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Juli 1989 - Zur digitalen HDTV-Aufzeichnung

Die DCR 100 aus 1987 für Standard PAL Fernsehen

von M. Hausdörfer in FERNSEH- UND KINO-TECHNIK - Nr.7/1989

Prof. Dr.-Ing. Michael Hausdörfer ist Mitarbeiter der BTS Broadcast Televison Systems, Darmstadt.

  • Anmerkung : Professor Hausdörfer war der (von ganz oben ungeliebte) Chef und Vordenker der digitalen Produkt-Vorentwicklung, also der Zukunfts-Abteilung bei der BTS.

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Die digitale Aufzeichnung des HDTV-Signals ist eine Notwendigkeit für die erfolgreiche Einführung des neuen Produktionsmediums HDTV. Die heute verfügbaren Recorder mit analoger Signalaufzeichnung können den hohen Ansprüchen der Nachbearbeitung nur temporär genügen, da die Störabstandsreserve inhärent zu gering ist.

Für einen neu zu konzipierenden digitalen HDTV-Recorder kann - besonders im Hinblick auf operationelle Belange - nur ein Kassettenlaufwerk in Betracht gezogen werden. Betrachtungen der praktisch zu realisierenden Technik - die im Beitrag dezidiert dargestellt werden - zeigen allerdings auf, daß sich nur eine relativ kurze Laufzeit ergibt und Lösungen dafür erarbeitet werden müssen.

1. Einführung

Die Entwicklung des analogen HDTV-Recorders BCH 1000 ist ein bedeutender technologischer Meilenstein für BTS, der in sehr kurzer Entwicklungszeit erreicht werden konnte.

Obwohl der experimentelle Charakter dieses Recorders noch unverkennbar ist, so sind die damit erreichten Ergebnisse recht beachtlich, wie anläßlich der IBC 1988 anschaulich demonstriert werden konnte.

Auch muß einmal hervorgehoben werden, daß dieser Recorder der einzige in der westlichen Welt ist, der nichtjapanischen Ursprungs ist. Die mit diesem Recorder in kurzer Zeit gemachten Erfahrungen bestätigen im wesentlichen die Vorgaben, die zu Beginn der Entwicklung 1985 getroffen wurden; die erreichten technischen Parameter sind durchaus vergleichbar mit denen der Geräte der Mitbewerber, die allerdings nicht den Eureka-Standard verarbeiten.

Aus heutiger Sicht wird HDTV einen Anwendungsschwerpunkt bei der Produktion von qualitativ hochwertigen Beiträgen finden, bei denen im Zuge der Nachbearbeitung Mehrfachüberspielungen aufgezeichneter Beiträge in größerer Zahl unverzichtbar sind.
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Bild 1. Störabstandsverlauf bei Mehrfachüberspielungen

Dies läßt sich mit analoger Signalaufzeichnung bei HDTV nur unter Einschränkungen erreichen, wie im Bild 1 im Vergleich zur analogen Aufzeichnung des Standard-Fernsehsignals und zur digitalen Signalaufzeichnung gezeigt, das den systematisch bedingten Störabstandsverlust als Funktion der Anzahl von Überspielungen darstellt.
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Während sich bei der Aufzeichnung des Standard-Fernsehsignals erst nach 6 bis 7 Generationen eine stärkere Signalbeeinträchtigung bemerkbar macht, ist der Freiraum für HDTV-Signale, bedingt durch die höhere Signalbandbreite und Aufzeichnungsdichte, erheblich geringer.

Die langfristige Alternative kann daher nur die digitale Aufzeichnung des HDTV-Signals heißen, um dem Störabstands Verlust wirksam zu begegnen und genügende Flexibilität für die Produktionsnachbearbeitung zu erhalten.
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2. Digitalisierung des HDTV-Signals

Kenngrößen der HDTV-Signale, aus denen die Datenraten bei Übergang auf das digitale Signalformat abgeleitet werden können, sind im SMPTE-Standard 240M und in den vorläufigen Standards des Eureka-Projekts EU95 niedergelegt, wobei nur die letzteren näher behandelt werden.

Tabelle I zeigt die Parameter des Eureka-HDI-Standards (HDI ??), aus denen die Signal-Datenrate von 1,152 Gbit/s hervorgeht und der zunächst als Arbeitsstandard betrachtet wird.

