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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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NTSC - PAL - SECAM - eine Gegenüberstellung

5.4 NTSC-Verfahren

BILD 53 I- und Q-Komponente der reduzierten Farbdifferenzsignale beim Original-NTSC-System.

Die bei der Farbfernsehübertragung im wesentlichen verwendeten Verfahren NTSC, PAL und SECAM unterscheiden sich nur hinsichtlich der Modulation des Farbträgers. Das nach dem „National Television System Committee" benannte NTSC-Verfahren bildet die Grundlage für die verbesserten Varianten PAL und SECAM.

Das NTSC-Verfahren ist durch die bisherigen Ausführungen über die Modulation des Farbträgers und das FBAS-Signal im Prinzip bereits beschrieben worden. Abweichend von dem bisher Gesagten werden aber beim Original-NTSC-System (US-Norm) nicht die reduzierten Farbdifferenzsignale U und V übertragen, sondern die auf ein um 33° gedrehtes Koordinatensystem bezogenen Komponenten, die „I-Komponente" und die „Q-Komponente" (BILD 53).

BILD 54 I-Q-Achsensystem im Farbdreieck.

Die I-Achse entspricht im Farbdreieck der Achse maximaler und die Q-Achse der Achse minimaler Farbauflösung des menschlichen Auges (BILD 54). Man erreicht dadurch eine günstigere Übertragung von Farbübergängen.

Die Modulationssignale sind jetzt

I = V • cos 33° -U • sin 33°, (25)
Q = V • sin 33° +U • cos 33° (26)

oder mit den Matrixgleichungen aus den Farbwertsignalen

I = 0,60 • R - 0.28 • G - 0,32 • B, (27)
Q = 0,21 • R - 0,52 • G + 0,31 • B. (28)

Die beiden Signale I und Q werden mit unterschiedlicher Bandbreite übertragen, nämlich das I-Signal mit 1,3 MHz und das Q-Signal mit 0,5 MHz.

Die Phasendrehungen bzw. Farbtonverfälschungen bei NTSC

BILD 55 Blockschaltung eines NTSC-Coders.

BILD 55 zeigt das vollständige Blockschaltbild eines NTSC-Coders. Die Funktion eines entsprechenden Decoders ist, abgesehen von der 33°-Phasendrehung, im wesentlichen durch Bild 48 erläutert.

Das menschliche Auge reagiert sehr stark auf Farbtonverfälschungen. Der Farbton des von der Bildröhre wiedergegebenen Farbbildes wird bestimmt durch den Phasenwinkel des Farbartsignals, bezogen auf die Phase des Farbsynchronsignals. Bei der Bildung des FBAS-Signals im Studio kann es vorkommen, daß das Farbartsignal von verschiedenen Quellen her unterschiedliche Signallaufzeiten und damit verschiedene Phasendrehungen gegenüber dem Burst aufweist.

Korrektur von NTSC Farbtonfehlern

Beim NTSC-Farbfernsehempfänger ist zur Korrektur von Farbtonfehlern, die sich auf Grund statischer Phasenfehler im Übertragungsweg ergeben, eine Einstellvorrichtung vorhanden, mit dem die Phasenlage des Referenzträgers nachgestellt werden kann. Dies geschieht meist unter Bezugnahme auf den Farbton eines bekannten Bildteiles, beispielsweise der Hautfarbe.

Differentielle Phasenfehler bei NTSC

Die komplizierten differentiellen Phasenfehler bei NTSC
Nicht korrigieren lassen sich mit diesem Farbtonregler allerdings die sogenannten differentiellen Phasenfehler. Unter dem Begriff der „differentiellen Phase" versteht man nach DIN 45 061 „die Differenz der Phasendrehungen in einem Vierpol an zwei verschiedenen Stellen der Aussteuerungskennlinie bei der Farbträgerfrequenz". Ähnlich ist auch der Begriff „differentielle Verstärkung" definiert.
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BILD 56 Entstehung von differentiellen Amplituden- und Phasenfehlern.

