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Wir sind hier im Jahr 1989 und "Digital" ist im Kommen ....

Es geht um die Verarbeitung von Fernsehbildern (samt Ton) im Studio. Das kann ein reiner Zusammen-Schnitt von verschiedenen Magnet-Bändern zu einer einzigen Sendung sein, es kann aber auch eine grafische Nachbearbeitung mit allen nur möglichen Bild-Tricks sein. Für diese Nachbarbeitungstechniken gibt es die sogenannten Trick-Mischer, die einzelne Bilder und ganze Szenen verändern können.

Bislang hatten alle diese Prozeduren einen Nachteil, denn bei jeder Kopie des Orignals auf einen zweiten Video-Recorder wurde das/die Bild(er) etwas schlechter. Das wiederum bedeutete, so, wie man das Filmmaterial bislang auf Magnetband speicherte, geht es nicht weiter.

Unser Standard-Fernsehbild war nach Einführung der Farbe immer noch schwarz-weiß kompatibel. Und nur dazu wurde das von der Kamera (oder einer anderen Quelle) angelieferte Farbbild in zwei Teile zerlegt, das Scharzeiß-Bild (die Luminanz) und die Farbinformationen (die Chrominanz).

Und je nachdem, wieviel Platz man für diese beiden Signale bereitstellte, gab es schöne Bilder oder flaue Bilder. Das ganze ist erstmal unabhängig von der Zeilenzahl des Systems, zum Beispiel 625 bei uns. Wichtig für uns ist die sichtbare Qualität anhand der Anzal der optisch aufgelösten Linien (z.B. 240 Linien bei VHS).

Diese mehrjährige Entwicklung wird in den Montreux-Berichten und Symposum-Vorträgen detailliert beschrieben.

Die Grundlagen der Komponentensignale lesen Sie hier.

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Meßtechnik bei Komponentensignalen im Jahr 1989

Bild 8. Video generator VG 3001 C und Farbgenerator FG 9S/PLL von Grundig
hier das Original-Foto

von H. Hahn aus der FERNSEH- UND KINO-TECHNIK - Nr.5/1989 - Harald Hahn ist Mitarbeiter der Grundig AG, Fürth (besser der Tochterfirma "Grundig Electronic")

Nachdem die Komponententechnik erst am Anfang ihrer Entwicklung steht, werden in den nächsten Jahren die Meßmethoden und Meßsignale noch weiterentwickelt und verfeinert werden. Besondere Aufmerksamkeit ist dabei der Zeit- und Amplitudenrelation der Signale untereinander zu widmen.

Werden die Signale im Zeitmultiplex übertragen, so ist dabei die Videomeßtechnik auf diese Bedürfnisse auszudehnen, da hierbei ein wesentlich größerer Frequenzbereich zu berücksichtigen ist.

Noch mehr in den Anfängen steckt die Meßtechnik der Komponentensignale in digitaler Form. Hier werden sich durch den zunehmenden Einsatz von Geräten mit digitaler Schnittstelle noch Meßmethoden und Meßsignale herauskristallisieren müssen.

Der Beitrag beschreibt Meßsignale und Meßmethoden analoger Komponentensignale.

1. Was sind Komponentensignale ?

Nachdem auch bei den Videorecordern der neuesten Generation, die nach dem S-VHS-Standard arbeiten, von Komponentensignalen gesprochen wird, soll zuerst einmal der Begriff "Komponentensignale" erklärt werden.

Bei einem Farbfernsehsignal versteht man unter Komponenten in erster Linie die drei Farbwertsignale Rot, Grün und Blau, wie sie jeder Abtaster liefert.

Sie werden dann umcodiert in die Signale Luminanz (Y) und in die auf etwa 1,5 MHz bandbegrenzten Farbdifferenzsignale (R—Y) (das ist Rot - Y) und (B—Y)(das ist Blau - Y).

Da das menschliche Auge bei Farbinformationen eine geringere Empfindlichkeit als bei Helligkeitsänderungen aufweist, ist bei den Differenzsignalen diese Auflösungsreduzierung möglich. Nach entsprechender unterschiedlicher Verstärkung werden daraus die Chrominanzkomponenten U und V, die dann die entsprechenden Farbmodulatoren für NTSC, SECAM oder PAL speisen.

Unter Komponentensignalen versteht man also die drei getrennt geführten Farbwertsignale R, G und B oder auch die um-codierten Signale Y, U und V.

Dabei können die Signale sowohl in analoger als auch in digitaler Form vorliegen. In diesem Beitrag soll jedoch nur auf die Meßtechnik analoger Signale eingegangen werden, wobei die Signale in paralleler Form und im Y-U-V-Format vorliegen.

