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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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5. Übertragung des Farbartsignals mit Farbträger

Wie im vorangegangenen Kapitel erläutert, geschieht die Aufbereitung des Farbfernsehsignals aus Gründen der Kompatibilität in das Leuchtdichtesignal Y und in die beiden Farbdifferenzsignale Rot-Y und Blau-Y. Zur Übertragung der gesamten Bildinformation - Leuchtdichte und Farbart - ist ein dreifach belegbarer Übertragungskanal notwendig.

Zu denken wäre dabei an eine Mehrfachausnutzung des Fernsehübertragungskanals nach dem Frequenzoder Zeitmultiplexverfahren. Beide Verfahren erweisen sich aber als nicht kompatibel mit dem bereits eingeführten Schwarzweiß-Übertragungsverfahren.

Das Spektrum von BAS-Signal und Farbartsignal

Ein für das tatsächlich gewählte Farbübertragungsverfahren entscheidender Gedanke leitet sich von der spektralen Analyse des Leuchtdichte- beziehungsweise des BAS-Signals ab. Es zeigt sich nämlich, daß im Spektrum des BAS-signals nur bestimmte Frequenzkomponenten auftreten, die im wesentlichen, wegen des periodischen Abtastvorgangs, durch Vielfache der Zeilenfrequenz gebildet werden.
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BILD 39 Spektrum des BAS-Signals, ausschnittsweise dargestellt.

Durch den schwankenden Bildinhalt ergibt sich eine Amplitudenmodulation der zeilenfrequenten Impulsfolge, was wiederum zu Seitenschwin- gungen im Abstand von Vielfachen der Vertikal- frequenz zu den Spektralkomponenten des Zeilenimpulses führt.
BILD 39
zeigt ausschnittsweise das Spektrum des BAS-Signals. Dieses ist im wesentlichen nur bei Vielfachen der Horizontalfrequenz und in deren Umgebung besetzt. Zwischen diesen Frequenzgruppen weist das Spektrum bedeutende Energielücken auf.
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BILD 40 Spektrum das BAS-Signals und des modulierten Farbträgers.

Da auch die Farbinformation zeilenperiodisch auftritt, setzt sich das Spektrum des Farbartsignals ebenfalls nur aus Vielfachen der Horizontalfrequenz und deren Seitenbändern zusammen. Es liegt deshalb nahe, die zusätzliche Farbinformation in die Lücken des Frequenzspektrums des BAS-Signals einzufügen. Dies geschieht, indem das Farbartsignal einem Farbträger aufmoduliert wird, dessen Frequenz fp, und damit auch das Spektrum der zeilenfrequenten Modulationsprodukte, zwischen den Frequenzkomponenten des BAS-Signals liegt (BILD 40).
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BILD 41 Störmuster durch den Farbträger bei ganzzahliger Beziehung zwischen Farbträgerfrequenz und Horizontalfrequenz.

5.1 Festlegung der Farbträgerfrequenz

Eine Bedingung für die Frequenz des Farbträgers ergibt sich aus der symmetrischen Verschachtelung von BAS-und Farbartsignalspektrum: Die Frequenz fF soll ein ungeradzahliges Vielfaches der halben Zeilenfrequenz fh sein. Man erhält so den sogenannten Halbzeilen-Offset.

Der Störeinfluß eines Farbträgers auf das Schwarzweißbild läßt sich allgemein folgendermaßen erläutern, wenn davon ausgegangen wird, daß eine sinusförmige Schwingung im Frequenzbereich des BAS-Signals zu einem Hell-Dunkel-Störmuster am Bildschirm führt:

Bei einer ganzzahligen Beziehung zwischen Farbträgerfrequenz und Horizontalfrequenz, das heißt bei Nicht-Offset-Lage zur Horizontalfrequenz, tritt ein Störmuster aus hellen und dunklen vertikalen Streifen auf, deren Anzahl entsprechend dem Faktor n ist (BILD 41).

