAC-Coders ist in Bild 6.8 dargestellt. Die ankommenden RGB Quellensignale werden im Analog-Digital-Wandler in Verbindung mit einer digitalen Matrix in die HDTV-Komponentensignale HD—Y und HD— CBCR umgewandelt. Nach entsprechender Vorverarbeitung, d.h. im wesentlichen digitale Filterung, werden die Komponenten des Leuchtdichtesignales, Y80, Y40 und Y20 der Entscheidungseinheit zugeführt und dort mit dem Referenzsignal verglichen. Die Entscheidung, welcher Signalweg aus „80 ms", „40 ms" oder „20 ms" gewählt wird, geht direkt und im DATV-Signal codiert an den HD-MAC-Multiplexer. Auch wird die Chrominanzsignal-Verarbeitung, d. h. digitale Filterung, von der Entscheidungseinheit her gesteuert. Das digitale Tonsignal muß der Verzögerung im Bildsignal durch die umfangreiche digitale Signalverarbeitung angepaßt werden [100]. Zur digitalen Verarbeitung des HDTV-Quellensignales erfolgt in einem ersten Schritt die Abtastung des

Leuchtdichtesignales mit einer Abtastfrequenz von fA = 54 MHz, entsprechend der Abtastperiodendauer TA = 18,5 ns und der

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Chrominanzsignale mit einer Abtastfrequenz von fA = 27 MHz, entsprechend der Abtastperiodendauer TA = 37 ns.

Mit nun 1440 Abtastwerten des Leuchtdichtesignales beträgt die maximal mögliche Auflösung in horizontaler Richtung 720 c/pw und liegt damit zwischen der Auflösung nach CCIR 601 (360 c/pw) und der HDTV-Studionorm mit 960 c/pw.

Die Abtastung des 1250-Zeilen-HDTV-Signales erfolgt in einem orthogonalen Raster mit 54 MHz Impulsen. Die von zwei zusammengehörigen Halbbildern gewonnenen Abtastwerte werden als Vollbild in einem Speicher abgelegt. Im weiteren erfolgt dann in parallelen Zweigen nach digitaler Tiefpaß-Filterung eine Unterabtastung (Sub Sampling, SS) im Quincunx-Raster mit einer Abtastfrequenz von:

27 MHz im 80 ms und im 40 ms Modus bzw.
13,5 MHz im 20 ms Modus (Bild 6.9).

Damit wird vom ursprünglichen Leuchtdichtesignal nur jeder zweite bzw. sogar nur jeder vierte Bildpunkt in einer Zeile weiter verarbeitet. Es folgt im 80-ms- und im 20-ms-Modus ein zeilenweise alternierendes Zusammenfassen von Abtastwerten im sogenannten „Line Shuffling" (LS). In Bild 6.10 ist dieser Vorgang, ausgehend von einem HD-Vollbild bis zur Übertragung durch vier Standard-Auflösung-Halbbildern (SD-HB), für den 80-ms-Modus darstellt sowie die Wiedergabe der übertragenen Bildpunkte beim HD-MAC-Empfänger mit 1250 Zeilen bzw. beim D2-MAC-Empfänger mit 625 Zeilen.

Im 40 ms-Modus wird nur jeweils das erste HD-Halbbild im Quincunx-Raster abgetastet. Das sich daraus ergebende Signal wird — wegen der Kompatibilitätsforderung — mittels synthetischem Zeilensprung (SI) übertragen. Bei der Wiedergabe ist eine Wiederholung eines HD-Halbbildes nur bei sehr geringer Änderung zwischen den Halbbildern tolerierbar. Es wird deshalb ergänzend eine bewegungsadaptive Interpolation der Bildpunkte im zweiten Halbbild vorgenommen, um ein Zittern in der Bewegungsphase zu vermeiden. Man überträgt dazu im DATV-Signal alle 40 ms einen Bewegungsvektor, der für einen Block mit 16 x 8 Bildpunkten gilt, und über den im jeweils zweiten HD-Halbbild ein Mittelwert für den bewegten Bildbereich berechnet wird [101, 102].

 

Bild_6.9.jpg

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Im 20 ms Modus erfolgt aus dem 54 MHz Abtastraster heraus eine Unterabtastung mit 13,5 MHz, so daß nur jeder vierte Bildpunkt übernommen wird. Die Bildauflösung in horizontaler und vertikaler Richtung ist nun auf die bei Standard-TV üblichen Werte von 360 c/pw und 288 c/ph reduziert. Es ist jedoch volle Bewegungsauflösung gewährleistet. Beim HD-MAC-Verfahren findet in jedem Signalverarbeitungszweig eine Datenreduktion um den Faktor vier statt: Im 80-ms-Modus werden von den 1.658.880 Abtastwerten des aktiven Vollbildes (40 ms) aus dem 54-MHz-Abtastraster durch Unterabtastung mit 27 MHz, wiederum bezogen auf 40 ms, nur 414.720 Abtastwerte übertragen. Im 40-ms-Modus werden nach Unterabtastung eines HD-Halbbildes mit 27 MHz in zwei SD-Halbbildern (2 mal 20 ms) auch 414.720 Abtastwerte übertragen.

