Fernsehsignal

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Fernsehsignale sind Signale, die von einer Bildquelle an ein Endgerät übertragen werden. Sie sind in der Fernseh- und Videotechnik notwendig.

Bei der Entwicklung der Fernsehtechnik in den 1920er Jahren musste eine Möglichkeit gefunden werden, das von der Kamera aufgenommene Bild zum Empfänger zu transportieren. Eine parallele Übertragung der einzelnen Bildpunkte ist nicht realisierbar, da auf diese Weise jeder zu übertragenden Bildpunkt einen Sendekanal (z. B. ein Kabel) benötigen würde. Ein Fernsehbild mit heutiger PAL-Auflösung würde damit 414.000 Sendekanäle benötigen (575 Bildzeilen × beispielsweise 720 Linien Auflösung pro Zeile).

Somit wurde eine serielle Übertragung des Fernsehsignales gewählt, bei der das Fernsehbild zeilenweise übertragen wird. Dafür wird nur ein einzelner Sendekanal benötigt. Um das zu realisieren, gab es verschiedene Ansätze, zum Beispiel die Nipkow-Scheibe. Durchgesetzt hatte sich schließlich die Abtastung mittels einer Videoröhre.

Heute werden Bilder in Fernsehkameras durch CCD-Chips oder einen CMOS-Sensor abgetastet.

Inhaltsverzeichnis 1 BAS-Signal 1.1 Zeilenweise Übertragung 1.2 Horizontale Synchronisationen 1.2.1 vordere Schwarzschulter 1.2.2 hintere Schwarzschulter 1.2.3 Zeilenaustastlücke 1.3 Vertikale Synchronisation 2 Timing 2.1 Vertikales Timing 2.2 Horizontales Timing 3 FBAS-Signal 4 Das modulierte Fernsehsignal 4.1 Spektrum 5 Siehe auch

[Bearbeiten] BAS-Signal

BAS ist die deutsche Übersetzung für das so genannte VBS (Video Baseband Signal). Unter dem BAS-Signal versteht man das komplette Fernsehsignal für die Schwarzweiß-Bildübertragung, das sich aus dem Bildsignal (B), dem Austastsignal (A) und dem Synchronisationssignal (S) zusammensetzt. (Bild-Austast-Synchron-Signal, umgangssprachlich auch „Schwarz-Weiß-Signal“). In der Farbbildübertragung kommt entsprechend das FBAS (Farb-BAS) bzw. CVBS (Colour Video Baseband Signal) zum Einsatz, das zusätzlich die Farbinformationen enthält.

[Bearbeiten] Zeilenweise Übertragung

Aufeinanderfolgende Einzelbilder (Frames, englisch für „Rahmen“) bzw. Halbbilder (Fields, Bilder mit halbierter vertikaler Auflösung) werden nacheinander übertragen. Jedes dieser Bilder besteht aus mehreren Zeilen, die ebenfalls aufeinanderfolgend gesendet werden, das heißt im Grunde besteht das Fernsehsignal aus der Abfolge der einzelnen Zeilen.

Nun muss der Empfänger jedoch genau wissen

• wann eine neue Zeile anfängt und wann sie aufhört (Horizontale Synchronisation) und
• wann ein Bild beginnt und wann es endet (Vertikale Synchronisation).

Hierzu dienen die Synchronsignale. Alle Angaben zum Timing beziehen sich auf das in Deutschland übliche PAL-System.

[Bearbeiten] Horizontale Synchronisationen

Jeder Zeilenbeginn muss einzeln markiert werden, damit sich der Empfänger erneut synchronisieren kann. Dies soll anhand der Darstellung einer Bildzeile gezeigt werden.

Das Bild zeigt den zeitlichen Ablauf einer Zeile des Fernsehsignals. Als Beispiel dient hier eine vierstufige Grautreppe, das heißt, es sind vier vertikale Balken im Bild zu sehen. Von links nach rechts haben sie eine ansteigende Helligkeit, der linke Balken ist schwarz, die mittleren dunkel- und hellgrau, der rechte Balken ist weiß. Die Balken nehmen jeweils ein Viertel der Bildbreite ein.

