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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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8. Hochzeilen-Fernsehen (HDTV) (analog und digital)

Die Bildwiedergabequalität des bisher behandelten und eingeführten Fernsehsystems ist, besonders im Vergleich zum Kinofilm, noch nicht optimal (wir schreiben 1992 !). Als Schwachpunkte sind anzuführen die mäßige Detailauflösung, ein störendes Zeilenflimmern, das 50Hz-Großflächenflimmern bei großer Bildhelligkeit, das 25Hz-Flackern an horizontalen Kanten und einige Probleme im Zusammenhang mit der Farbbildwiedergabe.

Darüber hinaus bietet das Kinobild mit seiner großen Fläche ein besseres Realitätsempfinden, insbesondere bei breitem Bildformat. Das menschliche Gesichtsfeld weist einen Betrachtungswinkel von etwa 150° in der vertikalen und etwa 200° in der horizontalen Richtung auf. Bei dem bisher angenommenen Betrachtungsabstand von der fünffachen Bildhöhe beträgt der Bildfeldwinkel aber nur etwa 12° beziehungsweise 15°. Ein der Realität näher liegender Eindruck des Fernsehbildes bei einem vertikalen Betrachtungswinkel von mindestens 25° und einem Betrachtungsabstand von etwa 2,5facher Bildhöhe erfordert nach Gl. (2) eine Anzahl von mindestens 1000 Zeilen.

8.1 Zeilenzahl und Bildformat

In Anlehnung an die bisherige europäische CCIR-Norm mit 625 Zeilen ging man zunächst von einer Verdopplung der Zeilenzahl aus. Wegen des weiterhin beizubehaltenden Zeilensprungverfahrens und der dabei notwendigen ungeraden Zeilenzahl wurde nach einem deutschen Vorschlag ein Wert von 1249 Zeilen als Arbeitsstandard festgelegt und mit Rücksicht auf ein wirklichkeitsnäheres Bild das Bildformat zunächst auf 5:3 geändert.

Länder, in denen nach dem CCIR-Standard M eine Zeilenzahl von 525 eingeführt ist, insbesondere in Japan und USA, wählten jedoch eine andere Zeilenzahl für ein Hochzeilen-Fernsehen. Wohl aus einem Mittelwert zwischen 1050 und 1250 Zeilen ergaben sich 1125 Zeilen.

Gleichzeitig wurde nach diesem Standard die Halbbildwechselfrequenz von 60 Hz beibehalten, was einer weitgehenden Unterdrückung von Flimmerstörungen entgegenkommt. Auf Drängen amerikanischer Rundfunkanstalten änderte man das Bildseitenverhältnis noch auf 5,33:3.

HDTV Vorreiter waren die Japaner bei NHK

So ergaben sich für den von der japanischen Rundfunkanstalt NHK (Nippon Hoso Kyokai) aufgestellten Vorschlag für eine HDTV-Norm (High Definition Television) folgende Parameter:
1125 Zeilen, Zeilensprungverfahren, Bildseitenverhältnis 5,33:3 (16:9), Rasterwechselfrequenz 60 Hz, was eine Zeilenfrequenz von 33.750 Hz ergibt.

Der Wunsch nach einem weltweiten HDTV-Fernseh-Standard ist zwar sehr ausgeprägt, um möglichst aufwendige Normwandlungen und damit verbundenen Qualitätsverlust zu vermeiden, bisher aber konnte man sich in den zuständigen Gremien noch nicht einigen.

Im Jahr 1987 zeichnete sich dann ein deutlicher Vorsprung des NHK-Standards ab. Jedoch darf nicht übersehen werden, daß in den USA über einen Sinneswandel zugunsten von 1050 Zeilen nachgedacht wird wegen der besseren Kompatibilität zum 525-Zeilen-System [5; 6; 7].

8.2 Bandbreite und Bildwechselfrequenz

Die Bandbreite des HDTV-Videosignals mit 1125 Zeilen und Zeilensprungverfahren berechnet sich, unter Annahme der prozentual gleichen Austastzeiten wie beim 625-Zeilen-System, zu 39 MHz.

Unter Berücksichtigung eines Keil-Faktors von 0,65 erfordert dies eine Video-Übertragungsbandbreite von 25 MHz, also den fünffachen Wert der CCIR-Standards B, G.

Streitpunkt 50 Hz oder 60 Hz

Das größte Hindernis auf dem Weg zu einer weltweiten Einigung auf einen gemeinsamen Standard liegt in den unterschiedlichen Rasterwechselfrequenzen von 50 Hz und 60 Hz. Im Herbst 1987 haben nun sechs europäische Länder beim CCIR einen eigenständigen Vorschlag für eine HDTV-Studionorm eingebracht. Dieser sieht folgende Systemparameter vor [8]: 1148 aktive Zeilen, Bildwechselfrequenz 50 Hz, progressives Abtastverfahren, Bildseitenverhältnis 16:9.