Anmerkung : Bereits an dieser Stelle sei gesagt, daß die Rücksichtnehme auf schwarz weiß Fernseher wenige Jahre nach 1970 nur noch sporadisch geprüft und korrigiert wurde.

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BILD 42 Kompensation des Störmusters bei Halbzeilen-Offset der Farbträgerfrequenz.

Kompensation des Störmusters

Durch den Halbzeilen-Offset ergibt sich ein Wechsel der Phasenlage der Farbträgerschwingung um 180° von Zeile zu Zeile eines Halbbildes. Nach jeweils zwei Halbbildern aber fallen, wegen der ungeradzahligen Anzahl von Zeilen, helle und dunkle Bildpunkte aufeinander. Das im Takt von fv/4 = 12,5 Hz auftretende Störmuster würde sich so über vier Halbbilder hinweg kompensieren (BILD 42). Die Kompensation des Störmusters auf dem Bildschirm ist jedoch wegen der Nichtlinearität der Bildröhrenkennlinie und des nicht ausreichenden Integrationsvermögens des Auges unvollkommen.

Reduktion des subjektiven Störeindrucks

Geht man vom Halbzeilen-Offset der Farbträgerfrequenz zur Horizontalfrequenz aus, so läßt sich der subjektive Störeindruck noch dadurch reduzieren, daß die Frequenz des Farbträgers möglichst hoch gewählt wird. Das Störmuster erhält damit eine sehr feine Struktur. Dagegen muß aber berücksichtigt werden, daß der Farbträger durch die Farbdifferenzsignale moduliert wird, so daß zur Übertragung des oberen Seitenbandes ein gewisser Mindestabstand der Farbträgerfrequenz zur oberen Frequenzbandgrenze des BAS-Signals eingehalten werden muß.

Die Frequenz bei NTSC

Als günstigster Kompromiß erwies sich ein Wert von etwa 4,4 MHz für die Farbträgerfrequenz. Man kommt so zu dem Schema der kompatiblen Farbfernsehübertragung durch das Leuchtdichtesignal und dem einem Farbträger aufmodulierten Farbartsignal, wie es dem NTSC-System und seinen Varianten zugrunde liegt (BILD 43).
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BILD 43 Prinzip der kompatiblen Farb-fernsehübertragung durch Leuchtdichte-und Farbartsignal.

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Für ein auf die CCIR-Norm modifiziertes NTSC-Verfahren, das später noch ausführlich beschrieben wird, wurde eine Farbträgerfrequenz festgelegt von 4,4296875 MHz.
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NTSC wurde zu PAL verbesert

BILD 44 Verkopplung der Farbträgerfrequenz mit der Horizontalfrequenz.

Eine Weiterentwicklung des NTSC-Verfahrens führte zu dem heute weit verbreiteten PAL-Verfahren (wir sind in 1992 !). Bei diesem wird eine Komponente der Farbträgerschwingung zeilenweise um 180° umgeschaltet. Damit wird aber die Offset-Bedingung für diese Komponente des Farbträgers wieder aufgehoben, und es entstünde im kompatiblen Schwarzweißbild ein starkes Störmuster. Man vermeidet dies nun durch einen Viertelzeilen-Offset des Farbträgers und durch einen zusätzlichen Versatz um fv/2 = 25 Hz. Die Farbträgerfrequenz beim PAL-Verfahren nach der CCIR-Norm ergibt sich somit zu 4,43361875 MHz.

Die starre Verkopplung der Farbträgerfrequenz mit der Horizontalfrequenz erreicht man durch Ableitung der Zeilenfrequenz fH beziehungsweise der doppelten Zeilenfrequenz 2 • fh aus der Frequenz fp des Farbträgers (BILD 44).

5.2 Modulation des Farbträgers

BILD 45 Erzeugung des Farbartsignals durch Quadraturmodulation des Farbträgers von den beiden Farbdifferenzsignalen.

Das Farbartsignal wird durch Modulation des Farbträgers von den beiden Farbdifferenzsignalen übertragen. Das Modulationsverfahren muß es erlauben, auf der Empfangsseite die Farbdifferenzsignale wieder getrennt zu gewinnen.