Tabelle I. EU95-HDTV-Standards HDI, HDP (vorläufig)

möglicher EU95 Standard HDI HDP
Zeilenzahl 1250 1250
Abtastmethode 2:1 1:1
Bild-Seitenverhältnis 16:9 16:9
Vollbild-Wechselfrequenz 25 Hz 50 Hz
Komponentensignale Y, CR, Cb Y, CR, Cb
Bandbreitenverhältnis 4:2:2 4:2:2
Abtastfrequenzen 72 MHz 144 MHz
Quantisierung 8 bit 8 bit
Signal-Datenrate 1,152 Gbit/s 1,728 Gbit/s

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Mit den Parametern des Eureka-HDP-Standards (HDP ??), der progressive Abtastung vorsieht, errechnet sich die Signal-Datenrate zu 1,728 Gbit/s (mit einer speziellen Signalaufbereitung in den Chrominanzkanälen).

Der HDP-Standard soll hier zunächst nicht weiter verfolgt werden, da die technische Realisierung einer Direktaufzeichnung, das heißt ohne Datenratenreduktion, kurzfristig und unter ökonomischen Aspekten derzeit nicht erkennbar ist.

Dies schließt nicht aus, daß nach Entwicklung geeigneter Datenraten-Reduktionsverfahren eine Aufzeichnung progressiv abgetasteter HDTV-Signale mit ausreichender Aufnahmedauer realisiert werden kann.

Die Aufzeichnung der rund 1,2 Gbit/s des HDI-Standards - die Datenrate des SMPTE-Standards 240M liegt in der gleichen Höhe - stellt an sich schon eine starke technische Herausforderung dar, wenn sie unter dem Aspekt eines Produktionsmediums realisiert werden soll.

Über die Machbarkeit bestehen indes keine Zweifel, da bereits 1986 erste Lösungen von Sony für den 1125-Zeilen-Standard gezeigt wurden und in Kürze ein weiterer Anbieter eines digitalen HDTV-Recorders auf dem Markt erscheinen wird.

Tabelle II. Datenraten verschiedener Abtaststandards, 8 bit

Abtaststandard 625/50 625/50 1125/60 1250/50
System PAL CCIR Rec.60I SMPTE 240M EU 95/HDI
Signalbandbreite Y (MHz) 5,5 5,75 30 30
Abtastfrequenz (MHz) 17,7 13,5 74,25 72
Signalbandbreite C (MHz) 2,75 15 15 15
Abtastfrequenz (MHz) 6,75 37,125 36 36
Signal-Datenrate (Mbit/s) 142 216 1188 1152

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Um die Anforderungen näherzubringen, werden in Tabelle II die Signal-Datenraten verschiedener Abtaststandards verglichen, die den starken Anstieg der Datenraten bei den HDTV-Systemen deutlich hervortreten lassen.

So verhält sich die Datenrate des Eureka-HDI-Standards etwa wie 5:1 zu der des Signals nach der CCIR Rec. 601. Es liegt auf der Hand, daß sich die charakteristischen Größen zum Beispiel des D1-Aufzeichnungsformats, das allgemein bekannt ist, nicht um diesen Faktor umskalieren lassen.

3. Kenngrößen der digitalen Signalaufzeichnung

Die digitale Signalaufzeichnung wird durch eine Vielzahl von Kenngrößen definiert, die physikalischen, technischen oder Operationellen Ursprungs sind. Aus dieser Vielfalt sollen nun einige davon behandelt werden, die in Tabelle III zusammengestellt sind. Diese Zusammenstellung ist keineswegs vollständig und enthält erste Näherungen, die für diesen Beitrag genügen sollen.
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Tabelle III. Kenngrößen der digitalen Bildaufzeichnung

Es gehen jedoch die gegenseitigen Abhängigkeiten der Kenngrößen deutlich hervor. Es lassen sich zu einzelnen Kenngrößen auch aus heutiger Sicht erreichbare Grenzwerte angeben, die eine recht gute Abschätzung zum Beispiel der zu erreichenden Aufzeichnungsdichte oder -dauer erlauben, ohne sich auf das technische Aufzeichnungssystem festlegen zu müssen.

Die kürzeste Aufzeichnungswellenlänge lambda (min) ergibt sich aus der Kopf-Bandgeschwindigkeit V(KB) und der höchsten Signalfrequenz fs; erstere liegt bei heutigen professionellen Aufzeichnungssystemen bei lambda ~0,65um. Der Versuch, die Wellenlänge durch Erhöhung der Kopf-Bandgeschwindigkeit zu steigern, findet seine Grenzen unter anderem in einer Verschlechterung des Kopf-Band-Kontakts und in der Reibungserwärmung des Kopfmaterials, die die Fehlerrate rasch ansteigen lassen; heute praktizierte Kopf-Bandgeschwindigkeiten liegen zwischen 30 und 52m/s.