Das Farbartsignal erleidet zum Beispiel beim Durchlaufen einer Verstärkerstufe mit vorgeschaltetem Schwingkreis auf Grund des über den Y-Anteil des FBAS-Signals unterschiedlichen Arbeitspunktes auf der Übertragungskennlinie eine differentielle Amplitudenänderung (wegen der unterschiedlichen Steilheit entlang der Kennlinie) und eine differentielle Phasenänderung (wegen der vom Emitterstrom und damit vom Arbeitspunkt abhängigen Eingangskapazität des Transistors). Während die Amplitudenänderung durch eine Gegenkopplung weitgehend eliminiert werden kann, ist die Phasenänderung nur durch Einengung des Aussteuerbereichs zu reduzieren. BILD 56 zeigt diesen Einfluß auf das FBAS-Signal und die Auswirkung in der Vektorskop-Darstellung.

5.5 PAL-Verfahren

Eine wesentlich geringere Störanfälligkeit gegenüber statischen und differentiellen Phasenfehlern weist das PAL-Verfahren auf. Es findet dabei eine Kompensation der auftretenden Phasenfehler mit relativ geringem Aufwand statt.

Der PAL Grundgedanke

Der Grundgedanke des PAL-Verfahrens ist folgender: Ein vorhandener Phasenfehler kann durch einen entgegengesetzt gerichteten Phasenfehler kompensiert werden. Technisch erreicht man dies durch eine zeilenweise Umschaltung der Phasenlage einer der beiden Komponenten des Farbartsignals um 180°, beispielsweise der Fv-Komponente. Von dem zeilenweisen Phasenwechsel, „phase alternation line", leitet sich auch die Bezeichnung PAL ab.

Ein Zeile Verzögerung - ein uraltes Konzept

Bei Vorliegen eines Phasenfehlers im Übertragungsweg ergeben sich im Empfänger nach Aufhebung der senderseitigen Umpolung der Fv-Komponente von Zeile zu Zeile abwechselnd positive und negative Abweichungen der Phasenlage des Farbartsignals vom Sollwert. Durch eine Verzögerung des Farbartsignals um die exakte Dauer einer Zeile (64us) und anschließende Addition des verzögerten und unverzögerten Signals fallen jeweils zwei entgegengesetzt gerichtete Phasenfehler zeitlich zusammen und heben sich so auf.

Man geht bei diesem Verfahren allerdings von der Annahme aus, daß sich die Farbart in zwei aufeinanderfolgend übertragenen Zeilen nicht ändert. Sind horizontal verlaufende Farbkanten vorhanden, so empfindet das Auge jedoch auch dann kaum eine Verfälschung des Farbübergangs.

BILD 57 Kompensation eines Phasenfehlers beim PAL-Verfahren.

Die Fehler-Kompensation

Die Kompensation eines Phasenfehlers beim PAL-Verfahren zeigt BILD 57. Es wird dabei ein Phasenfehler "λ" angenommen, der das Farbartsignal gegenüber dem Burst auf der Übertragungsstrecke (und zwar nur! auf der Übertragungsstrecke) beeinflußt. Nach Aufhebung der Fv-Umpolung (PAL-Umschaltung) und Addition der Farbartsignale zweier aufeinander folgender Zeilen ergibt sich ein resultierendes Signal (Fres), dessen Phasenwinkel identisch ist mit dem des gesendeten Farbartsignals, womit auch der ursprüngliche Farbton erhalten bleibt. Das resultierende Signal weist, nach Reduzierung auf den halben Amplitudenwert, lediglich eine geringe Entsättigung auf.

Wie es genau funktioniert

BILD 58 Alternierender Burst beim PAL-Verfahren.

Zur phasenrichtigen Umpolung der Fy-Komponente im Empfänger beziehungsweise des Referenzträgers für den (R-Y)-Synchrondemodulator wird mit dem Farbsynchronsignal eine zusätzliche Kennung übertragen. Das Farbsynchronsignal wird dazu in zwei Komponenten aufgespalten, von denen eine in der 180°-Phasenlage und die andere zeilenweise abwechselnd phasenrichtig mit der Fv-Umpolung mit ±90°-Phasenlage gesendet wird. Dadurch ergibt sich der sogenannte „alternierende Burst" mit 180° ±45° (BILD 58). Die eigentliche Bezugsphase des Burst erhält man durch Mittelwertbildung zu 180°.