Vor- und Nachteile der progressiven Abtastung

Die Anwendung der progressiven Abtastung, also ohne Zeilensprungverfahren, hat, bei gleicher Bildwechsel- beziehungsweise Rasterwechselfrequenz, eine Verdopplung der Signalbandbreite zur Folge. Es ergeben sich aber wesentliche Vorteile bei der Normwandlung, die dann ohne nennenswerten Qualitätsverlust möglich ist. Zur Übertragung des HDTV-Signals wird dieses wieder in zwei Halbraster aufgeteilt, um Bandbreite einzusparen.

8.3 Synchronsignal

Eine wesentliche Änderung erfolgt beim Synchronsignal. Wegen der digitalen Verarbeitung der breitbandigen HDTV-Signale ist eine hohe zeitliche Genauigkeit der Abtastwerte in Bezug auf das Zeilenraster erforderlich. Die Festlegung des Zeilenbeginns mit der Vorderflanke des Horizontal-Synchronimpulses reicht in diesem Fall wegen des Einflusses von Amplitudenänderung und linearen sowie nichtlinearen Verzerrungen nicht mehr aus.

Der Drei-Pegel-Synchronimpuls

Es wurde deshalb ein neuer, sogenannter Drei-Pegel-Synchronimpuls definiert (BILD 73). Der Bezugspunkt für den Zeilenbeginn liegt nun beim Nulldurchgang des zweiseitig gerichteten Impulses. Damit wird man weitgehend unabhängig von linearen und nichtlinearen Verzerrungen des Synchronimpulses. Das Spektrum dieses Impulses mit definierter Anstiegs- und Abfallzeit ist im wesentlichen auf tiefe Frequenzen im breitbandigen HDTV-Signal begrenzt. Näherungsweise kann der Horizontal-Synchronimpuls nun als eine Schwingung mit etwa 1 MHz betrachtet werden.

Noch kein einheitlicher Produktionsstandard

Auch der Vertikal-Synchronimpuls ist gegenüber dem bisherigen System verändert. Er besteht aus zehn Teilimpulsen mit je 11,85 us Dauer in fünf Zeilen innerhalb der Vertikal-Austastlücke, in die jeweils nach der halben Zeilendauer ein Horizontal-Synchronimpuls eingebracht ist [9].

Bei der endgültigen Festlegung von Parametern für ein HDTV-System wird wahrscheinlich versucht werden, einen einheitlichen Produktionsstandard zu schaffen, um möglichst ohne aufwendige und qualitätsmindernde Normwandlungen den Austausch von Programmbeiträgen zu gewährleisten. Bei dem Übertragungsstandard wird aber das Problem der Kompatibilität zunächst im Vordergrund stehen und darüber hinaus der für HDTV-Signale erforderliche breitbandige Übertragungskanal.

8.4 Farbbildübertragung

Insgesamt muß ein HDTV-System jedoch unter dem Aspekt der Farbbildübertragung betrachtet werden, das heißt, es muß zunächst von den Farbwertsignalen R, G, B ausgegangen werden, die mit einer Bandbreite von etwa 30MHz vorliegen. Daraus abgeleitet werden ein Leuchtdichtesignal Y und entsprechende Farbdifferenz- oder Chrominanzsignale C.

Ein japanischer Vorschlag

Ähnlich wie beim NTSC-Verfahren mit den I- und Q-Signalen, die auf Achsen maximaler und minimaler Farbempfindung basieren, wurden im japanischen HDTV-Vorschlag ein Breitband-Chrominanzsignal Cw und ein Schmalband-Chrominanzsignal Cn festgelegt. In der von der Internationalen Beleuchtungskommission (IBK, auch CIE oder ICI) herausgegebenen Farbtafel liegen diese Signale auf Achsen, die etwa als Verbindungslinie von Cyan nach Rot und von Blau über den Weißpunkt nach Gelb verlaufen (BILD 74).

Beide Chrominanzsignale zusammen mit dem Leuchtdichtesignal übertragen alle Farbvalenzen in dem durch die Primärfarben R, G, B begrenzten Dreieck.

Der Weißpunkt wird durch die Normlichtart D 65 bestimmt. Für die Farbwertanteile gilt hier R = G = B und für die Chrominanzsignale Cw = Cn = 0. Die beim PAL-Verfahren übertragenen U- und V-Signale wurden im Bild 74 gestrichelt eingezeichnet [6].

27 MHZ Bandbreite verlangt bei HDTV

Die bei HDTV zu übertragenden Signale sind nun ein Leuchtdichtesignal Y und die beiden Chrominanzsignale Cw und CN.