Der Verlust an Signalspannung, der von dem unvollkommenen Kontakt zwischen der magnetisierten Schicht und der aktiven Oberfläche des Magnetkopfs herrührt, kann in erster Näherung nach Wallace u. a. berechnet werden.

Diese Beziehung verdeutlicht, daß die Signaldämpfung auf 55dB ansteigen wird, wenn der Abstand d der (kürzesten) Aufzeichnungswellenlänge lambda entspricht.

Es geht aber daraus auch hervor, daß bei kurzen Wellenlängen die Magnetschicht nicht mehr in ihrer Dicke wirksam werden kann. Dickenverluste und Entmagnetisierungsverluste gehen zusätzlich ein, sie werden hier nicht näher behandelt.

Die Flächen dichte A(D) ist ein Maß für das Speichervermögen eines Aufzeichnungssystems, wieviele Bits je Flächeneinheit eingeschrieben und reproduziert werden können. Sie wird durch die charakteristischen Größen Äufzeichnungswellenlänge lambda und Spurbreite w bestimmt.

Flächendichte und schmalere Spuren

Die Flächendichte läßt sich durch schmalere Spuren steigern. Der beliebigen Verringerung der Spurbreite stehen jedoch mechanische Toleranzen der Bandführung und des Bandmaterials selbst sowie die Forderung nach Kompatibilität, das heißt der Austauschbarkeit der Magnetbänder, entgegen, so daß aus heutiger Sicht eine minimale Spurbreite w = 25um realistisch erscheint.

Abstrahiert man nun, daß eine minimale Wellenlänge von lamda = 0,5um durch neue Bandmaterialien erreichbar wird, und nimmt eine minimale Spurbreite von w = 25um an, so resultiert aus diesem Gedankenexperiment eine Aufzeichnungsdichte A(D) = 16 Mbit/cm3 als diskutabler Grenzwert.

Auf den Zusammenhang zwischen dem Kanal-Störabstand und der Aufzeichnungsdichte weist die nächste Beziehung hin, die nicht näher diskutiert werden soll.

Der zeitliche Bandflächen verbrauch läßt sich aus der Signal-Datenrate B und der Aufzeichnungsdichte A(D) näherungsweise ermitteln. Die benötigte Band fläche Q erweist sich - unter der Annahme einer maximalen Aufzeichnungsdichte - bei der Aufzeichnung von HDTV-Signalen als beschränkender Faktor, wenn davon ausgegangen wird, daß langfristig nur ein Kassettenlaufwerk bei einer Aufzeichnung mit extrem kurzen Wellenlängen und hoher Aufzeichnungsdichte für eine Signalspeicherung in Betracht gezogen werden kann.

Tabelle IV. Kennwerte verschiedener Aufzeichnungssysteme

Aufzeichnungsformat B-Format BCH 1000 D1 D2 HDD 1000
Bandformat (mm) 25,3 25,3 19 19 25,3
Kopf-Bandgeschwindigkeit VKB (m/s) 24 31 31 27 51,5
Spurbreite wg (um) 200 100 45 3S(A) 33
Aufzeichnungswellenlänge A (um) 2,6 1 0,9 0,85 0,69
Flächdichte A(D)(Mbit/cm3) 0,38 2 4,9 6,7 8,8
zeitlicher Bandflächenverbrauch Q (m2/h) 22 55 20 9 74
Editability-Faktor E 400 800 3775 3860 12180
  • A: Azimut-Aufzeichnung
  • B-Format, Analogsignal-Aufzeichnung
  • D2-Format, digitale Aufzeichnung NTSC, 127 Mbit/s
  • HDD 1000, digitale Aufzeichnung HDTV, 1,188 Gbit/s
  • E: Spurlänge /Spurbreite

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Tabelle IV gibt einen Überblick über Kennwerte einiger heute realisierter Aufzeichnungssysteme, der den Trend zu höherer Aufzeichnungsdichte, aber auch zu erhöhtem zeitlichen Bandverbrauch erkennen läßt. Hieraus können sich - wie noch gezeigt wird - operationeile Einschränkungen ergeben. Besondere Beachtung sollten hier der zeitliche Bandverbrauch Q und der Editability-Faktor E finden.

Die erhebliche Steigerung des Band Verbrauchs bei HDTV geht aus Tabelle IV hervor. Sie liegt bei dem gewählten Beispiel um den Faktor 3,7 über dem des D1-Formats.

