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Wie das analoge und digitale Fernsehen funktionierte (1992).

"Repetitorium" Fernsehtechnik in 9 Teilen von Professor Rudolf Mäusl.

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1. Übertragungsverfahren

BILD 1 Prinzip der Fernsehbildübertragung.

Das Prinzip der Fernsehbildübertragung, hier bezogen auf die Schwarzweiß-Bildwiedergabe, läßt sich kurz folgendermaßen darstellen: Die optische Bildvorlage wird in kleine Bildelemente (Bildpunkte) aufgeteilt. Über einen optischelektrischen Wandler, meistens eine Bildaufnahme- Kamera-Röhre, werden die einzelnen Bildpunkte nacheinander entsprechend ihrem Helligkeitsgrad in ein elektrisches Signal umgewandelt. Es folgt die Übertragung dieses Signals in seiner eigentlichen Frequenzlage oder moduliert auf einem hochfrequenten Träger. Empfangsseitig wird nach entsprechender Aufbereitung (bzw. Rückgewinnung) das elektrische Signal dem elektrisch-optischen Wandler, der Fernsehbildröhre, zugeführt und als ein Abbild der Helligkeitsverteilung der Bildvorlage wiedergegeben. Die kontinuierliche Übertragung von bewegten Bildvorlagen erreicht man - wie beim Kinofilm - durch Aufnahme einer Anzahl von Teilbildern.

1.1 Bildabtastung

BILD 2 Zeitlicher Verlauf des Signalstroms bei zeilenweiser Abtastung einer Bildvorlage.

Die Abtastung der Bildvorlage geht zeilenweise von links nach rechts und dann von oben nach unten vor sich (BILD 1). Der Abtaststrahl wird dazu horizontal (waagrecht) und vertikal (senkrecht) abgelenkt. Es wird ein Zeilenraster geschrieben. Damit sich Lesestrahl und Schreibstrahl gleichzeitig in richtiger Zuordnung auf den jeweiligen Bildpunkt über die Bildfläche bewegen, werden Synchronzeichen übertragen.

Der Abtastvorgang bringt die einzelnen Bildpunkte von der geometrischen in eine zeitliche Zuordnung. In der Darstellung nach BILD 2 wird vereinfachend davon ausgegangen, daß der Abtaststrahl in vernachlässigbar kurzer Zeit an den linken Bildrand zurückkehrt (zurück läuft).

Im allgemeinen erhält man als Signalstrom eine sehr vielgestaltige Impulsfolge mit wechselndem zeitlichen Mittelwert, entsprechend dem mittleren Helligkeitswert der Bildvorlage. Dieser sowie auch sehr hohe Signalfrequenzkomponenten, bedingt durch feine Bilddetails, müssen dem Empfänger unverzerrt zugeführt werden. Daraus ergeben sich im wesentlichen die notwendigen Eigenschaften des Übertragungssystems.

1.2 Zeilenzahl

BILD 3 Sehwinkel bei der Betrachtung eines Fernsehbildes.

Die Qualität des wiedergegebenen Bildes wird durch die Auflösung bestimmt. Die Auflösung ist um so besser, je höher die Zeilenzahl ist. Eine Mindestzeilenzahl ist notwendig, damit die Rasterstruktur nicht störend in Erscheinung tritt. Dies kann jedoch nur im Zusammenhang mit dem Betrachtungsabstand des Fernsehbildes und dem Auflösungsvermögen des menschlichen Auges erörtert werden.

Als optimalen Betrachtungsabstand findet man etwa den fünffachen Wert der Bildhöhe.(BILD 3). Bei diesem Betrachtungsabstand soll die Zeilenstruktur gerade nicht mehr sichtbar sein, das heißt, es soll die Grenze des Auflösungsvermögens des menschlichen Auges erreicht werden. Der Grenzwinkel beträgt unter normalen Bedingungen etwa 1,57.

Das bedeutet bei einem fünffachen Bastand eine Anzahl von Z = 500 sichtbaren Zeilen [1]. Nach der CCIR-Norm wurde ein Wert von 625 Zeilen für die gesamte Rasterfläche festgelegt, wovon wegen des vertikalen "Strahlrücklaufes" etwa 575 Zeilen im sichtbaren Bildfeld liegen (Nordamerika und Japan 525 Zeilen, davon etwa 475 sichtbar).

