In den vorangegangenen Abschnitten FF 1 und FF 4 wurde schon kurz auf die verschiedenen Farb-fernsehsysteme hingewiesen. Es war dort von CBS (mechanisch), NTSC (elektronisch), daraus folgend SECAM und PAL die Rede und seit der Konferenz in Wien hörte man auch den neuen Begriff QAM. Wir wollen uns hier nur mit den wichtigsten, den heute noch diskutierten Übertragungsverfahren NTSC, SECAM und PAL beschäftigen.

Unter einem Farbfernseh-Übertragungsverfahren versteht man die Behandlung der elektrischen Farbfernsehsignale zwischen Kamera und Bildröhre. In den vorigen Abschnitten FF 4/5 wurden die verschiedenen Wiedergabe- und Aufnahmemöglichkeiten diskutiert. Wir haben erfahren, daß eine Farbfernsehkamera (mit drei Aufnahmeröhren) im Gegensatz zu einer herkömmlichen Fernsehkamera (mit einer Aufnahmeröhre) drei spektrale Empfindlichkeiten haben muß, deren Maxima für den Blaukanal bei etwa 450 m/u, für den Grünkanal bei etwa 550 m/u und für den Rotkanal bei etwa 610 m/u liegen (vgl. Bild 18).

Unsere Farbkamera liefert drei Ausgangssignale. Wir nennen sie Farbwertsignale, weil sie den mit einem Farbmeßgerät gewonnenen Farbwerten R, G und B proportional sind und bezeichnen sie mit UR, UG und UB.

Die Farbbildröhre im Empfänger braucht eben diese Signale zur Steuerung ihrer drei Elektronenkanonen. Vor Beginn der eigentlichen Farbübertragung ist die Farbkamera wie ein Farbmeßgerät zu eichen. Ihre Ausgangssignale werden so eingestellt, daß sie bei Übertragung eines unbunten (weißen) Bildes gleiche Größe haben (Anmerkung: Man nannte das dann den Weißabgleich). Empfängt die Farbbildröhre diese gleich großen Signale, so muß sie aus bekannten Gründen ein unbuntes (weißes) Bild wiedergeben.

Ein Problem, das Kamera und Bildröhre gemeinsam angeht, ist allerdings bisher stillschweigend umgangen worden. Wir wollen nachstehend darauf eingehen.

Im vorangegangenen Abschnitt setzten wir voraus, daß Kamera und Bildröhre lineare Kennlinien haben. Linear bedeutet beispielsweise für die Bildröhre eine strenge Proportionalität zwischen Steuerspannung und Schirmhelligkeit. Leider läßt sich dies nicht realisieren, da bei allen Elektronenröhren der Zusammenhang zwischen Gitterspannung und Anodenstrom (entspricht der Schirmhelligkeit) eben nicht linear ist.

In der Photographie haben wir ähnliche Verhältnisse. Dort ist der Zusammenhang zwischen Belichtung (abhängig von Blende und Zeit) und Filmschwärzung nichtlinear, er gehorcht einer Potenzfunktion (Aus der Mathematikstunde: Fläche eines Quadrates F = a2 ist eine einfache Potenzfunktion, wobei die hochgestellte Zahl, hier die 2, als Exponent bezeichnet wird. Eine Funktion mit einer 2 als Exponent nennt man auch eine quadratische.)

Ganz allgemein bezeichnet man in der Photographie den Exponenten der Schwärzungsfunktion mit dem griechischen Buchstaben Gamma (γ). »Harte« Filme haben beispielsweise einen großen y-Wert, d. h. kleine Belichtungsunterschiede ergeben bereits große Schwärzungsdifferenzen.

Man spricht hier auch von harter Gradation. Um von einem Film mit großem Gamma einen Abzug mit vernünftiger Gradation machen zu können, verwendet man Kopierpapier mit kleinem γ-Wert, ein - wie es im Fachjargon heißt - »weiches« Papier. Wünschenswert wäre ein aus Film und Kopierpapier resultierendes Gesamtgamma von 1, dann bestünde ein linearer Zusammenhang zwischen den verschiedenen Helligkeitswerten der aufgenommenen Szene und denen des Fotos.

Die Bildröhre hat einen Gammawert von etwa 2 (Bild 19a). In Analogie zur Photographie stellt sie ein »hartes« Kopierpapier dar. Wir brauchen also einen »weichen« Film bzw. eine Kamera mit einem kleinen Gammawert. Da nicht alle Kameras gleiche Aufnahmeröhren haben und außerdem die Empfänger weitaus mehr vertreten sind, schaltet man hinter die Kamera einen Verstärker, der diese Kennlinienverzerrungen für alle Empfänger ausgleicht. Er enthält spezielle Stufen, bei denen die Ausgangsspannung mit zunehmender Eingangsamplitude weniger stark ansteigt, also mutwillig verzerrt wird (Bild 19 b).

Der Exponent dieser Gamma-Korrekturstufen muß zu dem der Bildröhre reziprok sein. (Der Reziprokwert zu 2 ist 72, das Produkt hiervon ist 1.)
Die y-korrigierten Farbwertsignale werden im folgenden zur Unterscheidung von den nicht korrigierten mit einem Strich gekennzeichnet: U'R, U'G und U'B.

So viel über die beiden Endpunkte unserer Farbfernseh-Übertragungsstrecke. Aber was passiert dazwischen?

Der einfachste Weg, die Kamera mit der Bildröhre zu verbinden, ist der direkte Draht (Anmerkung : besser spricht man von einem Kabel). Genauer gesagt erfordert dieses »Kurzschlußverfahren« drei Drähte, für jedes Farbwertsignal einen. Natürlich müssen noch Verstärker eingefügt werden, denn die Bildröhre braucht zu ihrer vollen Aussteuerung etwa 100V, während die Kamera nur maximal 1V je Kanal abgibt; aber das ändert nichts am prinzipiellen Verfahren.

Wenn das Bild, sei es farbig oder schwarzweiß, scharf sein soll, muß jeder der drei Kanäle eine Bandbreite von ca. 5 MHz haben. Bei einer Drahtverbindung ist das eben noch akzeptabel, aber bei einer drahtlosen Übertragung wäre es wegen der überbesetzten Fernsehkanäle geradezu eine Verschwendung von sogenannter Übertragungs-"Bandbreite".

