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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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2. BAS-Signal (Bild-, Austast- und Synchronsignal)

Unter dem BAS-Signal versteht man das komplette Fernsehsignal, das sich aus dem Bildsignal (B), dem Austastsignal (A) und dem Synchronsignal (S) zusammensetzt. Das Bildsignal ist bereits in Abschnitt 1 erläutert worden.

BILD 10 Horizontal-Austastsignal und Bildung des BA-Signals.

2.1 Austastsignal

Während des horizontalen und vertikalen Strahlrücklaufs wird das Bildsignal unterbrochen, es wird „ausgetastet".

Der Signalpegel wird auf einem definierten Austastwert festgehalten.
Dieser ist nahezu oder gleich dem Schwarzwert des Bildsignals. Auf eine früher noch vorgenommene Unterscheidung des Austastwertes vom Schwarzwert durch die Schwarzabhebung wird heute zugunsten einer besseren Ausnutzung des gesamten Pegelbereiches meistens verzichtet. Die Austastung erfolgt durch das Austastsignal, das aus den Horizontal-Austastimpulsen und den Vertikalaustastimpulsen gebildet wird. Das von der Bildsignalquelle kommende Signal wird so zum BA-Signal (BILD 10).

2.2 Synchronsignal

BILD 11 Aussteuerbereich des BAS-Signals.

Damit das Fernsehbild am Empfänger synchron und rastergleich mit der Aufnahmeseite wiedergegeben wird, werden Synchronsignale übertragen. Diese steuern die Ablenkeinrichtungen auf der Sende- und Empfangsseite. Pegelmäßig liegen die Synchronsignale unter dem Austastwert; sie entsprechen also einem Signalniveau „schwärzer als schwarz" (BILD 11).

In dem genannten Pegelbereich müssen Synchronsignale für die Horizontal- und Vertikalablenkung mit eindeutig unterscheidbaren Merkmalen übertragen werden. Dies erfolgt durch unterschiedliche Impulsdauer. Empfängerseitig ist damit und durch die unterschiedliche Folgefrequenz eine einfache Trennung in Horizontal- oder Zeilensynchron-impulse und Vertikal- oder Bildsynchronimpulse möglich.

Wie macht man das ?

BILD 12 Horizontal-Synchronsignal.

Das Horizontal-Synchronsignal wird über ein Differenzierglied aus dem Synchronsignalgemisch ausgesiebt. Damit bestimmt die Vorderflanke des Impulses, dessen Dauer etwa 4,5 bis 5us beträgt, das Einsetzen der Synchronisierung, und zwar beim Strahlrücklauf. Die sogenannte vordere Schwarzschulter bietet dabei die Sicherheit, daß der Zeilenrücklauf bestimmt in die Austastlücke tah fällt (BILD 12). Die hintere Schwarzschulter dient als Bezugspegel. Sie wird aber auch für die Übertragung zusätzlicher Signale genutzt, zum Beispiel des Farbsynchronsignals.

Die Feinheiten des Impulses im Detail :

BILD 13 Vertikal-Synchronsignal mit Vor- und Nachimpulsen.

Innerhalb der Vertikal-Austastlücke wird der Vertikal-Synchronimpuls übertragen. Er ist mit 2,5 H-Perioden (2,5 • 64us) wesentlich länger als der Horizontal-Synchronimpuls (etwa 0,07 H-Perioden). Damit die Folge der Horizontal-Synchronimpulse stetig bleibt, wird der Vertikal-Synchronimpuls im Abstand von H/2 kurz unterbrochen.

Die in BILD 13 markierten Stellen erzeugen die für die Horizontal-Synchronisierung notwendigen Impulsflanken. Wegen des Halbzeilenversatzes der beiden Teilraster erfolgt die Unterbrechung im Abstand von H/2. Das Zeilensprungverfahren bedingt auch, daß der Vertikal-Synchronimpuls um H/2 relativ zum Horizontal-Synchronsignal von einem Halbbild zum andern verschoben ist.
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BILD 14 Bedeutung der Vorimpulse. - Links: Integration des V-Synchronimpulses ohne Vorimpulse; - rechts: Integration des V-Synchronimpulses mit Vorimpulsen.

Nachdem der Vertikal-Synchronimpuls durch Integration aus dem Synchronsignalgemisch gewonnen wird, ergäben sich durch die Halbzeilenverschiebung in beiden Halbbildern unterschiedliche Anfangsbedingungen für den Integrationsvorgang (BILD 14 links). Dies könnte zu einer Paarigkeit der Rasterzeilen führen.