Nachdem die Pegel der Chrominanzkomponenten U und V an der Komponentenschnittstelle bezogen auf einen 100 % gesättigten Farbbalken auf ±350 mV festgelegt werden, bezeichnet man die Signale auch als Chromakomponenten Rot und Blau mit den Namen Cr und Cb (nach CCIR 601).

Die beim S-VHS-System benutzten Signale werden oft auch als Komponentensignale bezeichnet. Hier werden die beiden Signale Luminanz (Y) und getragene Farb-Information (C) des jeweiligen Farbfernsehsystems getrennt geführt und als Komponenten bezeichnet.

Diese Schnittstelle wird deshalb auch als Y/C-Schnittstelle bezeichnet. Die Pegel Verhältnisse entsprechen den Signalanteilen des zugehörigen FBAS-Signals.

Bild 1 zeigt ein grobes Blockschaltbild für einen PAL-, SECAM- oder NTSC-Coder mit den verschiedenen Schnittstellen.

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Bild 1. Blockschaltbild eines FS-Coder mit den verschiedenen Schnittstellen

2. Warum Komponententechnik ?

Die bisher üblichen Farbfernsehnormen nach NTSC, SECAM und PAL wurden mit Blick auf bestmögliche Kompatibilität mit den alten bereits vorhandenen S/W-Normen entwickelt.

Die dabei entstehenden Effekte wie Cross-Color, Cross-Luminanz sowie Kantenunruhe bei waagrechten Farbsprüngen nahm man damals in Kauf.

Bei zukünftigen Fernseh-Systemen erhöhter Bildqualität gilt es aber, gerade diese Effekte zu beseitigen bzw. erst gar nicht entstehen zu lassen. Dies führte dazu, die drei Komponenten eines Farbfernsehsystems bis hin zum Empfänger getrennt zu halten.

Wie die drei Komponenten übertragen werden, ist hauptsächlich eine Frage der Bandbreite des Übertragungskanals, so daß meist Zeitmultiplex-Verfahren zum Einsatz kommen (siehe MAC-Familie, MAC = multiplexed analogue components).

Parallel zur Entwicklung neuer Fernsehsysteme setzte sich die Komponententechnik im Studiobereich relativ rasch durch, weil damit Manipulationen des Videosignals möglich wurden, die bei einem PAL-codierten-Signal entweder überhaupt nicht oder nur mit erheblichem Aufwand realisiert werden konnten oder bei hintereinandergeschalteten Prozessen zu einer Verschlechterung der Signalqualität führten.

Als Beispiele seien hier zu nennen: elektronische Trickerzeugung, Trickmampulation, Nachbearbeitung der Magnetaufzeichnung, Chroma- Key-Technik.

Bild 2. Multiburstsignale als Frequenzpakete und Sweep-Signale - a) Frequenzpakete,
b) Sweep-Signale über Bild oder Zeile
Bild 3. Treppensignal mit gestrichelt eingezeichneter HF-Überlagerung,
Bild 4. Pulssignal zur Messung der linearen Verzerrungen
zu Bild 4.
Bild 5. (Multipulssignal, ausmodulierte 20T-Impulse
zu Bild 5.

3. Auswirkungen auf die Videomeßtechnik

Auf den ersten Blick könnte man denken, daß es sich um die gleiche Meßtechnik handelt wie sie bisher schon bekannt und üblich war, nämlich Messung der linearen und nichtlinearen Verzerrungen, nur um weitere zwei Kanäle erweitert.

An sich müßte sich diese Meßtechnik sogar noch vereinfachen, da keine getragene Farbkomponente mehr vorkommt und alle drei Kanäle gleich behandelt werden können.

Bei genauerer Betrachtung stellt man jedoch sehr schnell fest, daß diese drei getrennt geführten Signale hinsichtlich Amplitude und zeitlicher Lage richtige Verhältnisse zueinander aufweisen müssen, da es sonst zu Farbsättigungs-, Farbtonfehlem oder Farbsäumen kommen kann.

Desweiteren ist bei drei getrennt geführten Signalen das Übersprechverhalten untereinander von großer Bedeutung. Zu berücksichtigen ist speziell bei den Cr- und Cb- Signalen noch, daß hier symmetrisches Aussteuerverhalten vorliegt und die Bandbreite auf die Hälfte oder ein Viertel des Y-Kanals reduziert ist.

4. Meßsignale und Meßmethoden

Um speziell die Zeitrelation, das Amplituden- und das Pulsverhalten der drei Kanäle zu beurteilen, sind spezielle Meßmethoden und Meßsignale entwickelt und vorgeschlagen worden (siehe dazu Entwurf Technische Dokumente 3219-5 der EBU, Video measurement techniques for component analogue tape recorders).
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4.1. Frequenzgangmessungen

Frequenzgangmessungen sowohl im Luminanzkanal als auch in den Chrominanzkanälen lassen sich am besten mit den MultiburstSignalen durchführen, wobei diese als Frequenzpakete oder in Form von Sweep-Signalen vorliegen können. Hilfreich bei Sweep-Signalen ist die Einblendung von Marken, Der Frequenzgang kann in dB oder Prozent ausgedrückt werden, wobei das am Zeilenanfang liegende Weißsignai als Referenz dient. Bild 2 zeigt einige Multiburstsignale.

