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Die Fernseh-Sprechtechnik. (aus den Fese Hausmitteilungen 1939)

1939 geschrieben von Johannes Schunack und Rolf Maly.

Inhalt:

Es werden die verschiedensten Entwicklungstufen und der jetzige Stand der Fernsehsprechtechnik an Hand der von der Fernseh A. G. für die Deutsche Reichspost gelieferten Anlagen geschildert.

Abb. 1: Fernsehkabelnetz von Großdeutschland.

Die Fernseh-Sprechtechnik hat die Aufgabe, zu dem gesprochenen Wort gleichzeitig auch das Bild des Sprechers mit zu übertragen, um so ein vollkommenes Verständigungsmittel zu schaffen. Den ersten Schritt zu diesem Ziele stellt die augenblickliche Einrichtung des Fernseh- Sprechverkehrs der Deutschen Reichspost zwischen und innerhalb der Großstädte Berlin, Leipzig, Nürnberg, München und Hamburg dar. Diese Städte sind untereinander durch das in Abb. 1 gezeigte Fernsehkabelnetz (1) verbunden; die Karte zeigt weiter die im Bau und in der Vorbereitung befindliche Ausweitung des Systems nach der Ostmark und dem Westen.

Der Stand heute. (Anmerkung: es war April 1939)

FESE Fernseh Sprechstelle 1936

Im heutigen Entwicklungszustand ist die Fernseh- Sprechverbindung an die Unterbringung des Fernseh- Sprechgastes innerhalb einer sogenannten Fernseh- Sprechzelle gebunden; dies ist ein für die Fernseh- Übertragung eigens hergerichteter Raum.

Die Wände sind zur Erzielung einer guten Reflexion innerhalb der Zelle (Ulbricht'sche Kugel) geweißt (2); durch Ausbrüche in der dem Sprechgast gegen- überliegenden Zellenwand wird die Abtastung vorgenommen und gleichzeitig das Bild des Gegensprechers sichtbar gemacht (Abb. 2).

Derartige Fernseh-Sprechstellen sind in verschiedenen bevorzugten Postämtern der in Abb.1 angegebenen Großstädte untergebracht worden.

Abb. 2: Inneres einer Fernsehsprechzelle - Aufn. Reichspostministerium 1938.

Der Fernseh-Sprechgast muß sich also zur Vornahme eines Gespräches dorthin begeben. Die Aufgaben der technischen Einrichtungen (3) einer Fernseh- sprechzelle umfassen, soweit die Fernseh A.G. an deren Entwicklung beteiligt ist (abgesehen von Kabeln, Kabeleingangs- und Ausgangsverstärkern), aus:


1. Die Abtastung und die Umwandlung der Helligkeitsimpulse in elektrische Impulse,

2. Die Erzeugung des Gleichlaufes zwichen Sender und Empfänger, die Modulation des Bildinhaltes und der Gleichlaufsignale auf einen für die Kabelübertragung geeigneten Träger sowie

3. Die Umwandlung der elektrischen Impulse in Helligkeitsimpulse auf der Sendeseite und die Wiedergabe dieses Bildes für den Sprechgast.

Die Anforderungen

Zunächst sollen die an das übertragene Bild bisher gestellten Anforderungen kurz zusammengefaßt werden: Für den vorgesehenen Verwendungszweck genügt die Übertragung eines Brustbildes; damit ergibt sich eine abzutastende Fläche von etwa 45 X 45 cm, bei einer Tiefe des abzutastenden Raumes von etwa 30 cm. Damit ist dem Sprechgast genügend Bewegungsfreiheit gegeben. Die Tiefenschärfe des optischen Systems muß also entsprechend groß sein. Neben der scharfen Wiedergabe, bedingt durch das Auflösungsvermögen des Fernseh-Systems, muß besonderer Wert auf die korrekte Wiedergabe der verschiedenen Gradationsstufen gelegt werden.