Es werden deshalb dem eigentlichen Vertikal-Synchronimpuls fünf schmale Ausgleichsimpulse, die Vorimpulse oder Vortrabanten, jeweils im Abstand von H/2 vorausgeschickt, damit in jedem Halbbild gleiche Anfangsbedingungen für die Integration herrschen (BILD 14 rechts). In ähnlicher Weise sorgen fünf Nachimpulse für eine gleichmäßige Rückflanke der integrierten Vertikal-Teilimpulse.

Zur Zählweise der Zeilen - aus dem BA wird das BAS Signal

nochmal ein Blick auf BILD 13

Zur Zählweise der Zeilen in Bild 13 ist noch folgendes zu sagen: In der Fernsehtechnik ist es üblich, die aufeinanderfolgend übertragenen Zeilen durchlaufend zu numerieren. Das 1. Halbbild beginnt mit der Vorderflanke des Vertikal-Synchronimpulses, und es weist 312 1/2 Zeilen auf. Davon fallen die ersten 22 1/2 Zeilen in die Vertikal-Austastlücke. Das 2. Halbbild beginnt nach 312 1/2 Zeilen in der Mitte der 313. Zeile auch mit der Vorderflanke des Vertikal-Synchronimpulses und endet mit der 625. Zeile.

Das komplette Synchronsignal wird in einer Signalmischstufe pegelgerecht dem BA-Signal zugesetzt. Man erhält damit das BAS-Signal.

3. Hochfrequente Übertragung des Bild- und Tonsignals

Zur drahtlosen Übertragung des Bildsignals und auch für manche Sonderfälle wird das BAS-Signal einer hochfrequenten Trägerschwingung aufmoduliert.

Beim Fernseh-Rundfunk sowie in Systemen, in denen übliche Fernsehempfänger verwendet werden, geschieht dies durch Amplitudenmodulation. Bei der Fernsehsignalübertragung in Richtfunksystemen arbeitet man wegen der höheren Übertragungsqualität mit Frequenzmodulation.

3.1 Restseitenband-Amplitudenmodulation

Der Vorteil der Amplitudenmodulation liegt in der geringeren Bandbreite des Modulationsproduktes. Bei üblicher Amplitudenmodulation (AM) wird mit einer Bandbreite des modulierenden BAS-Signals von B = 5 MHz eine hochfrequente Übertragungsbandbreite von B Hf = 10 MHz beansprucht (BILD 15 oben). Prinzipiell könnte man auch ein Seitenband unterdrücken, da der Signalinhalt in beiden Seitenbändern gleichermaßen enthalten ist. Man käme so zur Einseitenband-Amplitudenmodulation (ESB-AM) (BILD 15 Mitte).

Wegen der bis zu sehr niedrigen Frequenzen reichenden Modulationssignale
und der deshalb notwendigen steilflankigen Filter ergeben sich jedoch Schwierigkeiten durch die Gruppenlaufzeitverzerrungen dieser Filter an der Grenze des Durchlaßbereiches.

BILD 16 Korrektur des Amplitudenfrequenz-gangs bei Restseitenband-Obertragung durch ein Nyquist-Filter.
BILD 17 CCIR-Norm für den Bildsender-Ampli-tudenfrequenzgang (oben) und die Empfänger-Durchlaßkurve (unten).

Die Restseitenband-Amplitudenmodulation

Das Problem wird dadurch umgangen, daß anstelle der reinen Einseitenband-Amplitudenmodulation die Restseitenband-Amplitudenmodulation (RSB-AM) angewendet wird. Es wird dabei ein Seitenband vollständig und das andere Seitenband nur teilweise übertragen (BILD 15 unten).

Empfängerseitig muß dafür gesorgt werden, daß die Signalfrequenzen im Bereich des Restseitenbandes nach der Demodulation nicht mit doppelter Amplitude erscheinen. Man erreicht dies durch eine um die Frequenz des Bildträgers frequenzlinear ansteigende beziehungsweise abfallende Selektionskurve des Empfängers mit der sogenannten "Nyquist"-Flanke (BILD 16).

Nach der CCIR-Norm werden im VHF-Bereich 7 MHz breite und im UHF-Bereich 8 MHz breite Frequenzbänder für den Fernseh-Rundfunk bereitgestellt.