Auch das Farbfernsehen sollte mit der für das Schwarzweiß-Fernsehen festgelegten Übertragungsbandbreite von insgesamt 5 MHz auskommen. Außerdem ist da noch ein Umstand, der bisher keinerlei Berücksichtigung fand. Es sind die vielen bereits vorhandenen Schwarzweiß-Fernseher, die auch etwas vom Farbprogramm haben wollen, indem sie es wenigstens schwarzweiß sehen möchten.

Im Abschnitt FF 1 war einmal die Rede von der Kompatibilität. Kurz ausgedrückt bedeutet das, was dem einen bunt ist, soll dem anderen schwarzweiß sein; beides soll miteinander »verträglich« sein.

(Anmerkung : Das war fast genau das gleiche Problem wie bei der Einführung von Stereo um 1963, als man die Mono UKW-Radiohörer nicht vergessen durfte und wollte.)

Für den herkömmlichen Fernsehempfänger hätten wir bei einer Farbfernsehsendung drei Signale zur Auswahl, das aus dem Rot-, Grün- oder Blaukanal. Ein Schwarzweiß-Empfänger, der ja nur Helligkeitsabstufungen wiedergeben kann, wird bei keinem dieser Signale ein gradationsgerechtes Bild reproduzieren können.

»Sieht« die Kamera die Blüte einer schönen tiefroten Rose, so wird nur der Rotkanal ein Signal abgeben. Der Blau- und Grünkanal liefern keine Spannungen, weil von der Rose kein blaues und grünes Licht reflektiert werden kann. Ein Schwarzweiß-Empfänger würde, wenn er nur das Rotsignal angeboten bekäme, diese Rose weiß wiedergeben. Würde man dagegen den Empfänger nur an den Grün- oder Blau-Kanal anschließen (beide liefern ja in diesem Fall keine Spannung), sähe man auf dem Bildschirm eine - in der Botanik sehr seltene - schwarze Rose.

Für eine exakte Schwarzweiß-Wiedergabe braucht man an sich eine Kamera, deren spektrale Hellempfindlichkeit der des menschlichen Auges gleicht (Bild 10 auf Seite 15). Unsere Farbkamera hat aber, wie schon gesagt, spektrale Charakteristiken mit drei Maxima, also liefert sie bei der Übertragung eines mehrfarbigen Bildes, z. B.

• der roten Rose
• mit grünen Blättern
• in einer blauen Vase,

in Form von elektrischen Signalen die drei Farbwerte der Szene. Wie soll man nun aus diesen drei Farbwertsignalen eine für den Schwarzweiß-Empfänger gerechte Steuerspannung ableiten?

Ein schwieriges Problem scheint sich hier aufzutürmen, aber die Lösung ist dennoch recht einfach. Erinnern wir uns an die Grundlagen der Farbmetrik und in diesem Zusammenhang an die Gleichungen (16). Eine von ihnen, die mittlere, lautete Y = 1,000 R + 4,591 G + 0,060 B.

Sie ist für unsere weiteren Betrachtungen von außerordentlicher Bedeutung.

Wir gingen nämlich davon aus, daß der an dem einen fiktiven Primärstrahler abgelesene Y-Farbwert die Helligkeit einer nachzubildenden Lichtsorte charakterisiert, und zwar so, wie es die Augenempfindlichkeitskurve angibt. Die Gleichung zeigt, daß wir den Y-Farbwert durch bestimmte Anteile der RGB-Farbwerte ersetzen können. Was hindert uns also daran, es mit den Farbwertsignalen U'R, U'G und U'B, die ja den Farbwerten R, G, B entsprechen, genauso zu machen, um damit ein sogenanntes Helligkeitsbzw. U'y-Signal zu erhalten?

Ehe wir hierfür die Gleichung (16) anwenden, muß noch etwas bedacht werden. Die Beziehung zwischen den RGB- und den XYZ-Farbwerten galt unter den Voraussetzungen, daß die RGB-Strahler die auf Seite ?? (FF 3), genannten Wellenlängen haben (700 m/u, für Rot, 546 m/u für Grün und 436 m/u für Blau) und daß für beide Systeme das Gleichenergieweiß W zum Eichen benutzt wurde.
Diese zwei Bedingungen sind beim Farbfernsehen nicht mehr gegeben. Die Empfängerprimärstrahler haben andere Farbkoordinaten (Bild 13, (R)E, (G)E, (B)E). Auch das Eichweiß ist etwas bläulicher gewählt, so etwa, wie wir es von den Schirmen der normalen Bildröhren her gewöhnt sind. Es hat nicht mehr die Koordinaten x = 0,33, y = 0,33 wie in Bild 11, sondern x = 0,310, y = 0,316 und wird als Standardweiß C bezeichnet.

Zur Frage der Helligkeit selbst wäre noch zu sagen, daß es völlig uninteressant ist, ob die Helligkeit des aufzunehmenden Bildes der des wiedergegebenen absolut entspricht. Im allgemeinen leuchtet man im Studio eine Szene mit so starken Scheinwerfern aus, daß eine Bildröhre diese Helligkeit gar nicht exakt wiederzugeben vermag.

Wichtig ist lediglich, daß die Relation zwischen dunklen und hellen Bildstellen gewahrt bleibt, die sogenannte Gradation muß stimmen. (Anmerkung : In der Musikwiedergabe entspricht das in etwa der Dynamik der Musik.)

Aus diesem Grund kann man die absolute Größe der Koeffizienten in Gleichung (16) beliebig wählen, ihr Verhältnis zueinander muß nur richtig sein. Eine Normierung hat sich immer bewährt, also errechnet man die Koeffizienten so, daß ihre Summe 1 wird.

Mit anderen Worten (für das schwarz weiß Signal) : U'Y besteht aus 30% Signal von der »roten«, 59% von der »grünen« und 11% von der »blauen« Kameraröhre.

Durch die elektrische Zusammensetzung (Summierung) wird somit die unterschiedliche Empfindlichkeit des Auges für verschiedene Farben mit berücksichtigt. Man macht dies in Stufen, die ehrfurchtsvoll mit Matrix bezeichnet werden. Im einfachsten Fall sind das einige Widerstände mit bestimmten Ohm-Werten (Bild 20). Entsprechen die Teilerverhältnisse den Koeffizienten in Gleichung (16), so kann am Widerstand RY das Helligkeitssignal U'Y abgenommen werden.