1.3 Bildwechselfrequenz

Bei der Festlegung der Bildwechselfrequenz sind die physiologischen Eigenschaften des menschlichen Auges zu berücksichtigen. Zunächst muß man davon ausgehen, daß zur Wiedergabe eines kontinuierlichen, schnellen Bewegungsvorgangs eine bestimmte Mindest- Teilbild- Frequenz erforderlich ist, damit keine störenden Diskontinuitäten entstehen. Ein Wert von 16 bis 18 Teilbildern pro Sekunde, wie etwa in der Schmalfilmtechnik üblich, stellt die untere Grenze der Teilbildfrequenz dar.

Beim Kinofilm arbeitet man mit 24 Teilbildern pro Sekunde. (Dieser Wert wird aber durch eine Zwischenblende im Projektor auf künstliche flimmerfreie 50 Bilder verdoppelt !! - Mehr steht hier bei uns bei Film- und Filmtechnik).

Der Wert von 24/s könnte auch beim Fernsehen übernommen werden, doch es wurde hier mit Rücksicht auf eine Verknüpfung mit der Netzfrequenz ein Wert von fw = 25 Hz bei 50 Hz Netzfrequenz gewählt und entsprechend 30 Hz bei 60 Hz Netzfrequenz in Nordamerika und Japan.

Eine Bildwechselfrequenz von 25 Hz reicht nicht aus

BILD 4 Aufteilung des Gesamtrasters beim Zeilensprungverfahren.

Die Bildwechselfrequenz von 25 Hz beim Fernsehbild reicht jedoch für eine flimmerfreie Bildwiedergabe nicht aus. Dieses Problem galt es auch beim Kinofilm zu lösen, wobei durch eine sogenannte Flimmerblende die Projektion jedes Einzelbildes einmal unterbrochen wird und somit der Eindruck der doppelten Bildwechselfrequenz entsteht.

Beim Fernsehen ist dies nicht möglich, hier hat man jedoch eine Lösung mit dem sogenannten „Zeilensprungverfahren" gefunden. Die Zeilen des gesamten Rasters werden auf zwei Halbraster aufgeteilt, die ineinander verschachtelt sind und die zeitlich nacheinander übertragen werden. Jedes Halbraster enthält Z/2 Zeilen und läuft in der Zeit Tw/2 ab. Das bedeutet, daß dem 1. Halbraster die ungeraden Zeilen 1, 3, 5,. und dem 2. Halbraster die geraden Zeilen 2, 4, 6,. zugeschrieben werden (geometrische Zeilennumerierung) (BILD 4).

Zwei Halbbilder müssen genau ineinander passen

BILD 5 Verkopplung der Horizontal- und Vertikalablenkfrequenz beim Zeilensprungverfahren nach dem CCIR-Standard.

Bei der Wiedergabe der beiden Halbraster muß dafür gesorgt werden, daß diese genau ineinander geschrieben werden, da andernfalls durch eine Paarigkeit der Zeilen das Halbraster sehr störend hervortreten würde. In einem System mit ungerader Zeilenzahl, beispielsweise bei 625 Zeilen, findet der Übergang vom 1. zum 2. Halbraster nach der Hälfte der letzten Zeile des 1. Halbrasters statt. Man erspart sich in diesem Fall ein besonderes Hilfssignal zum periodischen Versatz der beiden Halbraster. In Abschnitt 2.2 wird hierauf noch eingegangen.

Statt 25 Vollbilder mit je 625 Zeilen werden also 50 Halbbilder mit je 312 1/2 Zeilen übertragen. Es ergibt sich somit eine Halbbildwechselfrequenz (Rasterwechselfrequenz) oder Vertikalfrequenz von fv = 50 Hz. Daraus leitet sich eine Zeilenwechselfrequenz oder Horizontalfrequenz ab von

fh = 25 (Bildwechsel) • 625 (Zeilen) = 50 (Bildwechsel) • 312 1/2 (Zeilen)= 15.625 Hz.

Die Periodendauer der Horizontalablenkung beträgt Th = 64us, die der Vertikalablenkung Tv = 20ms. Horizontal- und Vertikalfrequenz müssen synchron und phasenstarr miteinander verkoppelt sein. Man erreicht dies durch Ableitung der beiden Frequenzen aus der doppelten Horizontalfrequenz (BILD 5).