Das durch die Abtastung gewonnene Bild wird auf der Empfangsseite für den Sprechgast wiedergegeben; dadurch werden neue Bedingungen an das Bild gestellt. Die optische Einrichtung muß so getroffen werden, daß ein "In-die-Augen-Sehen" der Gesprächspartner möglich ist; dies wird erreicht, wenn zwischen Abtastung und Wiedergabeeinrichtung ein möglichst geringer Raumwinkel liegt und wenn der Sprechgast durch das Licht des abtastenden Strahles nicht geblendet wird.

In die Bildwirkung geht vor allen Dingen auch die gewählte Fernsehnorm ein. Die Zeilenzahl bedingt die Querauflösung, also die Schärfe, und das Sichtbarwerden der Zeilenstruktur; der Wunsch nach einer Erhöhung der Zeilenzahl ist daher verständlich* zumal auf der Funkausstellung 1938 gezeigte Abtastbilder den Weg gewiesen haben. Die Bildwechselzahl bestimmt die Flimmergrenze; eine Erhöhung der Bildwechselzahl - diese wurde an zwei kleinen Stationen der Fernseh A.G. durchgeführt - oder die Einführung des Zeilensprungverfahrens erscheint unbedingt angebracht.

Die Fernseh A.G. hat bisher die Abtastung mittels Nipkowscheibe für die Fernseh- Sprechabtastung benutzt. Die wissenschaftlichen Untersuchungen über diese Art der Bildzerlegung (4) haben die Grundlagen für die zurzeit im Betrieb der Deutschen Reichspost befindlichen Anlagen gegeben.

Wie funktioniert das ?

Abb. 3: Schema und optischer Strahlengang einer Fernsehsprecheinrichtung.


Anhand der Abb. 3 soll kurz das in den Stationen der Fernseh A. G. geübte Verfahren beschrieben werden: Ein Bild der Lichtquelle wird über eine Optik auf die in einem Gehäuse laufende Nipkowscheibe geworfen. Der so erzeugte Lichtstrahl wird durch die Abbildungsoptik auf die abzubildende Person konzentriert. Die von der Person reflektierten Lichtstrahlen fallen direkt und indirekt auf die in der Zellenwand angebrachten Fotozellen, in welchen die Umwandlung in elektrische Impulse erfolgt. Das empfangene Bild wird über einen Umlenkspiegel 5 in die Kabine hineingespiegelt und für den Fernseh-Sprechgast sichtbar gemacht.
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Abb. 4: Vollständige Fernsehsprecheinrichtung Baujahr 1936.

Die in den letzten 5 Jahren von der Fernseh A. G. für das Fernseh-Sprechnetz gelieferten Stationen lassen die in diesen Jahren durcheilten Entwicklungsstufen erkennen. Abb. 4 zeigt eine Fernsehsprecheinrichtung (zu der im übrigen noch Bogenlampen, Gleichrichter, Periodenumformer usw. gehören) aus dem Jahre 1936*).

Der Fortschritt in der Entwicklung wird dokumentiert durch Abb. 5, welche die komplette Gegensprechapparatur zeigt**).

Abtastung und Umwandlung der Licht- in Helligkeits- Impulse.

Abb. 5: Vollständige Fernseheinrichtung mit Kabinen-beleuchtung Baujahr 1938. (Versuchsstation 50 Bildwechsel, 150 Zeilen).

Die Sendeseite wird beherrscht von der Lösung des Empfindlichkeitsproblemes. Die Möglichkeit der Fortentwicklung ist hier gegeben worden durch die Schaffung der Sekundärfotozellen. Bei der früher üblichen Benutzung von normalen Hochvakuum- fotozellen mit fotoempfindlicher Kathode und Anode wird die Empfindlichkeit begrenzt dadurch, daß die von der Fotozelle abgehenden Spannungen oberhalb des Rauschens des hinter die Fotozelle geschalteten Verstärkers liegen muß.

Die Einführung der Sekundärfotozelle (5) gibt neben der Empfindlichkeits- steigerung - die Vervielfachung der Elektronen entspricht einer 100 %igen Modulation des Ausgangsstromes - als weiteren Vorteil die Einsparung des mehrstufigen Niederfrequenzverstärkers.

Die Fotozelle

Abb. 6: Fotozellenaufbau mit Spannungsteiler.