Ganz links sieht man noch einen Teil der vorhergehenden Zeile, danach folgt die vordere Schwarzschulter bei 0,3 Volt, danach der 4,7 Mikrosekunden lange Zeilensynchronimpuls, dessen Amplitude 0 Volt beträgt. Hinter dem Zeilensynchronimpuls liegt die hintere Schwarzschulter, die 5,8 Mikrosekunden dauert. Ab hier beginnt das eigentliche Bildsignal, dessen Spannungswert der Helligkeit entspricht (0,33 Volt (schwarz) bis 1 Volt (weiß)). Bei einer anderen Betrachtungsweise wird der Spannungspegel der Schwarzschultern als 0 V-Marke angenommen. Die Amplituden lauten dementsprechend -0,3 V für den Zeilensynchronimpuls, 0,03 V für die Schwarzamplitude und 0,7 V für Maximalpegel (weiß).

An den Bildinhalt schließt die vordere Schwarzschulter der nächsten Zeile an.

Der Elektronenstrahl des Empfängers zeichnet zuerst das erste Halbbild („ungerade Zeilen“ = Zeilen 1, 3, 5, 7,… usw.) und danach das zweite Halbbild („gerade Zeilen“ = Zeilen 2, 4, 6,… usw.). Ist die Darstellung des Zeileninhaltes beendet, löst die fallenden Flanke des Zeilensynchronimpulses den Zeilenrücklauf aus, bei dem der Strahl wieder an den Anfang der nächsten Zeile springt. Dies geschieht sehr schnell und der Elektronenstrahl wird dabei dunkelgetastet. Ist das erste Halbbild fertig, gibt es einen sogenannten Bildrücklauf (Vertikalrücklauf).

[Bearbeiten] vordere Schwarzschulter

Ist das Zeilenende weiß (Pegel bei 1 Volt), müsste der Pegel sehr schnell auf 0 Volt abfallen, was aus technischen Gründen (Signalbandbreite) nicht möglich ist. In unserem Bild ist das der Fall, es würde hier also zu einem verzögerten Zeilenrücklauf kommen. Das Ergebnis wäre eine falsche Synchronisation zwischen Sender und Fernsehgerät. Um das zu verhindern, fügt man die vordere Schwarzschulter mit einer Dauer von 1,5 Mikrosekunden ein. Das verkürzt aber die sichtbare Zeile um den gleichen Betrag.

[Bearbeiten] hintere Schwarzschulter

Das Vorhandensein der hinteren Schwarzschulter hat eine schaltungstechnische Ursache. Nach dem besonders schnellen Zeilenrücklauf treten am Anfang des Zeileninhaltes (Hinlauf) Einschwingerscheinungen auf. Die hintere Schwarzschulter dient als Puffer, damit diese Schwingungen rechtzeitig bis zum Beginn des Bildinhaltes abgeklungen sind. Sie dient auch der Festlegung des Schwarzpegels, da bei der Übertragung und Verarbeitung der Gleichanteil (DC-Anteil) des Videosignals verloren geht.

[Bearbeiten] Zeilenaustastlücke

Der Zeilensynchronimpuls, die vordere und die hintere Schwarzschulter bilden zusammen die Zeilenaustastlücke. Diese kann auf einem Monitor sichtbar gemacht werden, indem man das Fernsehbild nach links verschiebt und die Helligkeit auf ein Maximum erhöht. Dabei sind die vordere und hintere Schwarzschulter als graue senkrechte Balken und dazwischen der Zeilensychronimpuls als schwarzer, senkrechter Balken zu erkennen. Bei professionellen Monitoren ist für diese Funktion ein eigener Schalter vorhanden.