Der Referenzträgeroszillator im Empfänger stellt sich über die Phasenregelung auf 90° gegenüber dem Mittelwert der Burst-Phase ein. Das Kennsignal für die Synchronisierung des PAL-Umschalters wird dem Burst-Phasendiskriminator entnommen (siehe Bild 62). Beim PAL-Verfahren werden die reduzierten Farbdifferenzsignale U und V direkt übertragen, ihre Bandbreite beträgt 1,3 MHz. Eine Begrenzung der Seitenbänder des modulierten Farbträgers auf unterschiedliche Breite wirkt sich infolge der Phasenfehlerkompensation nicht mehr störend aus.

Der PAL-Coder

BILD 59 Blockschaltbild eines PAL-Coders.

BILD 59 zeigt das Blockschaltbild eines PAL-Coders. Gegenüber dem NTSC-Coder entfällt die 33°-Phasendrehung der Farbträgerkomponenten, es kommen jedoch die Umpolung der Farbträgerkomponente für den (B-Y)-Modulator sowie die Erzeugung des alternierenden Burst hinzu. Die technische Realisierung der PAL-Fehlerkompensation bedarf gegenüber der Prinzipdarstellung in Bild 57 einer gesonderten Erläuterung.
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BILD 60 PAL-Laufzeit-Decoder.

Dazu ist es zweckmäßig, aus dem PAL-Decoder zunächst die Funktionsgruppe Laufzeit-Decoder herauszunehmen. Im Gegensatz zum NTSC-Decoder wird nämlich beim PAL-Decoder das Farbartsignal nicht den beiden Synchrondemodulatoren gleichzeitig zugeführt, sondern es findet bereits vorher eine Aufspaltung in die Fx- und Fy-Komponente statt. Diese Aufgabe übernimmt der Laufzeit-Decoder (BILD 60).

Die 64us Signalverzögerung

Bild 61 Aufspaltung des Farbartsignals in die Fy und die Fy-Komponente beim PAL-Laufzeit-Decoder.

Das ankommende Farbartsignal wird an dessen Eingang dreifach aufgeteilt. Es gelangt über ein Laufzeitglied mit 64us Signalverzögerung (1 Zeilendauer) sowie direkt und um 180° in der Phase gedreht an die beiden Ausgänge. Dort findet jeweils eine Signaladdition statt. Am Ausgang Fy addieren sich das Farbartsignal der vorangehenden Zeile (Fn) und das der gerade ablaufenden Zeile (Fn + 1). Aufeinanderfolgende Zeilen beinhalten die Fy-Komponente mit um 180° wechselnder Phasenlage, so daß sich die Fy-Komponente über zwei Zeilen hinweg aufhebt. An diesem Ausgang kann somit ständig die Fx-Komponente des Farbartsignals abgenommen werden. Dem Ausgang Fy wird das Eingangssignal um 180° phasenverschoben zugeführt. Durch die Addition mit dem verzögerten Farbartsignal ergibt sich eine Aufhebung der Fy-Komponente, und es erscheint an diesem Ausgang die Fy-Komponente des Farbartsignals, allerdings zeilenweise in der Phasenlage um 180° wechselnd. Die Funktion des Laufzeit-Decoders läßt sich sehr anschaulich an Hand der Zeigerdiagramme gemäß BILD 61 erklären.

BILD 62 PAL-Decoder mit Referenzträgergewinnung.
BILD 63 Einfluß eines Phasenfehlers auf die Signale beim PAL-Laufzeit-Decoder.

Der PAL-Schalter

Die zeilenweise Änderung der Phasenlage der Fy-Komponente kann durch eine gesteuerte Umschaltung rückgängig gemacht werden. Einfacher ist jedoch die zeilenweise Umpolung der Phasenlage des Referenzträgers im (R-Y)-Synchrondemodulator. In der Zusammenschaltung des kompletten PAL-Decoders übernimmt diese Aufgabe der PAL-Schalter. Die Synchronisierung des PAL-Schalters erfolgt vom alternierenden Burst her (BILD 62).

Ein Phasenfehler im Übertragungsweg erscheint sowohl beim Fu- als auch beim Fv-Signal in gleicher Richtung (BILD 63). Da in den Synchrondemodulatoren aber nur eine Bewertung der mit dem Referenzträger in Phase liegenden Komponente des zugeführten Signals stattfindet, erhält man am Ausgang des (B-Y)-Demodulators das Signal U' und am Ausgang des (R-Y)-Demodulators das Signal V'.