Abb. 6 zeigt den mechanischen Aufbau einer von der Fernseh A. G. entwickelten und in den Fernseh-Sprechanlagen benutzten Fotozellenanordnung einschließlich des Sekundärverstärkers t):

Die von der Fotokathode ausgelösten Elektronen treffen auf das erste Gitter, lösen hier mehrere Elektronen aus, die durch den Spannungsunterschied zwischen Gitter 1 und Gitter 2 auf das Gitter 2 gezogen werden und dort wiederum Elektronen auslösen. So wiederholt sich das Spiel in der oben gezeigten Fotozelle an 17 Gittern. Die Gesamtvervielfachung, also die Gesamtverstärkung, liegt zwischen 105 und 106 fach. Die Kathodenempfindlichkeit ändert sich hierbei nicht.

Die den verschiedenen Gittern in steigender Größe gegenüber der Kathode zuzuführenden Gleichspannungen werden einem gemeinsamen niedrigohmigen Spannungsteiler entnommen, der in der dargestellten Ausführung den Hals der Zelle umgibt; die einzelnen Gitter sind durch kleine Kondensatoren zur Entkopplung jeweils mit Erde verbunden. Die Fotozelle ist gesockelt und kann mittels einer Druckschraube aus dem Gegensockel gelöst werden; der Spannungsteiler sowie die Entkoppelkondensatoren sind auf einem Aufbau um die Fotozelle herum angeordnet und mit dieser in einem Gußgehäuse ausschwenkbar untergebracht.

Durch die Schaffung der Sekundärfotozelle und ihre Fortentwicklung bis zu den oben angegebenen großen Verstärkungen ist die Möglichkeit gegeben worden, die Lichtquelle beachtlich zu verkleinern: An die Stelle der wassergekühlten Magnasollampe (Abb. 4) mit einer Primäraufnahme von etwa 60 bis 80 Amp. Gleichstrom ist eine wechselstromgeheizte Wolframlampe von 750 Watt Aufnahme getreten (ähnlich Abb. 5).

Die Verringerung der Leistungsaufnahme der Lichtquelle und die damit verbundene geringere Erwärmung hat es weiterhin ermöglicht, die Lichtquelle näher an die Scheibe heranzurücken und somit eine Verbesserung der optischen Verhältnisse zu schaffen, die eine Verkleinerung der Scheibe und des Scheibenbildes sowie eine Herabsetzung der Drehzahl ermöglichen und zusätzlich eine vergrößerte Tiefenschärfe des abgetasteten Bildes ergeben.

Diese Verbesserungen der abtastenden Organe haben eine stabilere Kontruktion der Scheibe (Abb. 5) ermöglicht: Anstelle der mit 6000 Umdrehungen im Vakuum laufenden Scheibe von 0,1 mm Stärke ist eine massive abgedeckte Scheibe getreten, die in Luft mit 1500 Umdrehungen läuft; der Blendenmotor ist in Fortfall gekommen, da infolge der geringen Drehzahl eine Umdrehung der Scheibe der Abtastung eines Gesamtbildes entspricht.

Synchronisierung und Modulation.

Bei der Einführung des Fernsehsprechens im Jahre 1935 wurde die Norm des seinerzeitigen Fernseh-Rundfunks übernommen, die eine Zeilenzahl von 180 pro Bild bei 25 Bildern pro Sekunde vorsah. Die Gleichlaufübertragung auf einen modulierten Träger gemeinsam mit dem Bildinhalt erfolgt durch eine Nulltastung des Trägers für die Dauer von 10 % der Zeile am Ende jeder Zeile und eine solche von 9 Zeilen am Ende jedes Bildes. Amplitudenmäßig wird der Schwarzwert auf 30 % des Maximalaussteuerungsbereiches, der Weißwert auf etwa 100% gelegt. Die Uebertragung erfolgt mit einem Träger von 1,3 MHz und einer beidseitigen Bandbreite von jeweils 500 kHz.

Abb. 7: 17gittrige kleine Stabfotozelle.