[Bearbeiten] Vertikale Synchronisation

Die Impulse für die vertikale Synchronisation liegen in einem Pegelbereich zwischen 75 Prozent und 100 Prozent des Trägersignals. Um eine Unterscheidung zwischen Zeilen- und Vertikalimpuls zu erreichen, ist letzterer 2,5 Zeilen (2,5 × 64 Mikrosekunden) lang. Die Impulse des 2. Halbbildes sind gegenüber denen des ersten Halbbildes um eine halbe Zeile verschoben. Damit die Horizontalablenkung während des vertikalen Rücklaufes nicht ausfällt, ist dieser in 5 Impulse aufgeteilt. Diese 5 Impulse können dabei zur horizontalen Ablenkung eingesetzt werden. Nun hat man mehrere Impulse für den Vertikalrücklauf, aber man benötigt eigentlich nur einen. Das erreicht man durch Integration dieser Impulse, zum Beispiel durch ein RC-Glied, welches einen Spannungswert erzeugt, den man als „Schaltniveau“ bezeichnet.

Folgende Impulse sind für die Vertikalablenkung zuständig:

• 5 Vortrabanten: Kurze Impulse ohne Energie im Bildbereich (Weißpegel)

Sie laden bzw. entladen den Kondensator des RC - Gliedes auf einen definierten Spannungspegel, damit die Zeit bis zum Erreichen des benötigten Schaltniveaus immer gleich bleibt. Würden sie fehlen, könnte der Kondensator durch vorherige Bildinhalte oder eventuell vorhandene Störspannungen bereits vorgeladen sein und der Zeitpunkt, zu dem das Schaltniveau erreicht wird, wäre nicht vorhersehbar.

• 5 Hauptimpulse: Impulse, die der Länge der Zeilensynchronimpulse entsprechen, mit Energie im Bildbereich (Schwarzpegel)

Sie laden den Kondensator auf und Synchronisieren so den Vertikaloszillator, der Vertikalrücklauf wird eingeleitet. Die Zeit bis zum Ereichen des Schaltniveau ist vom Gerät abhängig, ist dann aber bei jedem Halbbild gleich.

• 5 Nachtrabanten: Kurze Impulse ohne Energie im Bildbereich (Weißpegel)

Sie entladen den Kondensator wieder, damit durch eventuell auftretende Störimpulse unmittelbar nach den Haupttrabanten das Schaltniveau nicht wieder erreicht werden kann. Sonst könnten diese Störimpulse zu einer erneuten (Fehl)-Syncronisation führen.

[Bearbeiten] Timing

[Bearbeiten] Vertikales Timing

Es werden 25 Vollbilder je Sekunde übertragen, jedes Vollbild besteht aus 15.625 / 25 = 625 Zeilen, von denen jedoch nur maximal 575 Zeilen sichtbar sind; der Rest stellt die „vertikale Austastlücke“ dar. Auf den meisten realen Fernsehern sind nur gut 550 Zeilen tatsächlich zu sehen, der Rest der theoretisch sichtbaren Zeilen „verschwindet“ hinter dem Bildrand (sog. Overscan).

Jedes einzelne Vollbild besteht aus zwei „Halbbildern“ zu je 312,5 Zeilen. Das erste Halbbild enthält nur die ungeradzahligen Zeilen des Vollbildes, das zweite nur die geradzahligen Zeilen. Die beiden Halbbilder werden nacheinander übertragen und angezeigt, wie zwei ineinander verschachtelte Kämme. Diese als Zeilensprung bekannte Maßnahme diente dazu, das bei Bildröhren ohne 100HZ-Technik unvermeidliche Flimmern zu minimieren und wirkt sich positiv auf horizontale Bewegungen aus (entspricht 50 Bildern pro Sekunde mit jeweils halber vertikaler Auflösung). Mittlerweile hat sie sich zu einem Hindernis auf dem Weg zu besserer Bildqualität entwickelt, jedoch müssen die Fernsehanstalten weiterhin mit Zeilensprung senden, da fast alle bisher produzierten Fernseher dies erwarten und mit einem anderen Signal nichts anfangen können. Würden die Anstalten den Zeilensprung aufgeben, so würden auf einen Schlag alle bisherigen Fernseher wertlos, was wirtschaftlich gesehen unsinnig wäre.