Die Bandbreite des Leuchdichtesignals wird aus technischen Gründen auf 20MHz begrenzt. Die Chrominanzsignale werden mit unterschiedlicher Bandbreite von 7 MHz beim Breitbandsignal Cw und 5,5 MHz beim Schmalbandsignal Cn weitergegeben.

Das HLO-PAL-Verfahren

Ein dem PAL-Verfahren ähnliches Frequenzmultiplex-Verfahren mit einem Farbträger bei 24,3 MHz wurde in Japan entwickelt und unter dem Namen HLO-PAL-Verfahren (Half Line Offset PAL) bekannt gemacht. Das HLO-Signal beansprucht insgesamt eine Bandbreite von 30 MHz und kann damit in bestehenden Fernseh-Verteilsystemen nicht übertragen werden.

Das MUSE-Verfahren

Umfangreiche Entwicklungen bei der NHK (Nippon Hoso Kyokai) führten zu dem MUSE-Verfahren (Multiple Sub-Nyquist Encoding). Es arbeitet mit einer weitgehenden Redundanzreduktion und basiert auf der Austauschbarkeit von Bandbreite und Übertragungsdauer. So läßt sich das breitbandige HDTV-Signal nach einer entspechenden Codierung in einem 8MHz-Kanal übertragen. Eine merkliche Qualitätseinbuße tritt allerdings bei bewegten Bildvorlagen auf. Das Verfahren soll hier nicht weiter beschrieben werden. Näheres dazu findet sich in [6].

In Europa gibt es das EUREKA-'95 Projekt

In Europa ist zu erwarten, daß eine zukünftige HDTV-Signalübertragung im Zeitmultiplex erfolgt, aufbauend auf dem in Einführung begriffenen MAC-Verfahren, das anschließend erläutert wird. Dabei favorisieren die sogenannten EUREKA-'95-Partner als europäische Übertragungsnorm für hochauflösendes Fernsehen ein auf MAC basierendes, als HD-MAC bezeichnetes Verfahren mit 1250 Zeilen und einem 16:9-Bildformat (TABELLE 6), bei dem die Kompatibilität für die Heimempfänger durch entsprechende Decoder gewährleistet werden soll [10].

Tabelle 6

9. MAC-Verfahren

Die in Abschnitt 5 beschriebenen Verfahren zur Farbbildübertragung gingen von der Forderung nach Kompatibilität mit der bereits eingeführten Schwarzweiß-Bildübertragung hervor. Die unter diesen Bedingungen eingebrachten Kompromisse sind allerdings mit einigen Schwächen des Systems verbunden, insbesondere mit Interferenzstörungen zwischen dem Leuchtdichtesignal und dem Farbartsignal („Cross Colour" durch höher-frequente Anteile im Leuchtdichtesignal, die in den Farbartkanal gelangen, und „Cross Luminance" durch Übersprechen des Farbartsignals in den Leuchtdichtekanal) sowie mit verminderter Bandbreite des wiedergegebenen Leuchtdichtesignals.

Zu viel Rauschen auf Satellitenstrecken

Außerdem ergeben sich bei der Übertragung des PAL- oder SECAM-Signals über die Satellitenstrecke durch Frequenzmodulation des RF-Trägers Schwierigkeiten durch das im oberen Videofrequenzbereich stark ansteigende Rauschen im demodulierten FM-Signal und bei der Übertragung von mehreren Begleittönen über zusätzliche Tonträger wegen der damit verbundenen Intermodulationsstörungen durch die Nichtlinearität der Wanderfeldröhren.

Im Januar 1983 wurde deshalb von der IBA (Independent Broadcast Authority) und der BBC (British Broadcasting Corporation) auf einem großen MAC-Kongreß ein neues Verfahren vorgestellt. Es handelte sich dabei um das C-MAC-Verfahren mit digitalem Begleitton. Der Name MAC leitet sich von „Multiplexed Analogue Components" ab. Vorläufer dieses Verfahrens gibt es allerdings schon aus der Zeit der Entwicklung des PAL-Systems und insbesondere im Timeplex-Verfahren [5].

9.1 Zeitmultiplex

Grundlage des MAC-Verfahrens ist die Zusammenfassung der analogen Leuchtdichte- und Farbdifferenzsignale im Zeitmultiplex innterhalb einer Zeile. Dazu ist eine zeitliche Kompression der Signale erforderlich. Sie geschieht im aktiven Teil der Zeile mit 52 u.s beim Leuchtdichtesignal mit dem Faktor 1,5:1 auf etwa 34,4ns und bei den Farbdifferenzsignalen mit dem Faktor 3:1 auf etwa 17,2us. Die genauen Zeitwerte ergeben sich aus der Taktfrequenz des Abtastsystems, die auf der „Digitalen Studionorm" [11] basiert. Dazu kommen das zeitkomprimierte digitale Tonsignal sowie digitale Synchronsignale (BILD 75).