Zwei kleine Beispiele sollen das Verständnis erleichtern. Im Studio wird eine weiße (unbunte) Fläche mit maximaler Helligkeit von der Kamera aufgenommen. Voraussetzungsgemäß erscheinen an den drei Kameraausgängen die Farbwertsignale U'R = 1V, U'G = 1V und U'B = 1V.

Das Helligkeitssignal hat dann die (summierte) Größe
U'Y = 0,30 • 1 + 0,59 • 1 + 0,11 • 1 = 1V.

Stellt man die Studioscheinwerfer auf kleinere Leistung, so verringert sich entsprechend das U'Y-Signal, wobei die Farbwertsignale immer einander gleich bleiben, also beispielsweise alle auf den Wert 0,5 V absinken.

Wird statt Weiß ein voll gesättigtes Gelb mit einer Wellenlänge von ca. 580 m/u übertragen, das nach Bild 6 nur rote und grüne Anteile hat, so stellen sich folgende Spannungen an den drei Kameraausgängen ein:
U'R = 1V; U'G = 1V; U'B = 0V und nach Gleichung (16) dann U'Y = 0,30-1 + 0,59-1 +0,11 .0 = 0,89V.

Dieser Wert von U'Y könnte auch aus Bild 10 auf Seite 15 entnommen werden, wenn die senkrechte Achse statt in relativer Helligkeit in Volt geeicht wäre.

Mit dem U'Y-Signal haben wir also eine Größe, die auf dem Schwarzweiß-Schirm jede Farbe in gradationsgerechte Grautöne übersetzt. Da das Bild außerdem scharf sein soll (detaillierte Bildauflösung), hat das U'Y-Signal eine Bandbreite von 5 MHz und besitzt auch noch zur Synchronisation von Zeilen- und Bildablenkung die erforderlichen Impulse. Es ist, alles in allem, ein regelrechtes Schwarzweiß-Fernsehsignal, nur mit dem Unterschied, daß es nicht von einer einzigen Aufnahmeröhre stammt, sondern aus den Spannungen dreier Kameraröhren zusammengesetzt ist. Für die Farbfernsehtechnik ist das U'Y-Signal das die Bildschärfe tragende Hauptsignal.

Nach diesem Intermezzo, das die Belange des Schwarzweiß-Empfängers bei Farbsendungen behandelte, wollen wir uns wieder der Farbe zuwenden und zunächst das Ursystem aller heute erörterten Farb-fernsehnormen beschreiben.

Ein Team von ausgesuchten Ingenieuren der gesamten amerikanischen Fernsehindustrie, das "National Television System Committee", entwickelte dieses System nach 1945 in relativ kurzer Zeit. Seine genialen Grundideen sind noch heute die Basis aller Diskussionen um weitere Normen.

Die Randbedingungen für ein Farbfernsehsystem waren doch die folgenden:
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1. Ein Schwarzweiß-Empfänger soll Farbfernsehsendungen schwarzweiß wiedergeben. Diese Kompatibilität mit dem Schwarzweiß-System ist durch das U'Y-Signal erfüllt.
2. Die Bandbreite eines Schwarzweiß-Kanals soll wegen der bereits bestehenden Frequenzeinteilung auch für Farbsendungen nicht überschritten werden.
3. Ein Farbfernsehempfänger soll auch Schwarzweiß-Sendungen empfangen können. (Vielfach wird hierfür das nicht ganz richtige Wort Rekompatibilität gebraucht.)
4. Störungen (Rauschen, Zündfunken von Kraftfahrzeugen usw.) sollen den Farbempfang nicht mehr beeinträchtigen, als eine herkömmliche Übertragung.

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Wir erfuhren bereits, daß man im Rahmen von verschiedenen Vorarbeiten auch die Eigenschaften des Auges eines »Normalbeobachters« untersuchte. Nun wurde neben der Hellempfindlichkeit für unterschiedliche Farben (Bild 10) noch festgestellt, daß die Grenzen zwischen den Stellen verschiedener Farben relativ verwaschen sein können, ohne daß das Auge daran Anstoß nimmt.

Wird dem verwaschenen Farbbild ein konturengleiches, scharfes Schwarzweiß-Bild überlagert, so ist auch der Gesamteindruck wieder scharf. Der gleiche Effekt wurde schon bei Kindermalbüchern diskutiert (FF 1). Das Resümee dieser Tatsache ist, daß ein nur die Farbart kennzeichnendes Signal schmalbandig sein kann.

Zur Definition einer Lichtsorte brauchen wir drei Größen. Das Farbmeßgerät liefert die drei Farbwerte R, G und B, die Farbkamera drei analoge Farbwertsignale U'R, U'G und U'B. Bei der Drahtverbindung (Kabel-Verbindung) zwischen Kamera und Bildröhre wurden sie direkt benutzt, allerdings unter Inkaufnahme der großen Kanal-Bandbreiten.

Eine weitere, speziell für das Farbfernsehen geeignete Definition lernten wir mit den Begriffen Helligkeit, Farbsättigung und dominierender Lichtwellenlänge kennen (FF 3). Da wir eine dieser Größen, die Helligkeit, sowieso aus Kompatibilitätsgründen übertragen müssen, ist nur noch ein Weg zu finden, wie die beiden restlichen Bestimmungswerte in elektrische Signale umzusetzen sind. Sie können - da sie nur Farbinformationen tragen - wegen des mangelhaften Farbauflösungsvermögens des Auges schmalbandig sein.

Auf der Suche nach einer vernünftigen Realisierung dieser Farbdefinitionssignale erinnert man sich gleich an den Farbkreis (Bild 12).

Ein Zeiger, der um den Mittelpunkt rotieren kann, gibt durch seine Länge den Grad der Farbsättigung an und mit seiner Richtung, bzw. seinem Winkel gegenüber der Horizontalen, die dominierende Wellenlänge bzw. die Farbart (ob Rot, Gelb, Grün usw.). Das soll der Ausgangspunkt zu unseren weiteren Überlegungen sein.