Beim NTSC- und auch beim PAL-Verfahren wird eine Doppel-Amplitudenmodulation angewendet. Vom Farbträger wird eine 0°-Komponente durch das (Blau-Y)-Signal und eine 90°-Komponente durch das (Rot-Y)-Signal amplitudenmoduliert bei gleichzeitiger Trägerunterdrückung. Man erhält so die Quadraturmodulation (BILD 45).

Das resultierende Modulationsprodukt ist eine Farbträgerschwingung, deren Amplitude und Phasenlage von den beiden Farbdifferenzsignalen bestimmt wird. Es liegt gleichzeitig eine Amplituden- und Phasenmodulation vor. Verglichen mit der Darstellung des Farbartsignals nach Bild 34, entspricht der Farbsättigung jetzt die Amplitude F und dem Farbton der Phasenwinkel ωF der modulierten Farbträgerschwingung. Es ist deshalb auch üblich, bei der modulierten Farbträgerschwingung vom Farbartsignal zu sprechen.

BILD 46 Vektordarstellung des Farbartsignals, Farbkreis.

Darstellung im Zeigerdiagramm

Ein Zeigerdiagramm des Farbartsignals veranschaulicht die Lage der Farborte im Farbkreis (BILD 46).

Ähnlich wie beim Farbdreieck in Bild 29 erkennt man die sich über den Koordinaten-Nullpunkt (Unbunt) = weiß gegenüberliegenden Komplementärfarben. Bei der Übertragung einer unbunten Bildstelle werden die Farbdifferenzsignale und damit auch die Amplitude der Farbträgerschwingung zu Null. Im Schwarz-weiß Bild treten in diesem Fall auch keine Störungen durch den Farbträger auf.

Das Farbsynchronsignal - auch "Burst" genannt

Zur Demodulation des Farbartsignals wird die phasenrichtige unmodulierte Trägerschwingung benötigt. Es findet eine Synchron-Demodulation statt, bei der nur die in Phase zur Referenzträgerschwingung liegende Komponente des Farbartsignals bewertet wird. Da die eigentliche Trägerschwingung nicht übertragen wird, muß sie am Empfangsort als Referenzträger erzeugt werden. Zur Synchronisierung mit dem sendeseitigen Farbträger wird während jeder Zeile innerhalb der H-Austastlücke ein Bezugssignal gesendet, das Farbsynchronsignal, das nach dem englischen Sprachgebrauch auch als Burst bezeichnet wird.
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BILD 47 Farbsynchronsignal (Burst).


Dieses Signal besteht aus etwa zehn Schwingungszügen des sendeseitigen Farbträgers, die innerhalb des Zeitabschnitts der hinteren Schwarzschulter übertragen werden (BILD 47). Die Phase des Farbsynchronsignals liegt beim NTSC-Verfahren bei 180° gegenüber der 0°-Bezugsphase des Farbträgers.

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Trennen von Farbsynchronsignal und Farbartsignal

Im Empfänger wird das Farbsynchronsignal durch Austasten vom Farbartsignal getrennt. In einer Phasenvergleichsschaltung wird aus der Abweichung der Referenzträgerphase von der Phase des Farbsynchronsignals eine Regelspannung gewonnen, die über ein Integrationsglied (die Spannung wird ausummiert) den Referenzträgeroszillator in Frequenz und Phase nachsteuert.
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BILD 48 Synchronisation des Referenzträgeroszillators auf der Empfangsseite und Synchrondemodu-latoren für die beiden Farbdifferenzsignale.