Der Bildsender-Amplitudenfrequenzgang und die Empfängerdurchlaßkurve sind ebenfalls durch eine CCIR-Norm vorgegeben (BILD 17). Modulation und Demodulation des BAS-Signals erfolgen meistens im Zwischenfrequenzbereich, für den die Bildträgerfrequenz bei 38,9 MHz und die Tonträgerfrequenz bei 33,4 MHz festgelegt ist.

Die negative Amplitudenmodulation

BILD 18 Negative Amplitudenmodulation des hochfrequenten Bildträgers durch das BAS-Signal.

Die Modulation des hochfrequenten Bildträgers durch das BAS-Signal geschieht als negative Amplitudenmodulation, das heißt, hellen Bildstellen entspricht eine niedrige Trägeramplitude, und der Synchronimpuls ruft maximale Trägeramplitude hervor (BILD 18). Ein Restträgerwert (Weißwert) von 10% ist notwendig wegen der Anwendung des Intercarrier-Tonträgerverfahrens im Empfänger. Der Vorteil der Negativmodulation liegt unter anderem in einer günstigen Ausnutzung des Senders, weil die Maximal- leistung nur kurzzeitig während der Synchronspitzen aufgebracht werden muß sowie in der periodisch während der Synchronimpulse auftretenden Maximalamplitude als Bezugswert für eine automatische Verstärkungsregelung im Empfänger.

3.2 Tonsignalübertragung

Das Tonsignal wird beim Fernseh-Rundfunk durch Frequenzmodulation des hochfrequenten Tonträgers übertragen. Gemäß CCIR-Norm liegt die Frequenz des Tonträgers um 5,5 MHz oberhalb des zugehörigen Bildträgers. Der Frequenzhub beträgt maximal 50 kHz. Das Verhältnis von Tonträgerleistung zu Bildträgerleistung wurde von ursprünglich 1:5 auf Grund gewisser Störungen bei der Farbübertragung auf 1:10 beziehungsweise 1:20 reduziert [2]. Selbst bei letzterem Wert zeigte sich bei ausreichendem Signal für ein einwandfreies Bild keine Verschlechterung der Tonqualität.

Wie bereits erwähnt, wendet man im Fernsehempfänger meistens das Intercarrier-Tonträgerverfahren an. Aus Tonträgerfrequenz und Bildträgerfrequenz wird die Differenzfrequenz von 5,5 MHz gewonnen. Dieses Signal ist mit der Toninformation frequenzmoduliert. Die Frequenz des Intercarrier-Tonträgers ist konstant und wird nicht durch eine Fehlabstimmung oder durch Schwankungen des Empfängeroszillators beeinflußt.

Neuere Untersuchungen zeigen weitere Möglichkeiten der Tonsignalübertragung beim Fernsehen auf, insbesondere auch im Hinblick auf die gleichzeitige Übertragung von mehreren Tonsignalen. Ein zweiter Tonkanal ermöglicht zum Beispiel mehrsprachige Übertragungen oder Stereobetrieb.

Beim Zwei-Tonträger-Verfahren wird ein zusätzlicher Tonträger im Abstand von 250 kHz oberhalb des eigentlichen Tonträgers frequenzmoduliert. Sein Leistungspegel liegt um 6dB niedriger als der des ersten Tonträgers.

Weitere Möglichkeiten ergeben sich nach einem Multiplexverfahren durch Modulation eines Hilfsträgers bei der doppelten Zeilenfrequenz oder durch Ausnutzung der horizontalen oder vertikalen Austastlücken in Verbindung mit Pulsmodulationsverfahren.

3.3 Fernsehsender und Schwarzweiß-Empfänger

Die Erzeugung des hochfrequenten Fernsehsignals ist nach zwei verschiedenen Verfahren möglich:

BILD 19 Blockschaltung eines Fernsehsenders mit Endstufenmodulation im Bildsender.


Bei der Endstufenmodulation im Bildsender (BILD 19) wird die hochfrequente Bildträgerschwingung zunächst auf die notwendige Steuerleistung gebracht und dann in der Bildsenderendstufe bei gleichzeitiger Amplitudenmodulation auf die nominelle Bildträgerleistung des Senders verstärkt. In die Bildsenderendstufe ist das Restseitenbandfilter mit einbezogen.