Zunächst wollen wir in der Elektrotechnik ein Analogon zu der Zeigerdarstellung des Bildes 12 suchen. Eine allgemein bekannte Art, eine Wechselspannung darzustellen, zeigt Bild 21 b. Zum Zeitpunkt t = 0 beginnt die Spannung 1 (blaue Kurve) von 0 an zu steigen, erreicht nach 1/4 Sekunde ihr positives Maximum, ist nach einer weiteren 1/4 Sekunde, also insgesamt nach einer 1/2 Sekunde wieder auf null und durchläuft in der nächsten halben Sekunde die gleichen Werte wie vorher, aber mit negativem Vorzeichen. Dieser Verlauf wiederholt sich beliebig oft. Wir haben es im vorliegenden Beispiel mit einer sinusförmigen Wechselspannung der Frequenz 1 Hz und der Maximalamplitude 2V zu tun.

Ein kleines Gedankenexperiment soll uns eine andere Darstellungsart klarmachen (Bild 21 a). Ein Zeiger (1) der Länge 2cm rotiere mit einer Umdrehung je Sekunde gegen den Uhrzeigersinn. Schaut man nun von links auf die Seite des Zeigers 1, so ist er nur dann in voller Länge sichtbar, wenn er senkrecht nach oben oder unten gerichtet ist. In allen anderen Lagen erscheint er kürzer als 2cm. Tragen wir die sichtbare Länge dieses Zeigers in Abhängigkeit von seiner momentanen Lage bzw. der momentanen Zeit auf, so ergibt sich wieder die Kurve 1 nach Bild 21 b. Eine Wechselspannung läßt sich also durch einen rotierenden Zeiger (Vektor) darstellen. Seine Länge ist ein Maß für ihre Maximalamplituden, und die Umdrehungen je Sekunde geben die Frequenz an.

Ein zweiter Zeiger (2), der mit dem ersten im Drehpunkt fest verbunden, aber um 90° gegen ihn versetzt ist, ergäbe die rot gezeichnete Kurve 2. Es ist gleichfalls eine Sinuskurve, sie eilt der ersteren aber um 1/4 Sek. voraus. Man sagt auch, sie ist (wie der Zeiger 2 gegen Zeiger 1) um + 90° phasen-verschoben.

Setzt man immer eine sinusförmige Spannung voraus, so interessiert die graphische Darstellung nach Bild 21 b nicht mehr. Von Bedeutung sind nur Startzeitpunkt, Maximalamplitude und Frequenz.

Jetzt beleuchten wir in einer Dunkelkammer die rotierenden Zeiger mit einem Photoblitz kurzzeitig immer nur dann (Bild 22), wenn der Zeiger 1 durch die Null-Lage läuft. (Ein Synchronkontakt an diesem Zeiger könnte das leicht bewerkstelligen.) Wir sehen beide Zeiger scheinbar stillstehen, den einen nach rechts, den zweiten nach oben weisend. Während der restlichen Umdrehung ist nichts zu sehen. (Der Fachmann nennt eine solche Blitzlampe Stroboskop.)

Aus diesen Momentaufnahmen lassen sich die interessierenden Größen der zugeordneten Wechselspannung ablesen:
Längen der Zeiger = Maximalamplituden der Spannungen (in Bild 21 zufällig gleich groß)
Lage des Zeigers 1 = Startzeitpunkt
Lage des Zeigers 2 = Phasenwinkel der Spannung 2 (in Bild 21 ...90°)
Zahl der Blitze je Sekunde = Frequenz.

Im folgenden soll uns die Frequenz zunächst nicht weiter kümmern. Wichtig sind nur die zwei um 90° gegeneinander phasenverschobenen Spannungen, die durch je einen Zeiger dargestellt sind. Ähnlich dem Kräfteparallelogramm kann man diese beiden Spannungen zu einer dritten, resultierenden Spannung (3) zusammensetzen (Bild 23 a).
Die Phase der dritten Spannung (3) gegenüber der ersten - wir nennen diese (1) Bezugs- oder Referenzspannung - hängt jetzt nur noch von dem Amplitudenverhältnis der beiden Spannungen 1 und 2 ab. Die Amplitude (Länge des resultierenden Zeigers 3) ergibt sich ebenfalls aus dem Parallelogramm. Wenn nun noch die Zeiger 1 und 2 ihre Richtung umkehren können (Bild 23 b bis d) - sie stehen dabei nach wie vor senkrecht aufeinander -, bestreicht der resultierende Zeiger den ganzen Kreis. Die Bilder 23 a-d zeigen von vielen möglichen Kombinationen vier willkürlich herausgegriffene.

Damit ist unser Analogon zum Farbkreis fertig. Der resultierende Zeiger 3 kann seine Richtung und Länge je nach Polarität und Größe der beiden Zeiger 1 und 2 beliebig ändern, genau wie der Zeiger im Farbkreis (Bild 12, Seite 17).

Schwieriger scheint es schon, die Zeiger 1 und 2 bzw. die beiden um 90° gegeneinander phasenverschobenen Spannungen so mit den Farbwertsignalen zu beeinflussen, daß die resultierende Spannung (Zeiger 3) mit ihrer Amplitude die Sättigung und mit ihrer Phase gegenüber der positiven Richtung der Spannung 1 die Farbart kennzeichnet.

Aber auch hierfür hat das NTSC-Team eine elegante Lösung gefunden. Die Farbbildröhre braucht zu ihrer Steuerung die drei Farbwertsignale U'R, U'G und U'B. Da aus Kompatibilitätsgründen eine Kombination aller drei Signale, das U'Y-Signal, sowieso ausgesendet werden muß, ziehen wir es vor der Übertragung aus hier nicht weiter diskutierten Gründen eines störungsfreien Farbempfangs von den Farbwertsignalen ab und setzen es später im Empfänger wieder zu. Wir kommen damit zu den Farbdifferenzsignalen.

Es sind sozusagen von der Helligkeit befreite Farbwerte. (Man denke an die X- und Z-Primärstrahler, die auch nicht zur Helligkeit beitrugen.)