4.2. Messung der nichtlinearen Verzerrungen

Für diese Messung eignen sich Sägezahn- oder Treppen Signale. Treppensignale bieten den Vorteil, daß durch Differenzieren die Höhe der Treppenstufen einfach ausgewertet werden kann. Überlagert man diesen Signalen noch eine HF-Schwingung mit zum Beispiel 3 MHz/1 MHz, so läßt sich durch Abfiltern die differentielle Verstärkung bestimmen. Bild 3 zeigt ein Treppensignal sowie deren Auswertung durch Differentiation und Abfilterung der überlagerten HF-Schwingung.

4.3. Signale zur Messung der Pulsverzerrungen (lineare Verzerrungen)

Hier ist zu berücksichtigen, daß aufgrund der geringeren Bandbreite der Farbsignale Cr und Cb nicht mehr mit 2T-Signalen und Anstiegszeiten von 2T gemessen werden kann, sondern mit Impulsbreiten bzw. Steigzeiten zwischen 3T und 10T. Bild 4 zeigt ein Pulssignal, mit dem Impulsverzerrungen bei 15 kHz sowie Verzerrungen an Sinusquadratimpulsen (Überschwinger, Puls zu Weißsignal-Verhältnis) beurteilt werden können.

4.4. Messung der Gruppenlaufzeit

Für diese Messung hat man das sogenannte "Multipuls-Signal" vorgeschlagen. Es besteht aus mehreren 20T-Impulsen, die anstatt mit 4,43 MHz mit unterschiedlichen Frequenzen ausmoduliert werden. Im Luminanzkanal verwendet man dabei Frequenzen von etwa 1 MHz bis etwa 5 MHz, für die Differenzkanäle liegt die Obergrenze bei etwa 2,5 MHz. Ausgewertet werden dabei die Boden Verzerrungen des 20T-Impulses, wie dies vom farbträgermodulierten 20T-Impuls bekannt ist. Bild 5 zeigt ein sogenanntes Multipuls-Signal.

4.5. Messung der Amplitudenrelation

Bild 6. Farbbalken mit 100% Sättigung
Bild 7. Farbbalkensignal in X/Y-Darstel-lung. Amplitudenbedingung Cr, Cb-Signale ab=cd, Zeitrelation CrCb-Signale: Übergang Grün nach Magenta muß durch den Nullpunkt gehen

Bei falscher Amplitudenrelation treten Farbsättigungs- oder Farbtonfehler auf. Deshalb ist diese Einstellung besonders wichtig. Als Meßsignal eignet sich hierfür das bekannte Farbbalkensignal. Bild 6 zeigt einen 100/0/100/0 Farbbalken in Komponentenform.

Auswerten kann man dieses Signal mit Hilfe eines Oszilloskops. Für die Amplitudenverhältnisse der Signale Cr und Cg gibt man diese auf die beiden gut kalibrierten Kanäle eines Oszilloskops und betreibt es im X/Y-Mode.

Man erhält dann eine Vektordarstellung, wie man sie von einem PAL-Vektorskop her kennt, die U-Richtung ist gegenüber der PAL-Darstellung jedoch gedehnt. Bei richtigen Amplitudenverhältnissen müssen die auf die Achsen projizierten Signalanteile der Vektoren Rot, Gelb, Cyan und Blau gleich groß sein. Bild 7 zeigt einen Farbbalken in X/Y-Darstellung.

4.6. Messung der Zeitrelation

Fehler im Zeitverhalten der drei Signale untereinander äußern sich in Farbsäumen bei vertikalen Strukturen. Die angewandten Meßmethoden beruhen dabei auf der Differenzbildung zweier Signale.

So kann man zum Beispiel von einem im Y-Signal übertragenen Sinusquadratimpuls einen in den Farbkanälen übertragenen gleich großen und zeitlich exakt übereinstimmenden Sinusquadratimpuls subtrahieren.

Liegt kein Zeitfehler vor, so erscheint als Differenzsignal eine ebene Linie. Bei einem Zeitfehler entsteht ein ähnliches Signal wie bei einem getragenen 20T-Impuls.

Aus dessen Form und Größe läßt sich der Amplituden- und Laufzeitfehler bestimmen. Für diese Messung verwendet man Sinusquadratimpulse mit 5T Halbwertbreite oder größer.