Beide Farbdifferenzsignale werden um denselben Faktor reduziert, so daß das Verhältnis V/U beziehungsweise (R-Y) / (B-Y) konstant und damit auch der Farbton des wiedergegebenen Bildteiles unbeeinflußt bleibt. Eine Entsättigung gemäß dem Faktor cos λ macht sich wesentlich erst bei großen Phasenfehlern bemerkbar.

5.6 SECAM-Verfahren

Auch das SECAM-Verfahren bringt eine Verbesserung gegenüber dem NTSC-Verfahren hinsichtlich einer Farbtonverfälschung durch Phasenfehler auf dem Übertragungsweg. Es basiert, wie das PAL-Verfahren, auf der Annahme, daß sich die Farbinformation von Zeile zu Zeile nicht wesentlich ändert beziehungsweise, daß das menschliche Auge eine Verringerung der Vertikal-Farbauflösung bis zu einem gewissen Grad nicht als störend empfindet.

Auch hier wird eine 64us lange Zeile gespeichert

Die für die Farbinformation charakteristischen Farbdifferenzsignale (B-Y) und (R-Y) brauchen deshalb nicht gleichzeitig übertragen zu werden. Dies kann vielmehr in jeweils aufeinanderfolgenden Zeilen nacheinander geschehen. Im Empfänger wird dann das Signal einer Zeile über eine Verzögerungsleitung für die Dauer von 64us gespeichert und mit dem Signal der folgenden Zeile gemeinsam verarbeitet. Die Bezeichnung SECAM, aus „sequentielle ä memoire" abgeleitet, besagt, daß es sich um ein sequentielles Verfahren mit Speicher handelt.

SECAM arbeitet mit Frequenzmodulation

BILD 64 Vereinfachtes Blockschaltbild des SECAM- Coders (oben) und -Decoders (unten).

Nachdem die beiden Farbdifferenzsignale getrennt übertragen werden, kann die Modulationsart frei gewählt werden. Beim SECAM-Verfahren arbeitet man mit der wenig störanfälligen Frequenzmodulation. Die Bezugsfrequenz des FM-Demodulators muß jedoch sehr konstant gehalten werden, damit keine Verfälschung der demodulierten Farbdifferenzsignale auftritt.

BILD 64 zeigt das vereinfachte Blockschaltbild eines SECAM-Coders und -Decoders. Im Coder werden zeilenweise abwechselnd das (B-Y)- und das (R-Y)-Signal an den Frequenzmodulator angelegt. Damit im Decoder die Zuordnung der demodulierten Farbdifferenzsignale synchron zur Sendeseite erfolgt, werden während neun Zeilen der Vertikal-Austastlücke nach dem V-Impuls Identifikationsimpulse in Form des modulierten Farbträgers übertragen.

Bei der Frequenzmodulation des Farbträgers wird dieser selbst nicht unterdrückt. Insbesondere bei wenig gesättigten Farben würde sich dadurch bei einem Schwarzweiß-Empfänger trotz Farbträgeroffset ein Störmuster am Bildschirm zeigen. Es wird deshalb der Farbträger sendeseitig durch eine Preemphase abgesenkt und empfangsseitig durch eine Deemphase im Farbkanal wieder angehoben. Den Einfluß von Rauschstörungen vermindert man durch eine videofrequente Pre- und Deemphase.

Es gibt verschiedene SECAM Verfahren

Das SECAM-Verfahren hat verschiedene Entwicklungsstufen durchlaufen. Die letzte Variante, SECAM IM b oder SECAM III opt., basiert auf geringfügig unterschiedlichen Farbträgerfrequenzen für das (B-Y)- und (R-Y)-Signal, wodurch das Störmuster des Farbträgers noch verringert wird.

Gegenüber dem PAL-Verfahren weist SECAM einige systembedingte Schwächen auf, da die Frequenzmodulation an ihrer physikalischen Grenze ausgenutzt wird [3].

LITERATUR
[3] Schönfelder, H.: Fernsehtechnik, Teil I und II. Vorlesungsniederschrift. Justus-von Liebig-Verlag, Darmstadt, 1972 und 1973.

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