Um das zu verstehen, braucht man sich nur einen Maler vorzustellen, der ein Zimmer dreifarbig zu streichen hat und zunächst nur über Büchsen mit weißer Farbe (= Helligkeitssignal) verfügt. Er wird dann logischerweise nicht noch weitere Büchsen mit den fertigen gewünschten Farben heranschaffen, sondern die bereits vorhandene weiße Farbe mit jeweils entsprechendem Farbpulver (= Farbdifferenzsignal) tönen.

Betrachten wir nun wieder das Farbfernsehen und die Übertragung der eine Farbe kennzeichnenden Signale.

Zu unserem Schrecken haben wir jetzt plötzlich vier notwendige Informationen, die drei Differenzsignale und das U'Y-Signal, obwohl laut Theorie nur drei von einander unabhängige Größen zur Farbdefinition erforderlich sind. Soll das wieder der berüchtigte Unterschied zwischen Theorie und Praxis sein?

Eine kleine Rechnung zeigt uns, daß wir eines der drei Differenzsignale einsparen können. Aus bestimmten Gründen - auch hier spielt wieder der störungsfreie Farbempfang eine Rolle - wird das (U'G - U'Y)-Signal (Gründifferenzsignal) nicht übertragen, denn es ergibt sich im Empfänger aus den beiden anderen Differenzsignalen.

Das Gründifferenzsignal U'G - U'Y kann im Empfänger aus negativen Anteilen der beiden anderen Differenzsignale mathematisch zusammengesetzt werden. Man bedient sich hierbei wieder einer Matrixstufe, die der in Bild 20 gezeigten ähnlich ist.

Zwischendurch noch ein Wort zu negativen Signalen. Aus der Zeigerdarstellung einer Wechselspannung können wir entnehmen, daß eine negative Spannung durch einen umgeklappten Zeiger versinnbildlicht wird, also durch eine Drehung um 180°.

Jede normale Verstärkerstufe dreht aber die Phase um 180°, so daß am Ausgang einer solchen Stufe gegenüber dem Eingang ein negativ gerichtetes Signal zur Verfügung steht. In der NF-Technik wird auch oft der Begriff gegenphasig oder Phasenumkehr verwendet, beides bedeutet negatives Signal in unserem Sinne.

Kehren wir zu unseren beiden restlich verbliebenen Farbdifferenzsignalen U'R -U'Y und U'B-U'y zurück. Da sie nur Farbinformationen enthalten, wird ihre Bandbreite auf maximal 1,2 MHz begrenzt.

Zur Übertragung wollen wir diese Farbdifferenzsignale einmal probehalber den vorher erwähnten beiden, um 90° gegeneinander gedrehten, nunmehr aber hochfrequenten Wechselspannungen in folgender Weise aufmodulieren: U'B -U'Y moduliere die Spannung mit dem horizontalen Zeiger (1), U'R -U'Y die mit dem vertikalen Zeiger (2), und zwar derart, daß die Zeigerlängen den Spannungswerten der zugehörigen Differenzsignale entsprechen (vgl. Bild 23). Außerdem wollen wir voraussetzen, daß die Polarität beider Trägerspannungen (Zeiger 1, nach rechts = positiv, nach links = negativ; Zeiger 2, nach oben = positiv, nach unten = negativ) mit der der zugehörigen Differenzsignale übereinstimmt.

In Tabelle I sind für verschiedene 100% gesättigte Lichtsorten (Rot, Grün, Blau sowie ihre Komplementärfarben) die Helligkeits- und Differenzsignale ausgerechnet. Bei den unbunten Lichtsorten Weiß, Grau und Schwarz sind die Differenzsignale voraussetzungsgemäß Null.

Auf Seite 28 hatten wir schon in einfachen Beispielen das U'Y-Signal errechnet. Zur Erläuterung der Werte aus Tabelle I wollen wir den Rechnungsgang weiter fortsetzen und annehmen, daß eine Purpurfarbe übertragen werden soll.

Purpur besteht nur aus Rot und Blau, deshalb sind die Kamerasignale (Spalte 1)
U'r = 1V, U'G = 0V und U'B = 1V.
U'y errechnet sich nach Gleichung ® zu
U'y = 0,30 • 1 + 0,59 -0 + 0,11-1 = 0,41V

Weiter sind die Differenzsignale (Spalte 3)
u'r - U'y = 1 - 0,41 = 0,59V
U'B - U'y = 1 - 0,41 = 0,59V.

Leider muß man auch bei der Übertragung der Differenzsignale auf die bestehende Schwarzweiß-Norm Rücksicht nehmen. Wie bekannt ist, wird der Bildträger im Fernsehsender mit dem Videosignal fast voll ausmoduliert. Wenn wir nun noch dem Videosignal (U'Y-Signal beim Farbfernsehen) den Farbträger mit seiner vollen Amplitude zusetzen, kann bei gesättigten Farben der Sender stark übermoduliert werden. Große Verzerrungen der Farbinformation wären die Folge. Deshalb reduziert man beide Differenzsignale, bevor sie dem Hilfsträger aufmoduliert werden, und zwar mit unterschiedlichen Faktoren, um wieder möglichst störungsfreien Farbempfang zu garantieren.

Der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, daß man beim Original-NTSC-System das Farbsignal nicht direkt aus den Rot- und Blaudifferenzsignalen bildet, sondern aus weiteren Kombinationen beider. Sie heißen dann I'- und Q'-Signal. Damit paßt man sich noch mehr dem Farbauflösungsvermögen des Auges an. Diese Feinheiten beeinflussen aber in keiner Weise das Prinzip des NTSC-Systems.

Nach der rudimentären Erklärung des Modulationsverfahrens müssen wir uns überlegen, welche Frequenz der Farbhilfsträger haben soll. Er muß bedingungsgemäß innerhalb des 5 MHz breiten Y-Kanals liegen, soll aber andererseits nicht den Schwarzweiß-Empfang stören.

Nun kommt das U'Y-Signal dieser Forderung etwas entgegen. Wie schon vor langer Zeit entdeckt und berechnet, sind in einem normalen Fernsehsignal nicht alle Frequenzen von 0 bis 5 MHz enthalten, sondern im wesentlichen nur Vielfache der Zeilenfrequenz. Dazwischen befinden sich Lücken wie in einem Lattenzaun. Und in diese Lücken setzt man die Farbinformation.