[Bearbeiten] Horizontales Timing

Abhängig von der Fernsehnorm werden in Europa zumeist genau 15.625 Bildzeilen pro Sekunde übertragen, das heißt: eine komplette Bildzeile dauert genau 64 Mikrosekunden. Davon werden 52 Mikrosekunden lang Bilddaten übertragen, dazu kommen 1,5 µs vordere Schwarzschulter, 4,7 µs Synchronimpuls und 5,8 µs hintere Schwarzschulter. Die beiden Schwarzschultern und der Synchronimpuls werden zusammen als "horizontale Austastlücke" bezeichnet, diese dauert insgesamt 1,5 + 4,7 + 5,8 = 12 Mikrosekunden. Die Übertragung des Bursts liegt innerhalb der hinteren Schwarzschulter und beginnt 5,8 µs nach dem Anfang des Syncimpulses, also bei korrektem Timing 1,1 Mikrosekunden nach dem Anfang der hinteren Schwarzschulter. Der Burst enthält ca. 10 Sinuswellen und dauert 2.25 µs. Am Ende der hinteren Schwarzschulter beginnen dann wieder die Bilddaten der nächsten Zeile. Bei Schwarzweiß-Sendungen gibt es keinen Burst; der Empfänger erkennt deren Fehlen und schaltet seine Farb-Dekodierungs-Schaltkreise ab. Würde er das nicht tun, wäre eine Schwarzweiss-Übertragung mit dem bei der Farb-Dekodierung entstehenden Farbrauschen hinterlegt.

[Bearbeiten] FBAS-Signal

Das Farb-Bild-Austast-Synchron-Signal (FBAS; englisch CVBS, Colour Video Blanking Signal), wird auch als Composite-Signal oder umgangssprachlich als „Farbfernsehen“ bezeichnet.

Dieses Diagramm zeigt das Oszillogramm einer Zeile eines PAL-modulierten Fernsehbildes für die Normbalkenfolge mit einer Farbsättigung von 75 Prozent und einer ebenfalls auf 75 Prozent reduzierten Helligkeit in den farbigen Balken Gelb, Cyan, Grün, Magenta, Rot und Blau. (European Broadcasting Union-Testsignal). Es gliedert sich in folgende Abschnitte:

1. Das Bild beginnt mit einem weißen Balken.
2. Daran schließen sich weitere Balken mit den Farben in abnehmender Helligkeit an. Man erkennt, im Bild grau eingefärbt, die übertragene Farbinformation. Die Farbintensität äußert sich in der Stärke des Farbsignals (hier: Höhe des grauen Bereichs im Diagramm), der Farbton in der Phasenlage relativ zu dem Farbträger (im Diagramm nicht dargestellt).
3. Schwarz und die vordere Schwarzschulter. Bei Schwarz und bei Weiß ist keine Farbmodulation zu erkennen, Schwarz und Weiß enthalten auch nur Helligkeits- und keine Farbinformation. Da bei der von PAL und NTSC verwendeten Quadraturmodulation auch kein Träger übertragen wird, im Gegensatz zu der bei SECAM verwendeten Frequenzmodulation, können anhand dieses Merkmals PAL und NTSC von SECAM unterschieden werden. Bei SECAM wäre auf dem Helligkeitssignal für Weiß und Schwarz der (unmodulierte) Farbträger zu erkennen, auf dem Oszilloskop würden diese für das bloße Auge genauso wie ein farbiger Balken aussehen.
4. Der Synchronimpuls mit einer Länge von 4,7 µs.
5. Die hintere Schwarzschulter mit dem PAL-Burst (engl. für „plötzlicher Durchbruch“). Normalerweise ist der Farbträger wie oben erwähnt unterdrückt, nur während dieses kurzen Zeitraums „bricht er durch“; es werden zirka 10 Sinuswellen des Farbträgers direkt übertragen; der Zweck ist folgender: der Schaltkreis, der im Empfänger den Farbträger neu erzeugt, wird während dieses Zeitraums jeweils mit dem Farbträger des Senders in Frequenz und Phasenlage synchronisiert, für den Rest der Zeile kann er dann auf Basis dieser Abstimmung selbständig arbeiten. Das Oszillogramm eines SECAM-Signales wäre ähnlich, da dort zwecks Erkennung, dass eben SECAM vorliegt und nicht PAL oder NTSC, während dieser Phase unmoduliert der Träger übertragen wird. (In der Anfangszeit von SECAM dienten dieser Erkennung spezielle Bildzeilen während der Vertikalaustastlücke, diese wollte man aber später für Videotext, VPS und andere Dienste zur Verfügung haben.)
6. Der Anfang der nächsten Zeile.