1.4 Bandbreite des Bildsignals

BILD 6 Auflösung der Bildvorlage durch das Zeilenraster.
BILD 7 Periodendauer der Horizontal- und Vertikalablenkung mit Rücklaufzeiten.
BILD 8 Durch Rücklaufzeiten reduzierte Rasterfläche.

Die Auflösung des zu übertragenden Bildes wird durch die Zeilenzahl bestimmt. Bei gleicher Auflösung in horizontaler und vertikaler Richtung ist die Bild- punktbreite b gleich dem Zeilenabstand a (BILD 6).

Der Abtaststrahl muß nach Durchlaufen jeder Zeile und jedes Teilbildes wieder zurückgeführt werden. Dazu sind (ganz kurze) Rücklaufzeiten notwendig. Während des Strahlrücklaufes werden sowohl der Lesestrah (in der Kameraqröhre) - als auch der Schreibstrahl (in der fersehbildröhre) ausgeblendet.

Die benötigten Rücklaufzeiten, bezogen auf die Periodendauer Th der Horizontalablenkung beziehungsweise Tv der Vertikalablenkung, sind in BILD 7 angegeben. Sie betragen gemäß CCIR-Norm:
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  • tr h = 0,18 • Th = 11,52us,
  • tr v = 0,08 • Tv = 1,6ms.

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PAL Fernsehen - das sind nur 575 echte Zeilen (von 625)

Von der gesamten Zeilenperiodendauer Th steht somit zur Übertragung des Bildinhalts nur die Zeit Th • (1-0,18) = 52,48us und von der gesamten, der Periodendauer Tw = 2 • Tv des Rasterwechsels zugeordneten Zeilenzahl Z nur der Anteil Z • (1-0,08) = 575 Zeilen zur (echten) Bildübertragung zur Verfügung. Man erhält damit für das sichtbare Bildfeld eine reduzierte Rasterfläche (BILD 8).

Aus optisch-ästhetischen Gründen wählt man für das sichtbare Bild ein rechteckiges Format mit einem Verhältnis der Seiten von 4:3.
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Und so berechnete sich die Studio-Qqualität :

Bei gleicher Auflösung in horizontaler und vertikaler Richtung berechnet sich hieraus eine Bildpunktanzahl pro Zeile von

4/3 • 625 • (1-0,08) = 767 (Bildpunte pro Zeile)

und die gesamte Anzahl der Bildpunkte pro Bild von

4/3 • 625 • (1-0,08) • 625 • (1-0,08) = 440.833 (Bildpunkte pro Bild).

Diese Anzahl der Bildpunkte wird übertragen während einer Zeit von
64uS • (1-0,18) • 625 • (1-0,08) = 30,176 ms.

Somit ergibt sich die Zeit T bp zum Durchlaufen eines Bildpunktes zu

T bp = 30,176 ms /440833 = 0,0884ns
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BILD 9 Verschleifung des Bildsignals als Folge des endlichen Strahldurchmessers.

Die höchste Bildsignalfrequenz tritt auf, wenn helle und dunkle Bildpunkte aufeinanderfolgen (BILD 9). Wegen des endlichen Durchmessers des Abtaststrahls ergibt sich eine "Verschleifung" der Hell-Dunkel-Kante, sodaß es genügt, die Grundschwingung des rechteckförmigen Bildsignals zu übertragen. Dies führt zu einer maximalen Bildsignalfrequenz von
fb max = 1/Tb = 7,3 MHz.

Unter Berücksichtigung eines endlichen Strahldurchmessers ergibt sich schließlich noch eine gegenüber dem Ansatz verminderte Vertikalauflösung, die durch den sogenannten Keil-Faktor K ausgedrückt wird. Mit einem Wert für K von etwa 2/3 erhält man dann die wirklich zu fordernde Bandbreite des Bild- oder Videosignals vom 5 MHz. Dieser Wert ist auch in der CCIR-Norm festgelegt.

LITERATUR
[1] Theile, R.: Fernsehtechnik, Bandf: Grundlagen. Springer-Verlag, Berlin - Heidelberg, New York, 1973.

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