Die Erzeugung der Gleichlaufsignale wird bei der Scheibenabtastung vorgenommen durch Abtastung einer Reihe von auf der Zerlegerscheibe angeordneten Schlitzen, die am Ende jeder Zeile und jedes Bildes die verlangten Signale ergeben. Ausgehend von der früher in der Fernsehtechnik üblichen Art der Zweikanalsynchronisierung sowie bedingt durch die mit 6000 Touren umlaufende Scheibe wurden Bild- und Zeilengleichlaufsignal auf getrennten Kanälen von der Scheibe abgenommen, dann auf ihre richtige Form gebracht und schließlich für die Uebertragung auf den Einkanal gemischt.

Die Einführung der in Abb. 7 gezeigten Sekundärfotozelle hat auch hier wesentliche Fortschritte ermöglicht. Es ist erreicht worden, daß auf der Scheibe auf einem Lochkranz die Oeffnungen für das gesamte Impulsgemisch gestanzt werden können und dieses nach Verstärkung in einem Sekundärverstärker direkt bzw. nach einer Umkehr zur Steuerung des Einkanals benutzt werden kann. Teiler, Phasenschieber oder sonstige Einstellvorrichtungen sind damit durch rein mechanisch einmalig einwandfrei festgelegte Vorgänge ersetzt worden; das Impulsgemisch wird durch eine Steilheitsverstärkung noch weiterhin verbessert und mit den Bildsignalen auf einem Widerstand gemischt. Es wird also ein niederfreqenter Einkanal hergestellt und dann dieser niederfrequente Einkanal zur Modulation des Trägers benutzt.

Die Technik im Detail

Fig. 8 zeigt die Schaltung der Gleichlauf- und Helligkeitssteuerung sowie der Modulationsstufe. Die Fotozelle 1 mit ihrem Sekundärverstärker liefert an das Gitter einer Röhre 2 ein dem Bildinhalt entsprechendes Spannungsgemisch einschließlich der Grundhelligkeit; die Fotozelle 3 mit ihrem Sekundär- Verstärker liefert über eine Umkehrröhre 4 die Synchronisierimpulse. Die Anoden dieser beiden Röhren sind parallelgeschaltet und die an ihnen auftretenden Spannungsimpulse steuern nunmehr das Modulationgerät (Röhren 5 u. 6). Der quarzgesteuerte Schwingungserzeuger 7 liefert an die Gegentakt- modulationsstufe zwei gegenphasige gleich große Trägerfrequenzspannungen; hinter dem Modulator ist eine Endstufe 8 angeordnet, die über einen Uebertrager 9 an den Wellenwiderstand des Kabels angepaßt wird.
Für die Kontrolle der Sendungen sind sowohl auf der Ausgangsseite des Senders wie auf der Eingangsseite des Empfängers Kontrollgeräte vorgesehen, die dem Bedienungspersonal jeweils das Bild und das Amplitudenoszillogramm der Sendung zeigen und so eine saubere Einstellung ermöglichen.

Parallel mit der Verkleinerung des Abtasters sind die Verstärkereinrichtungen für die Sende- und Empfangsseite verkleinert worden und haben einen gedrängten Zusammenbau der gesamten Apparatur einschließlich des Kabinenempfängers ergeben.

Abb. 8: Prinzipschaltung einer Fernsehsprechsendestelle.

Die Technik des Empfängers

Wie schon früher erwähnt, erfolgt die Wiedergabe des ankommenden Bildes auf dem Schirm einer Braunschen Röhre. Das Bild wird in die Kabine eingespiegelt, so daß der Sprechgast den Eindruck hat, daß ihm der Gesprächspartner gegenübersitzt.

Man ging nach einigen Versuchen dazu über, als Wiedergaberöhre eine Braunsche Röhre mit 50 cm Schirmdurchmesser zu verwenden, um eine möglichst wirklichkeitsgetreue Wiedergabe des Empfangsbildes in Naturgröße zu gewährleisten. Um eine senkrecht in einen Aluminium-Gußrahmen hängende Braunsche Röhre sind fächerförmig der Verstärker, die Kippgeräte und Netzgeräte aufgebaut. Über einen an das Kabel angepaßten Uebertrager wird der modulierte Träger von 1 Volt dem einstufigen Verstärker mit Gleichrichter zugeführt, welcher die Spannung zur Aussteuerung der Braunschen Röhre liefert.