[Bearbeiten] Das modulierte Fernsehsignal

Für die Übertragung über weite Strecken (terrestrisch, Satellit, Kabel) muss das Basisband-Signal moduliert werden.

Dieses Bild zeigt eine Zeile eines modulierten Fernsehsignals, wie man es mit einem Oszilloskop darstellen könnte, wenn ein Graubalkentestbild verwendet wird. Es zeigt nur die positiven Halbwellen des Trägersignals (rot dargestellt) mit dem aufmodulierten BAS-Signal. Die negativen Halbwellen beinhalten nocheinmal dasselbe BAS-Signal. Deshalb müsste man es „herunterklappen“.

[Bearbeiten] Spektrum

In diesem Bild ist das Frequenzspektrum eines Fernsehsignals dargestellt - CCIR-Norm für den Bildsender-Amplitudenfrequenzgang (oben) und die Empfänger-Durchlasskurve (unten). Die angegebenen Frequenzen beziehen sich auf die in Deutschland verwendete PAL B / G-Fernsehnorm und sind relativ zum Bildträger.

Die Abbildung bezieht sich so nur auf das bereits hochfrequent aufmodulierte Signal, wie es über Antenne oder Fernsehkabel ins Haus kommt. Ein Basisband-Videosignal, wie es z.B. über SCART-Kabel von einem Videorekorder oder einer Spielkonsole zu einem Fernseher übertragen wird, hat keinen Bildträger und der entsprechende Punkt entspricht genau 0 Hertz, in diesem Fall sind die angegebenen Frequenzen als absolute Werte zu verstehen. Da es keine negativen Frequenzen gibt, hat ein Basisband-Videosignal natürlich kein unteres Restseitenband. Auch das Tonsignal ist bei Basisband nicht im Videosignal vorhanden, sondern wird ohne Träger über eigene Leitungen geschickt; dadurch kann die Frequenz eines Basisband-Videosignals nach oben theoretisch unbegrenzt sein.

1. Das untere Restseitenband. Das Fernsehsignal wird amplitudenmoduliert, wobei von einem Seitenband nur ein Teil übertragen wird. Die ansteigende Flanke ist die Nyquistflanke. Das untere Restseitenband ist ca. 0,75 Megahertz breit (übertragen werden 1,25 Megahertz).
2. Der Bildträger. Der Punkt, an dem die Nyquistflanke den Träger schneidet, heißt Nyquistpunkt. Er sollte in seiner Höhe genau mittig liegen.
3. Das Helligkeitssignal. Dieses geht bis ca. 5 Megahertz.
4. In den oberen Teil des Helligkeitssignals ist das Farbsignal eingeschachtelt. Der Farbträger liegt bei 4,43361875 Megahertz und ist unterdrückt -- er wird im Empfänger neu erzeugt.
5. Das Tonsignal. Der Tonträger liegt bei 5,5 Megahertz. Sein Pegel liegt 12dB niedriger als der des Bildträgers.
6. Der zweite Tonträger, falls eine Stereo- oder eine Zweikanaltonübertragung vorliegt. Er liegt 242,1875 Kilohertz oberhalb des ersten Tonträgers und sein Pegel ist 6 Dezibel geringer als dieser.

Beide Tonträger sind mit einem Frequenzhub von 50 kHz frequenzmoduliert.

[Bearbeiten] Siehe auch

• Frequenzen der Fernsehkanäle