Im 20-ms-Modus schließlich werden nach Unterabtastung eines HD Vollbildes mit 13,5 MHz in zwei SD Halbbildern ebenfalls 414.720 Abtastwerte übertragen. Die Wiedergabe des HD-MAC Vollbildes erfolgt in jedem Fall durch 829.440 Bildpunkte. Diese erhält man im 80-ms Modus nach vier übertragenen SD Halbbildern, im 40-ms Modus durch Wiederholung der übertragenen Bildpunkte mit Bewegungsinterpolation und im 20-ms-Modus durch zweifache Wiedergabe der übertragenen Bildpunkte.

6.3.2 D-/D2-MAC-kompatible Übertragung des Bildsignales

Neben der Forderung nach Übertragung eines 625-Zeilen-Signales mit Zeilensprung, die wie oben beschrieben erfüllt wird, gilt es noch, das zeitkomprimierte Videosignal über einen 10-MHz Tiefpaßkanal zu bringen. Wie eingangs schon angeführt, wird das zeitkomprimierte HD-MAC-Videosignal durch eine Folge von Abtastwerten mit 20,25 MHz Abtastfrequenz übertragen. Am Beispiel des Leuchtdichtesignales sei dies näher erläutert. Das von der Signalaufbereitung kommende digitale Signal, das eine entsprechende Analogsignal-Bandbreite von 10 MHz aufweist, wird durch Offset-Unterabtastung im 13,5-MHz-Takt in einen Zwischenspeicher eingelesen und zeitkomprimiert mit der Auslesefrequenz von 20,25 MHz nach Digital-Analog-Wandlung in Form schmaler Impulse wieder entnommen.

Die Unterabtastung des 10-MHz-Videosignales mit 13,5 MHz hätte eigentlich ein Aliasing zur Folge. Dies aber ist nicht der Fall, wenn die Abtastung im Quincunx-Raster erfolgt. Unter der vereinfachten Annahme, dass das Bildsignal in zwei aufeinanderfolgenden Zeilen gleich ist, ergibt sich durch diese Offset-Abtastung eine Phasenumkehr des um die Abtastfrequenz gefalteten Signalspektrums von Zeile zu Zeile und damit insgesamt eine Kompensation. Das Basisband-Spektrum ist in beiden Fällen gleichphasig. Dasselbe gilt auch für die Abtastung des zeitkomprimierten Videosignales mit einem 20,25-MHz-Abtastpuls. Siehe dazu Bild 6.11.

Bild_6.11.jpg

 

Die Übertragung des HD-MAC-Signales muss nun in einem MAC-kompatiblen Kanal mit etwa 10 MHz Bandbreite möglich sein. Dazu bezieht man sich auf das erste NYQUIST-Theorem, wonach von einem periodischen Impulssignal mindestens die 1. Harmonische des schnellstmöglichen Signalwechsels zu übertragen ist. Dies kann geschehen über einen idealen Tiefpaß mit der Bandbreite B gleich dieser maximalen Signalfrequenz, was allerdings mit starken Vor- und Nachschwingern gemäß der Systemreaktion des idealen Tiefpasses (si-Funktion) verbunden ist. Das in der Impulsfolge enthaltene Signal kann aber auch dann eindeutig zurückgewonnen werden, wenn der Tiefpaß eine zur Bandbreite B symmetrische Übertragungsfunktion mit Roll-Off-Verhalten aufweist. Je nach dem Roll-Off-Faktor erhält man ein mehr oder weniger starkes Überschwingen. Das Überschwingen würde nahezu verschwinden bei einem Roll-Off-Faktor von r = 1, aber damit wäre die insgesamt notwendige Übertragungsbandbreite gleich dem zweifachen Wert von B.

Als Kompromiß wählte man nun für die Übertragung des HD-MAC-Signales einen cos2-Roll-Off-Tiefpass mit einer 50%-Bandbreite B = 10,125 MHz und einem Roll-cos-Roll-Off-Tiefpaß mit Roll-Off-Faktor von r = 0,1. Die Systemreaktion dieses Tiefpasses auf eine Impulsfolge ergibt Nulldurchgänge im Abstand von 1/2B = 49,38 ns, so daß bei Abtastung des resultierenden Signales am Ausgang des Tiefpasses im phasenrichtigen Takt mit der Abtastfrequenz fA = 20,25 MHz die ursprünglichen Signalabtastwerte wieder eindeutig zurückgewonnen werden können. Durch zeilenweise Offset-Abtastung kompensiert sich wieder das Faltungsspektrum um die Abtastfrequenz wie oben beschrieben (Bild 6.12).