 

Die Regelspannung wird zu Null, wenn die Phasendifferenz 90° beträgt. Vom Referenzträger- oszillator wird die 90°-Komponente direkt dem (Rot-Y)- Synchrondemodulator und über eine 90°- Phasenrückdrehung als 0°-Komponente dem (Blau-Y)- Synchrondemodulator zugeführt (BILD 48).
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5.3 Das FBAS-Signal

Das Farbartsignal F wird mit dem BAS-signal zum FBAS-Signal zusammengefaßt. Dem hochfrequenten Bildträger wird durch Amplitudenmodulation das FBAS-Signal aufgeprägt. Bei Berücksichtigung der vollen Farbdifferenz-Signalpegel würde eine Übermodulation des hochfrequenten Bildträgers durch das Farbartsignal bei verschiedenen bunten Bildvorlagen auftreten. Am Beispiel der Normfarbbalkenfolge sei dies gezeigt (TABELLE 4).
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TABELLE 4 Übermodulation des HF-Bildträgers durch Normfarbbalken

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Die Übermodulation

BILD 49 Amplitudenmodulation des hochfrequenten Bildträgers durch das FBAS-Signal ohne Reduzierung der Farbdifferenzsignale.

Die Übermodulation tritt in beiden Richtungen auf (BILD 49). Insbesondere durch das periodische Aussetzen der hochfrequenten Trägerschwingung und das Unterschreiten des 10%-Weißpegels würden starke Störungen auftreten. Es muß deshalb die Farbartsignalamplitude reduziert werden. Man hat sich entschieden, als Kompromiß zwischen Übermodulation einerseits und Verringerung des Signal/Rausch-Abstandes andererseits eine Übermodulation von 33% in beiden Richtungen bei voll gesättigten Farben zuzulassen. In der Praxis treten voll gesättigte Farben nämlich kaum auf.

Man erreicht dies durch unterschiedliche Reduktionsfaktoren für die beiden Farbdifferenzsignale, und zwar durch Multiplikation mit dem Faktor 0,49 beim (Blau-Y)-Signal und 0,88 beim (Rot-Y)-Signal.


Es ergeben sich daraus die „reduzierten Farbdifferenzsignale", denen man die Bezeichnungen U und V gegeben hat.

U = (B-Y)red=0,49 • (B-Y) = -0,15 • R - 0,29 • G + 0,44 • B (23)
V = (R-Y)red=0,88 • (R-Y) = 0,61 • R - 0,52 • G - 0,10 • B. (24)

(Die Zahlenwerte sind auf- beziehungsweise abgerundet.)

TABELLE 5 Modulation des HF-Bildträgers durch Normfarbbalken mit reduzierten Farbdifferenzsignalen

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Für das Farbbalken-Testbild mit 100% gesättigten Farben ergibt dies die in TABELLE 5 zusammengefaßten Signalwerte.
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BILD 50 Zeilenoszillogramm des FBAS-Signals für die Normfarbbalkenfolge, Farbsättigung 100%, mit reduzierten Farbdifferenzsignalen.

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Das Zeilenoszillogramm des FBAS-Signals für die Farbbalkenfolge mit 100% gesättigten Farben zeigt BILD 50.

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BILD 51 Zeilenoszillogramm des FBAS-Signals für die Normfarbbalkenfolge, Farbsättigung 75% (EBU-Testsignal).

Die Normfarbbalkenfolge

Für meßtechnische Untersuchungen und Einstellungen an Farbfernseh- Übertragungssystemen dient als Testsignal die Normfarbbalkenfolge, bei der nach EBU-Norm (European Broadcasting Union) alle Farbwertsignale, außer im Weiß-Balken, auf 75% reduziert werden. Damit wird die 33%ige Übermodulation durch den Farbträger vermieden (BILD 51).
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BILD 52 Vektoroszillogramm der Normfarbbalkenfolge.

Das Vektorskop (Englisch : vectorscope)

Zur Bestimmung der Farbträger-Phasenlage beziehungsweise der Farborte in der (Blau-Y)-(Rot-Y)-Ebene verwendet man das Vektorskop. Es handelt sich dabei um ein in Polarkoordinaten geeichtes Oszilloskop mit zwei Synchrondemodulatoren für die Fu- und Fv-Komponente des Farbartsignals.

Die demodulierten Farbdifferenzsignale werden dem X- und Y-Eingang des Oszilloskops zugeführt. Das Vektoroszillogramm der Normfarbbalkenfolge zeigt BILD 52.
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