Der Editability-Faktor beschreibt das Verhältnis von Spurlänge zu Spurbreite und ist ein Maß für die Schlankheit einer Spur.

Je höher der Editability-Faktor gewählt wird, um so höher steigen die Anforderungen an die mechanische und elektrische Präzision des Laufwerks, die Bandführung und das Servosystem. Diese Präzision wird erforderlich, um eine Kompatibilität hinsichtlich des Austauschs von bespielten Bändern zu ermöglichen.

Zwischen dem eingeführten D1-Format und dem digitalen Recorder besteht ein Unterschied um einen Faktor 3. Es sollte jedoch zukünftig angestrebt werden, daß der Editability-Faktor den Wert der D1- bzw. D2-Formate nicht überschreitet.

Eine Steigerung der Aufzeichnungsdichte, wie sie von den HDTV-Recordern geforden wird, läßt sich nur unter Verwendung neuer Verfahren im Kopf-Band-Bereich realisieren, wie sie in Tabelle V aufgeführt sind.

Tabelle V. Wege zur Steigerung der Aufzeichnungsdichte

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  • • höher koerzitives Bandmaterial (MP, ME)
  • • Weiterentwicklung der Kopftechnologie (MIG-, TSS-, Film-Köpfe)
  • • Reduktion der Spurbreite
  • • Azimut-Aufzeichnung

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Hierbei sind vor allem die Anwendung von Metall-Pigment-Band, ähnlich dem wie es dem D2-Format zur Verfügung steht oder weiterführend für 8mm-Aufzeichnung vorgesehen ist, sowie die Verwendung von neuen Kopf-Konfigurationen und -materialien wie zum Beispiel laminierte Filmköpfe, TSS-oder MIG-Köpfe hervorzuheben.

4. Konzept eines digitalen Recorders für HDTV

Ein zukünftiger HDTV-Recorder für Studioanwendengen sollte sich - sofern realisierbar - in operationellen Eigenschaften nicht von einem modernen Recorder für unser Standardfernsehen unterscheiden (Tabelle VI).
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Tabelle VI. Konzeptdaten des digitalen HDTV-Recorders D

.Signale Komponentensignale  
  *> Cr% Cß  
Signal- B =1152 Mbit/s,  
datenrate Eureka EU 95, HDI  
Transportsystem Kassettenlaufwerk, 19 mm Band  
Kasette D2L  
Scanner ähnlich D2 (Durchmesser 96,49 mm)  
Bandmaterial Metallpigment-Band    
Köpfe Laminierte Film-Köpfe  
minimale Wellenlänge lambda = 0,65um (A(D) > 10Mbit/cm2)  
Spurbreite 30um  

Insofern kann nur ein Kassettenlaufwerk in Betracht gezogen werden, wie es für die D1- oder D2-Formate entwickelt wurde. Hierbei ist der größere 96,49mm-Scanner des D2-Formats mit 180"-Umschlingung von Vorteil, da dieser unter anderem mehr Platz für Elektronik und Kopfradelektronik bietet.
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Tabelle VII. Kapazität verschiedener Kassetten Systeme

D2S D2M D2L NHK
253 m 744 m 1647 m 454 m
4,8 m2 14,1 m3 31 m2 5,8 m2
13um 13um 13um 13,5um
19 mm 19 mm 19 mm 12,65 mm

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Wie aus Tabelle VII hervorgeht, enthält die D2-Kassette die größte Bandfläche. Insofern wird dieser Kassettentyp, gefüllt mit hochkoerzitivem Metall-Pigmentband oder ME-Band, auch zukünftig für den HDTV-Recorder in Betracht kommen.

Allerdings zeigt sich das Problem, daß die Bandfläche der D2L-Kassette die Aufzeichnung eines HDI-Signals von nur wenig mehr als eine halbe Stunde erlaubt. Dies gilt unter der Voraussetzung, daß sich eine Aufzeichnungsdichte zwischen 9 und 12 Mbit/cm2 realisieren läßt.

Hier steht eine verfügbare Bandfläche von 31m2/h einer erforderlichen Bandfläche von 60 bis 70m2/h gegenüber, so daß sich eine kurze Laufzeit ergibt.

Für dieses Problem muß eine technisch befriedigende Lösung herbeigeführt werden, da nur die Kassette den notwendigen Schutz des Bandes gewährleistet. Ein möglicher Weg wäre die Anwendung eines neuzeitlichen Datenratenreduktions Verfahrens, das für die Eigenheiten der Signalaufzeichnung optimiert wurde.

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