 

Bild_6.12.jpg

Während im HD-MAC-Empfänger das übertragene Signalband bis 15 MHz und nach Zeitexpansion bis 10 MHz frei von Aliasprodukten rekonstruiert wird, tritt beim D2-MAC-Empfänger allerdings ein Teil des Faltungsspektrums nach Zeitexpansion im Frequenzbereich von 3,5 bis 6,66 MHz als hochfrequente Störung auf (siehe dazu nochmals Bild 6.11). Man kann jedoch davon ausgehen, dass diese Störkomponenten aus einem ursprünglichen Signalfrequenzbereich von 6,84 bis 10 MHz nur mit geringer Amplitude auftreten.

Bild 6.13 zeigt das Restseitenband-AM-Spektrum des HD-MAC-Videosignales im 12-MHz-Kabelkanal. Wie schon beim D2-MAC-Signal, liegt auch hier die NYQUISTFlanke im Trägerbereich auf der Sendeseite. Im Hinblick auf eine Optimierung der Systemeigenschaften wird die an der oberen Bandgrenze notwendige Spektrumsformung mit dem Roll-Off-Faktor r = 0,1 zu gleichen Teilen auf die Sende- und Empfangsseite verlagert. Diese sogenannte „Halb-NYQUIST-Filterung" wird erreicht, indem bei der Bandbreite B der Abfall der Übertragungsfunktion nicht auf 50% sondern auf 70,7% festgelegt wird. Die Filterung erfolgt im Basisband mittels eines digitalen Tiefpaßfilters. Die um den Träger symmetrische NYQUIST-Flanke ist mit ± 500 kHz steiler als bei D2-MAC 750 kHZ) [97].

Bild_6.13.jpg

Bei der Übertragung des HD-MAC-Signales im Satelliten-Kanal durch Frequenzmodulation ist zu berücksichtigen, dass nun aufgrund der höheren Signalbandbreite auch das videofrequente Rauschen wegen des dreieckförmigen Rauschspannungsanstiegs eine wesentliche Anhebung erfährt. Dazu kommen noch die höhere Auflösung am Bildschirm und der geringere Betrachtungsabstand, was die Wahrnehmbarkeit der Rauschstörung fördert. Als wirkungsvolle Gegenmaßnahme hat sich die Einführung einer nichtlinearen Pre- und Deemphase erwiesen, die allerdings kompatibel mit der D2-MAC-Signalübertragung sein muss.

Die Verringerung des subjektiven Störeindrucks beruht auf einer Abschwächung der höherfrequenten Signalanteile mit geringer Amplitude und damit aber auch der mit zunehmender Frequenz in der Amplitude ansteigender Rauschanteile nach dem FM-Demodulator im Empfänger. Das Absenken der Signalkomponenten wird durch eine entgegengesetzt wirkende Preemphase beim FM-Modulator kompensiert. Ergänzend dazu wird im Signalübertragungsweg auch noch die Standard-MAC-Pre- und -Deemphase verwendet [97]. Im Jahr 1993 schon kam zutage, dass das HD-MAC-Verfahren wohl der hohen Innovationsgeschwindigkeit mit Einführung der „volldigitalen" Fernsehsysteme zum Opfer fallen und kaum mehr Chancen auf eine breite Einführung haben wird [103].

6.4 Übertragung eines HDTV-Signales nach dem BB-MAC-Verfahren

Bei der HDTV-Signalübertragung ist prinzipiell eine sehr hohe Bandbreite notwendig. Es muss dabei jedoch unterschieden werden, ob es sich um einen hochrangigen Übertragungskanal für Verbindungen zwischen HDTV-Studios („Contribution"), um eine Verbindung zwischen Studio und Kabel-Kopfstation („Primary Distribution") oder um den Übertragungskanal zum Heimempfänger („Secundary Contribution") handelt. Die einzelnen Abschnitte der Signalverteilung können mit unterschiedlicher Bandbreite betrieben werden.

Für Contribution-Verbindungen wird man vielfach auf Satelliten-Kanäle zurückgreifen, die für den Programmaustausch dienen. Diese weisen zum Teil eine Bandbreite von 90 MHz auf. Innerhalb dieser Bandbreite kann sowohl durch analoge Frequenzmodulation als auch durch digitale Trägermodulation ein HDTV-Signal ohne wesentliche Datenreduktion übertragen werden, um damit Nachbearbeitungen ohne Einbuße an Bildqualität vornehmen zu können. Ein analoges, zum 625-Zeilen-MAC-Format kompatibles HDTV-Übertragungsverfahren ist mit dem Breitband-MAC- Verfahren (BB-MAC) entwickelt worden. Es erlaubt das HDTV-Signal mit 20,25 MHz Bandbreite, also doppelt so hoch wie bei HD-MAC, zu übertragen. Die Rahmenstruktur des D2-MAC-Signales bleibt vollkommen erhalten. Das BB-MAC-Signal ist von einem D2-MAC-Empfänger decodierbar und kann damit als 625-Zeilen-Bild wiedergegeben werden.

Eine genaue Beschreibung des BB-MAC-Verfahrens findet sich in [104].

 


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