Erreicht wird dies durch eine spezielle Farbhilfsträgerfrequenz, die ein ungradzahliges Vielfaches der halben Zeilenfrequenz sein muß. Es wurde aus technischen Gründen eine Frequenz von 4,4296875 MHz gewählt, das ist 567 mal der halben Zeilenfrequenz von 15,625 kHz. Die beiden kombinierten Farbdifferenzsignale I' und Q' werden diesem Träger noch mit unterschiedlicher Bandbreite nach dem weiter vorn angegebenen Verfahren aufmoduliert und anschließend dem U'y-Signal zugesetzt. Im Bild 25 ist ein NTSC-Sender im Blockschema angedeutet. Seine Funktion sei nachstehend kurz beschrieben.

Die Kamerasignale UR, UG und UB durchlaufen die y-Korrekturstufen und werden in der Y-Matrix zum Helligkeitssignal U'Y zusammengesetzt.
Gleichzeitig kombiniert man in zwei weiteren Matrixstufen [(R-Y)-Matrix und (B-Y)-Matrix] die beiden Farbwertsignale U'R und U'B mit dem in einer Umkehrstufe erzeugten negativen U'Y-Signal zu den reduzierten Farbdifferenzsignalen und begrenzt sie in der Bandbreite.

Die zugehörigen Modulatoren müssen analog zu den Zeigern 1 und 2 (Bild 23) zwei um 90° gegeneinander phasenverschobene Trägerspannungen erhalten. Der Farbhilfsträger wird in einem quarzstabilisierten Generator erzeugt, der an den (B-Y)-Modulator direkt und an den (R-Y)-Modulator über ein 90°-Phasen-drehglied angeschlossen ist.

Für die NTSC-Norm wird der später behandelte PAL-Umpoler umgangen (Umschalter PAL/NTSC nach oben gelegt). Weiterhin wird in einem dritten Modulator derspäterzu beschreibende Farbsynchron-impuls (Burst) aus dem um 180° gedrehten Farbhilfsträger erzeugt.
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Die Ausgangssignale aller drei Modulatoren werden anschließend mit dem U'Y-Signal zum kompletten Farbvideosignal (FBAS-Signal = Farb-Bild-Austast-Synchron-Signal) zusammengesetzt (Bild 26). (Wegen der jetzt aktuellen PAL-Norm ist eine Modulation mit den reinen Differenzsignalen und nicht mit den I'- und Q'-Signalen eingezeichnet).

Damit der Farbempfänger auch immer »weiß«, wo die (U'B -U'Y)-Achse liegt - er muß ja die Phase des Hilfsträgers zur Bestimmung der Farbart erkennen - wird zu Beginn einer jeden Zeile der Farbhilfsträger mit der Phase 180° (entspricht der negativen U'B - U'Y)-Richtung) ganz kurz gesendet. Das ist gewissermaßen das Farbsynchronsignal (englische Bezeichnung: Burst), es stellt in Bild 22 den Zeiger mitdem Synchronkontaktfürden Photoblitz dar (in Bild 24 finden wir gleichfalls diesen Zeiger). Prinzipiell ist es auch möglich, das Farbsynchronsignal mit der Phase 0° zu senden, aber bei 180° Drehung sind eventuelle Störungen im Bild am geringsten. Der Empfänger muß dann eben immer zur gemessenen Phase weitere 180° addieren.

Bild 26 zeigt das Zeilenoszillogramm eines kompletten Farbsignals für die in Tabelle I angegebene Farbenreihe ohne Grau. Die Treppe entspricht dem U'y-Signal und die Höhe der »Pakete« auf dem U'Y-Signal der resultierenden Hilfsträger-Amplitude für die betreffende Farbart. Ein Schwarzweiß-Empfänger würde also nur das U'Y-Signal wiedergeben. Bei unbunten Lichtsorten (Weiß, Schwarz) ist kein Hilfsträger im Signal.

Das NTSC-Farbfernsehsystem ist zwar genial erdacht und funktioniert bei guten Empfangsbedingungen und exakt gefertigten Empfängern zufriedenstellend, es hat aber leider auch einen Nachteil. Gemeint ist die Definition der Farbart durch einen Phasenwinkel. Schon Abweichungen von etwa 5°...7° wirken sich im Bild aus.

Besonders kritisch wird es beim Farbton der menschlichen Haut. Ein leichter Grün- oder Blaustich auf den Gesichtern der Darsteller, womöglich inmitten eines ernsten Fernsehspiels, kann zuweilen unbeabsichtigte Heiterkeitserfolge auslösen.

Der Fehler ist nun wohl in vielen Fällen mit einem Einstellknopf korrigierbar; wenn man aber im Verlauf einer Sendung öfter diesen Knopf bedienen muß, hört die Freude am Fernsehen auf. In einem Leitartikel einer amerikanischen Fachzeitschrift ging man sogar soweit, den NTSC-Farbfernseh-empfänger als ausgezeichnetes Bodybuilding-Gerät anzupreisen, weil man sich so oft von seinem Sitzplatz erheben muß, um am Empfänger erneut die Farbart zu korrigieren.

Bissige Zungen übersetzten NTSC auch mit "Never The Same Color" (niemals die gleiche Farbe). Ursachen für diese Phasenfehler gibt es genug. Es können beispielsweise sein: schlecht angepaßte Antennen, Empfang von zwei Signalen mit unterschiedlicher Laufzeit, Fehler auf den Richtfunkstrecken oder im Kabel zwischen Studio und Sender. Auch der Empfänger kann dazu beitragen, wenn bestimmte Kreise nicht richtig abgeglichen sind oder mit steigender Temperatur »weglaufen«.

Man hat sich in Europa in vielen Forschungslaboratorien gerade mit dieser Frage ausgiebig beschäftigt und nach Verbesserungen gesucht. An Vorschlägen fehlte es nicht, aber viele scheiterten an der rationellen Durchführbarkeit oder hatten in anderen Punkten Nachteile, wie schlechte Kompatibilität oder größere erforderliche Kanalbreite.