Eine weitere Möglichkeit ergibt sich, wenn man zum Beispiel im Y-Kanal ein Frequenzpaket mit 500 kHz, in den Kanälen Cr, Cb ein Frequenzpaket gleich großer Amplitude jedoch mit 502 kHz überträgt.

Durch Differenzbildung erhält man an einem Punkt entlang der FS-Zeile eine Auslöschung, zum Beispiel in Zeilenmitte. Bei Laufzeitfehlern verschiebt sich diese Auslöschung entlang der Zeile.

Treten gleichzeitig noch Amplitudenfehler auf, so findet keine Auslöschung statt. Es entsteht ein absolutes Minimum, so daß sich mit diesem Signal auch Amplituden- und Zeitfehler bestimmen lassen.

Nachdem das aus der Differenzbildung entstandene Signal wie eine Fliege aussieht, wird es häufig auch als "Bowtie-Signal" bezeichnet. Werden zusätzlich noch Zeitmarken in das Videosignal eingeblendet, so ergibt sich eine sehr gute Auswertung des Zeitfehlers. Bei einem Zeitfehler von zum Beispiel 20ns verschiebt sich der durch die Differenzbildung erzeugte Nulldurchgang um 5us.

Eine einfache aber nicht so elegante und exakte Methode der Zeitrelationsmessung ergibt sich durch Ausmessen der Zeitdifferenz mit einem Oszilloskop mit zweiter Zeitbasis.

Als Meßsignal eignet sich das Farbbalkensignal. Auswerten sollte man dabei den Übergang von Grün auf Magenta, da hierbei die Farbdifferenzsignale die größte Änderung aufweisen.

4.7. Messen des Übersprechens

Bei dieser Messung werden zwei Kanäle voll ausgesteuert und im nicht ausgesteuerten Kanal das übersprechende Signal gemessen. Als Meßsignale eignen sich sowohl die Multiburstsignale als auch Pulssignale.

5. Komponentensignale des Grundig-Generators VG 1000/1001C

Aufgrund der zunehmenden Nachfrage nach komponentenfähigen Generatoren bietet Grundig electronic seine Videogeneratoren VG 1000/1001 (Bild 8) in einer Komponentenvariante an. Als Signale stehen sowohl das FuBK-Testbild, als auch eine ganze Reihe Füll-Field-Signale zur Verfügung, so daß wichtige Messungen wie Amplitudenrelation und Pulsmessungen, sowie Linearitätsmessungen durchgeführt werden können.

Diese Generatoren weisen ein äußerst günstiges Preis- / Leistungsverhältnis auf und sind zudem um die Option Schrifteinblendung, Sync-Extern und RGB-Ausgänge erweiterbar.

Auch für die eingangs erwähnte Schnittstelle Y/C (S-VHS) bietet Grundig Generatoren. So wird der FC70 S/PLL zusätzlich zu den Optionen RGB-Ausgang und Videotext um den Ausgang Y/C erweitert.

Tabelle I zeigt einige wichtige technische Daten der unterschiedlichen Signalschnittstellen.
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Tabelle I. Technische Daten der Signalschnittstellen

RGB-Schnittstelle:  
3 Kanäle:  
RGB : 0,7 V BA, Bandbreite je Kanal 5 MHz
  0,3 V Sync auf Grün
YUV-Schnittstelle:  
3 Kanäle:  
Y-Signal : 0,7 V BA, 0,3 V Sync, Bandbreite S MHz
Cß, Cß-Signal : ±0,35 V (100 % Farbbalken), kein Sync, Bandbreite
  etwa 3 MHz
Y/C-Schnittstelle:  
2 Kanäle:  
Y-Signal : 0,7 V BA, 0,3 V Sync, Bandbreite 5 MHz
C-Signal : 0,3 V (Spitze-Spitze) bezogen auf Burstsignal, moduliert
  auf Färb träger
FBAS-Schnittstelle:  
1 Kanal:  
FBAS-Signal 0,7 V BA, 0,3 V Sync, Farbsignal bezogen auf Burst
  0,3 V (Spitze-Spitze), Bandbreite gesamt 5 MHz, Luminanz und Chrominanz spektral verkämmt

Schrifttum

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  • Wolf. P: Die Situation der FS-Meßtechnik mit Blick auf die zunehmende Verwendung analoger Komponentensignale im Studiobereich. Rundfunktech. Mitt. Bd. 30 (1986) Nr. 6
    CCIR ftecomrnemation 601: Encoding Parameters of digital television for studios
  • Schönfelder, H; Komponententechnik im Fernsehen, Fernseh- und Kino-Tech. Bd. 40 (1986) Nr. 8
  • Naiayaaa, A: Analoge Komponentensignal-Darstellung und -Erzeugung. Femseh- und Kino-Tech. Bd. 40. (1986) Nr. 6
  • EBU Technical document 3219-5: Video measuerement technigues for component analogue television tape recorders. european broadcasting union bruasels

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