Abb. 9: Kabinenempfänger Baujahr 1938.


Die Kippgeräte sind selbstschwingend und werden von dem aus dem Trägergemisch gewonnenen Synchronisierzeichen gesteuert. Die Ablenkung erfolgt magnetisch nach Bild- und Zeilenrichtung.

Ein neuartiger Weg wurde bei den neuesten kleinen Fernsehsprechstationen (Abb. 5 u. 9) insofern beschritten, als das ankommende Bild einem Vorschlag von Dr. R. Möller entsprechend auf einer kleinen Braunschen Röhre von 18 cm Schirmdurchmesser mit planem Schirm erzeugt und durch eine Linse stark vergrößert wird*).

Man erreicht hierdurch zweierlei: 1. zwingt man den Gesprächsteilnehmer unbewußt in der Mitte zu sitzen, weil er von dort aus das Bild am besten sieht und 2. erreicht man dadurch eine bedeutend kleinere und einfachere Bauweise. Man wählte auch hier wieder die senkrechte Aufhängung der Braunschen Röhre.
Der in der Abb. 9 zu sehende Aufbau enthält links die Braunsche Röhre für die Wiedergabe des Empfangsbildes und rechts die Röhre zur Wiedergabe des dazugehörigen Oszillogramms sowie den Verstärker, die Kippgeräte und Netzgeräte.
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Innovationen 1938 (dieser Bericht stammt aus April 1939)

Bei den auf der Funkausstellung 1938 erstmalig verwendeten Versuchsstationen für Uebertragungen mit 150 Zeilen bei 50 Bildwechseln pro sec. (Abb. 5 u. 8) wurde noch als Neuerung eine Beleuchtung der Sprechkabine gezeigt**). Der Sprechgast sitzt nicht wie früher in einer dunklen Kabine, sondern in einer beleuchteten.

Durch einen in der Scheibe eingebauten Spiegel (Abb. 3) wird während der Bildpause Licht in die Kabine gespiegelt, und zwar von derselben Lichtquelle die für die Abtastung verwendet wird. Die Beleuchtung erfolgt nur während der Bildlücke (insgesamt über 6 Zeilen); durch die rasche Wiederholung der Lichtblitze (50 mal in der Sekunde) erscheint jedoch die Beleuchtung dem Auge als gleichmäßig hell. Die Fotozellen werden während dieser Zeit durch einen negativen Impuls an den ersten Gittern gesperrt und anschließend sofort wieder frei gegeben.

In Abb. 3 ist ferner noch schematisch der optische Strahlengang dieser Station mit der Einspiegelung des ankommenden Bildes dargestellt. Durch eine Stoffabdeckung zwischen den Beleuchtungs- und Abtaststrahlen sieht die in der Kabine sitzende Person nur den schwachen Abtaststrahl, während die Kabinenbeleuchtung indirekt eingespiegelt wird und nicht blendet.

Zusammenfassung.

Im vorliegenden Aufsatz werden die Aufgaben des Fernseh-Sprechens erläutert und die Bedingungen, die nötig sind, um eine einwandfreie und naturgetreue Bildzerlegung und Uebertragung zu gewährleisten, beschrieben.

Insbesondere wird der von der Fernseh A. G. erzielte Fortschritt auf dem Gebiet des Fernseh-Sprechens gezeigt durch Gegenüberstellung einer modernen Anlage und einer älteren Anlage aus dem Jahr 1936/37.

Anmerkung:
f) Die Fotozellen wurden im Hochvakuumlaboratorium der Fernseh A. G. gebaut (W. Hartmann).

Schrifttum:
(1) K. Küpfmüller u. H. F. Mayer, Veröffentlichungen aus dem Gebiet der Nachrichtentechnik, Achter Jahrgang, 1938, Vierte Folge, S. 609—621.
(2) R. Möller: DRP. 676 487 v. 13. 12. 32.
(3) A, Gehrts, Jahrb. des elektr. Fernmeldewesens, 1938, S. 233.
(4) R. Möller, Fernsehen 1930, S. 259 u. S. 342.
(5) G. Weiß, Fernsehen 1936, S. 41.
**) G. Schubert und R. Möller
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