Im Laufe der Zeit haben sich allmählich zwei neue Varianten des NTSC-Systems herauskristallisiert. Das eine - dem amerikanischen System sehr ähnlich - wurde bei Telefunken entwickelt.
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Schon kurz nach der offiziellen Normung des NTSC-Systems in Amerika begann man auch in den Entwicklungslaboratorien von Telefunken, sich mit »Farbe« zu beschäftigen. Die ersten Versuche beschränkten sich auf die Nachbildung von NTSC-Empfängern und die Vorentwicklung leicht bedienbarer Farbempfänger. Doch schon bald erkannte man die Nachteile der einfachen Phasenmodulation des Farbhilfsträgers und sann auf Abhilfe.

Im Laufe der Weiterentwicklung hatte Dr. Walter Bruch (es ist ein Dr. h.c.), der Leiter der Grundlagenentwicklung der Telefunken AG, die Lösung gefunden. Es ist ein System, das am Ende der Übertragungsstrecke, also im Empfänger, jeden Phasenfehler selbständig korrigiert, oder besser gesagt, kompensiert. Die vielen Vorteile des NTSC-Systems bleiben trotzdem erhalten.

Zum Kompensieren einer Größe braucht man etwas Gleiches, aber mit entgegengesetztem Vorzeichen. Eine Schuld von 100 Mark - es sind fehlende, in unserem Sinne also minus 100 Mark - kann nur mit vorhandenen, plus 100 Mark bezahlt (kompensiert) werden.

Um einen Phasenfehler auszugleichen, benötigen wir demnach einen zweiten, gleich großen Phasenfehler, aber mit umgekehrter Richtung, und den liefert uns das PAL-System automatisch mit. (Auf die Bedeutung des Namens PAL kommen wir später zurück).

Am besten machen wir uns den Mechanismus an Hand einer Zeigerdarstellung klar. Eine bestimmte Farbart wird - wie schon beschrieben - durch den Winkel zwischen (B-Y)-Achse und dem Farbzeiger definiert. Als Beispiel nehmen wir eine Purpurfarbe. Die Richtung des Zeigers I ist durch den Winkel von 45° gegeben (Bild 27 a). Im Zuge des Übertragungsweges werde der Zeiger I durch irgendeine Fehlerquelle um einen Winkel von 15° weitergedreht (Zeiger lF). Ein NTSC-Empfänger gibt dann ein rötliches Purpur wieder, denn er weiß ja nicht, daß vom Studio aus nur ein Phasenwinkel von 45° vorgesehen ist.

Beim PAL-System ist das zunächst genauso, aber lediglich während der Dauer einer Zeile. In der folgenden Zeile polt man im Studio nur die (R-Y)-Komponente des Farbzeigers I um, dreht sie also um 180° und überträgt nun den Zeiger II mit einem Phasenwinkel von -45° (Bild 27 b). Das Resultat wäre eine ganz falsche Farbe, in unserem Beispiel etwa blau, wenn nicht ein weiterer Umschalter im Empfänger dafür sorgen würde, daß der Zeiger II wieder in seine Ursprungslage I zurückgedreht, also wieder nur seine (R-Y)-Komponente umgeklappt wird (Bild 27 c).

Wie verhält sich nun ein Phasenfehler bei dieser Manipulation? Da der Phasenfehler nach der Modulation und nach dem senderseitigen Umpolen auftritt, wird er auch die Phase des invertierten Zeigers II in positiver Drehrichtung um 15° verfälschen (Bild 27b, Zeiger llF). Wird im Empfänger nur wieder sein (R-Y)-Anteil umgeklappt, so erscheint dort der Zeiger M'F (Bild 27c). Er ist gegenüber dem Original-Zeiger I um -15° gedreht. Wir haben also jetzt in der ersten Zeile ein Signal mit +15° Fehler und in der nächsten einen mit -15° Fehler gegenüber der Sollphase von 45°. Bis hierher ist alles ganz schön und gut, aber was nützt uns die zur Kompensation erforderliche Größe, wenn die zu kompensierende schon längst nicht mehr existiert.

Hier hilft die Tatsache, daß sich die Farbinformation von einer Zeile zur nächsten nur unwesentlich ändert. Eine Zusammenfassung der Farbinformationen jeweils zweier aufeinander folgender Zeilen würde also keine Einbuße an Bildqualität bedeuten. Wir können uns demnach im Empfänger eine Einrichtung (sogenannte Verzögerungsleitung) schaffen, die die Information einer Zeile so lange speichert, bis die der folgenden zur Verfügung steht. Für die 625-Zeilen-Norm muß die Speicher-(Verzögerungs-)zeit 64us betragen.

Sind dann beide Signale, das mit dem Fehler von +15° (Zeiger lF, Bild 27a) und das mit dem Fehler von -15° (Zeiger M'F, Bild 27c) gleichzeitig vorhanden, so können wir den Mittelwert, das heißt das (Kräfte-) Parallelogramm bilden (Bild 27d). Der resultierende Zeiger I' hat wieder den ursprünglichen Winkel von 45° und annähernd die doppelte Amplitude. Die Differenz zur exakten zweifachen Amplitude ist durch den Phasenfehler bedingt. Wenn nun durch einen Spannungsteiler die resultierende Spannung I' wieder halbiert wird, so macht sich das im Farbbild nur durch eine unwesentliche Entsättigung bemerkbar.

Damit ist das PAL-System bis auf seinen Namen erklärt. PAL ist die Abkürzung für Phase Alternation Line, auf deutsch Zeilen-Phasenwechsel, das Prinzip des zeilenweisen Umpolens der (R-Y)-Kompo-nente im Sender. Im Bild 25 ist dieser Vorgang durch den PAL-Umpoler angedeutet (Schalter NTSC/PAL nach unten).

Nun noch etwas zur PAL-Norm selbst. Die Praxis hat in Amerika gezeigt, daß die Modulation mit dem I- und Q-Signalen gegenüber der mit den reinen Differenz-Signalen U'R-U'y und U'B-U'y keine wesentlichen Vorteile bringt, im Gegenteil, es würden die Empfänger bei exakter Ausnutzung der I/Q-Modulation unverantwortlich teuer.

Man ist daher bei der Festlegung der PAL-Norm wieder auf die Modulation mit den reinen Differenzsignalen übergegangen. Auch hier werden beide Differenzsignale vor der Modulation - wie beim NTSC-System - in ihrer Amplitude reduziert, um eine Übermodulation zu vermeiden. Als weiterer Zusatz gegenüber dem NTSC-Signal wird bei der PAL-Norm noch ein im Farbsynchronsignal (Burst) versteckter Startimpuls für den Umpoler im Empfänger mitgesendet. Zur Verbesserung der Kompatibilität ist außerdem die Frequenz des Farbhilfsträgers von 4,4296875 MHz auf 4,43361875 MHz erhöht worden.