Der Modulationsverstärker muß das breitbandige BAS-Signal auf den zur Amplitudenmodulation in der Endstufe erforderlichen Wert bringen. Die Frequenzmodulation des Tonträgers erfolgt mit geringem Hub bei einer relativ niedrigen Frequenz. Über Vervielfacherstufen werden die Endfrequenz sowie der eigentliche Frequenzhub erzeugt. Bildsenderendstufe und Tonsenderendstufe werden über die Bild-Ton-Weiche zusammen an eine gemeinsame Antenne geführt.
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BILD 20 Blockschaltung eines Fernsehsenders mit Modulation in der Zwischenfrequenz beim Bild- und Tonsender.

Nach dem Verfahren der ZF-Modulation (BILD 20) wird zunächst ein ZF-Bildträger bei 38,9 MHz amplitudenmoduliert. Durch das nachfolgende Filter wird eine Restseitenband-Amplitudenmodulation erzeugt. Auch ein oder zwei Tonträger werden in der ZF-Ebene frequenzmoduliert. Anschließend folgt im Bild- und im Tonkanal die Umsetzung mit einem gemeinsamen Träger, so daß auch in der HF-Ebene der Bild/Tonträger-Abstand von 5,5 MHz eingehalten wird. Über lineare Verstärkerstufen werden Bildträgerleistung und Tonträgerleistung auf den erforderlichen Wert gebracht.

Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, daß die eigentliche Aufbereitung des hochfrequenten Fernsehsignals in der ZF-Ebene, und damit bei niedrigerer Frequenz, sowie band- und kanalunabhängig erfolgt. Zur weiteren Verstärkung sind allerdings, zumindest im Bildsenderteil, sehr lineare Verstärkerstufen notwendig.

Die Technik im Empfänger

Die Wiedergabe des Fernsehbildes im Empfänger setzt zunächst eine entsprechende Verstärkung des von der Antenne aufgenommenen hochfrequenten Fernsehsignals voraus (BILD 21).
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BILD 21 Blockschaltung eines Schwarzweiß- Fernsehempfängers.


Dazu wird das Signal im VHF-UHF-Tuner in die Zwischenfrequenz umgesetzt, in welchem es die normgerechte Selektion durch das Nyquist-Filter und die notwendige Verstärkung erfährt. Im nachfolgenden Demodulator werden das BAS-Signal sowie die 5,5 MHz Ton-Zwischenfrequenz gewonnen. Letzteres Signal wird amplitudenbegrenzt, verstärkt und frequenzdemoduliert. Das BAS-Signal gelangt in den Videoverstärker, von wo es, vom Synchronsignal befreit, über die Videoendstufe zur Steuerstrecke der Bildröhre gelangt.

Aus dem Videoverstärker wird andererseits über ein Amplitudensieb das Synchronsignal ausgekoppelt, das über ein Differenzierglied dem Horizontal- und über ein Integrierglied dem Vertikalablenkteil zugeführt wird.

Im Horizontaloszillator wird die Zeilenablenkfrequenz erzeugt, die ein Phasendiskriminator mit den empfangenen Horizontal-Synchronimpulsen vergleicht. Eine Regelschaltung sorgt dafür, daß der Frequenz- und Phasenbezug zum sendeseitigen Synchronsignal eingehalten wird. In der Horizontalendstufe wird die notwendige Ablenkleistung erzeugt sowie aus den Zeilenrücklaufimpulsen die Hochspannung für die Bildröhre gewonnen.

Der Vertikaloszillator wird direkt vom Vertikal-Synchronsignal her synchronisiert. Aus der Horizontal- und Vertikalendstufe werden die für die Strahlrücklaufausblendung notwendigen Austastimpulse entnommen.

3.4 Fernsehnormen

Die in den Abschnitten 1, 2 und 3 angeführten Eigenschaften der Fernsehsignale beziehen sich auf die CCIR-Norm.

Davon abweichend sind verschiedene Eigenschaften in weiteren noch gebräuchlichen Normen festgelegt (TABELLE 1 und 2).

TABELLE 1 Frequenzbereiche, Bild/Tonträger-Abstand, Kanalbreite, Tonmodulation
TABELLE 2 BAS-Signal


LITERATUR
[2] Mangold, H.: Fernseh-Versuchsbetrieb in der BRD mit Bild/Tonträger-Leistungsverhältnis 20:1. Neues von Rohde & Schwarz (1975) Nr. 69, S. 38.

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