Der eigentliche Unterschied zwischen einem NTSC-Empfänger und einem Empfänger für die PAL-Norm besteht in der Verzögerungseinrichtung für eine Zeileninformation und einem elektronischen Umpoler. Dieser geringfügige Mehraufwand beim PAL-Empfänger ist aber bei weitem durch die exakte Farbfehlerkorrektur und die dadurch gegebene einfache Empfängerbedienung gerechtfertigt. Ein Knopf zur Farb-Korrektur ist nicht mehr erforderlich.

Eine andere Variante des NTSC-Systems wurde in Frankreich von H. de France gefunden, es ist das SECAM-System. Wir hatten schon beim PAL-System gesehen, daß man praktisch ohne Einbuße an Bildqualität die Farbinformationen jeweils zweier benachbarter Zeilen zusammenfassen kann. Henry de France ging noch einen Schritt weiter; er stellte fest, daß man nur noch eine Farbinformation je Zeile zu übertragen braucht.

Wenn dies ohne großen Qualitätsverlust möglich ist, könnte die doppelte Farbinformation (nämlich Sättigung und Farbart) des NTSC- oder PAL-Hilfsträgers in zwei einzelne Informationen aufgespalten und nacheinander gesendet werden. Aus dem simultanen NTSC/PAL-System wird so das sequentielle SECAM-System.

Die Norm für dieses System sieht vor, während der ersten Zeile nur das Rotdifferenzsignal zu senden und in der folgenden nur das Blaudifferenzsignal. Im Empfänger wird dann jeweils eine Information so lange verzögert (wie bei PAL), bis sie zeitgleich mit der nächsten weiterverarbeitet werden kann.

Das in der ersten Zeile gesendete Rotdifferenzsignal läuft in eine Verzögerungsleitung und erscheint nach 64us (eine Zeilendauer) an deren Ausgang. Zur selben Zeit beginnt aber die nächste Zeile, und zwar mit dem Blaudifferenzsignal. Es wird direkt an den Ausgang der Verzögerungsleitung geführt, so daß man dort beide Signale gleichzeitig zur Verfügung hat. Ein elektronischer Umschalter sorgt auch hier für den zeitrichtigen Anschluß der nachfolgenden Verstärker an die Verzögerungsleitung bzw. an den direkten Kanal. Bild 28 zeigt den schematischen Aufbau von Sender und Empfänger.

Beim SECAM-System werden also die Farbinformationen nacheinander einzeln übertragen. Somit kann die Modulationsart des Hilfsträgers beliebig gewählt werden. Bei NTSC/PAL muß man Amplitudenmodulation vorsehen, damit sich der farbbestimmende Phasenwinkel ergibt. Das SECAM-System verwendet hier Frequenzmodulation, weil man aus der UKW-Technik gelernt hat, daß diese Modulation unempfindlich gegen Amplitudenstörungen ist bzw. sein soll. Verschiedene Amplitudenbegrenzer im Empfänger verwirklichen das bei genügender Empfangsfeldstärke.

Die Frequenzmodulation des Hilfsträgers hat aber auch verschiedene Nachteile, so beispielsweise den, daß auch bei unbunten Bildern immer ein Farbhilfsträger im U'Y-Signal vorhanden ist. Bei NTSC/PAL verschwindet in diesem Fall die Trägerspannung. Verschiedene komplizierte Maßnahmen im SECAM-Sender beseitigen allerdings diesen Nachteil fast ganz.

Kritisch ist es jedoch bei der SECAM-Norm, wenn das Antennensignal des Empfängers so schwach wird, daß die Begrenzer nicht mehr ansprechen. Dann sieht man auf dem Bildschirm ein farbiges Ausreißen der Konturen, in der Fachwelt mit dem sinnigen Namen »Silberfische« gekennzeichnet. Außerdem müssen die FM-Demodulatoren - sie gleichen den von der UKW-Technik her bekannten - außerordentlich stabil sein. Schon geringe Verstimmungen (Weglaufen des Diskriminator-Nullabgleichs) verursachen großflächige Farbverfälschungen.

Abschließend sei noch der Name SECAM erklärt. Er bedeutet - natürlich auf französisch - "sequentielle ä memoire" und sinngemäß auf deutsch: aufeinanderfolgend mit Gedächtnis. Mit Gedächtnis ist die Verzögerungsleitung gemeint, die jeweils eine Farbinformation für die Dauer einer Zeilenlänge von 64us »behält«.

Der grundlegende Unterschied zwischen SECAM und NTSC/PAL besteht also in der sequentiellen Farbübertragung und der Frequenzmodulation des Hilfsträgers beim erstgenannten Verfahren und simultaner Übertragung mit Amplitudenmodulation beim anderen Verfahren. Eine Normwandlung von NTSC in PAL und umgekehrt ist wegen der großen Ähnlichkeit beider Systeme leicht zu verwirklichen, aber NTSC/PAL in SECAM umzuwandeln beziehungsweise SECAM in NTSC/PAL ist schon recht schwierig und mit Qualitätsverlusten verbunden.

Zur klaren Gegenüberstellung dieser beiden Normengruppen hat man in Wien für die NTSC/PAL-Systeme noch den Namen QAM erfunden. QAM = Quadratur-Amplituden-Modulation ist die Bezeichnung für die beiden aufeinander senkrecht stehenden, amplitudenmodulierten Hilfsträger bei NTSC/PAL.

Wie wir gesehen haben, ist der Einfluß der Übertragungsverfahren auf die Bildqualität von gravierender Bedeutung. Die große Diskussion um die verschiedenen Systeme wurde ja in erster Linie dadurch ausgelöst, daß man dem Farbfernsehzuschauer ein möglichst naturgetreues Bild liefern und außerdem leicht bedienbare - »führerscheinfreie« - Empfänger konstruieren will. Wie ein Farbempfänger aufgebaut ist und wie er arbeitet, wird im nächsten Abschnitt behandelt werden.