Die Zeitkompression verschlingt Bandbreite

Die Zeitkompression der analogen Signale erfolgt über Abtastung, Zwischenspeichern der Abtastwerte (analog oder digital nach einer Analog/Digital-Wandlung) und Auslesen des Speichers mit entsprechend (Faktor 1,5 bzw. 3) höherer Taktfrequenz. Mit der Zeitkompression verbunden ist eine um den Faktor 1,5 oder 3 höhere Bandbreite der zeitkomprimierten Signale.

Die Pulsamplitudenmodulation

Den Vorgang der Signalabtastung, die einer Pulsamplitudenmodulation (PAM) entspricht, zeigt schematisiert am Beispiel einer Farbbalkenfolge BILD 76 oben für das Leuchtdichtesignal und unten für ein Farbdifferenzsignal in der Zeit- und Frequenzebene.

Als Abtastfrequenz wird gemäß der Digitalen Studionorm beim Leuchtdichtesignal f A,Y = 13,5 MHz und beim Farbdifferenzsignal f A,Cr = U,cb = 6,75 MHz gewählt. Beim MAC-Verfahren werden die reduzierten Farbdifferenzsignale in einer Skalierung übertragen, die den Aussteuerbereich der Farbdifferenzsignale dem des Leuchtdichtesignals anpaßt.

Die maximale Amplitude der reduzierten Farbdifferenzsignale beträgt damit bei einer Bildvorlage entsprechend 77% elektrischer Sättigung (EBU-Normfarbbalken) 0,5V. Ein Spannungswert von 1V zwischen Schwarz und Weiß für das Leuchtdichtesignal wird durch den Spitze-Spitze-Spannungswert der Farbdifferenzsignale nicht überschritten, solange die Farbsättigung unter 77% liegt. Durch die zeilensequentielle Übertragung der Farbdifferenzsignale bleibt die bei höherer Farbsättigung durch Begrenzungseffekte mögliche geringe Entsättigung oder Farbtonverschiebung auf wenige Farben beschränkt.

5,6 MHz Signalfrequenzband

Das Signalfrequenzband wird vor der Abtastung beim Leuchtdichtesignal auf 5,6 MHz begrenzt, womit gegenüber einem 5-MHz-System noch eine etwas bessere Horizontalauflösung erreicht wird. Die Farbdifferenzsignale werden auf maximal 2,8 MHz bandbegrenzt.

Die Abtastung erfolgt mit schmalen Impulsen im Abstand von Ta, y=74ns beim Leuchtdichtesignal und von Ta,cb = Ta.cr = 148ns bei den Farbdifferenzsignalen. Gemäß der Digitalen Studionorm entfallen auf den aktiven Teil einer Fernsehzeile 720 Abtastwerte und bei den Farbdifferenzsignalen jeweils 360 Abtastwerte.

Das Modulationsprodukt

Das Spektrum der Abtastsignale - wegen des Vorgangs einer Pulsamplitudenmodulation als Modulationsprodukt bezeichnet - hat eine Basisbandkomponente im Frequenzbereich von 0 bis 5,6 MHz und im weiteren Seitenbänder zu den Harmonischen der Abtastfrequenz [12].

Der Begriff der Abtastwerte

Die Abtastwerte des Leuchtdichtesignals und der Farbdifferenzsignale werden nun zeilenweise mit dem Abtasttakt fA, y beziehungweise fA, cb - U, Cr in einen Analogsignalspeicher oder nach A/D-Wandlung in einen Digitalspeicher eingelesen (BILD 77). Gegenüber den nach der CCIR-Empfehlung 601 (Digitale Studionorm) festgelegten Abtastwerten für eine aktive Zeile mit der Dauer von 53,33 ns wird hier ein geringer Abschlag vorgenommen wegen der für die Signalübergänge notwendigen Zeitabschnitte im Multiplexsignal, so daß für das MAC-Signal pro Zeile 697 Abtastwerte für das Leuchtdichtesignal Y und 349 Abtastwerte für das Farbdifferenzsignal Cb beziehungsweise das Farbdifferenzsignal Cr abzuspeichern sind.

Das Auslesen der Speicher erfolgt sowohl für das Y-Signal als auch für das Cb- und CR-Signal mit einem Abtasttakt fA = 20,25 MHz, was beim Y-Signal eine Zeitkompression um den Faktor 1,5 und beim Cb- sowie CR-Signal um den Faktor 3 bedeutet. Mit einer Periodendauer des Auslesetaktes von Ta = 49,38 ns erhält man für das zeitkomprimierte Y-Signal eine Dauer von 34,4us
und für das zeitkomprimierte Cb- sowie CR-Signal einen Wert von 17,2us.

Das Basisband hat 8,4 MHz

Im Spektrum der zeitkomprimierten Abtastsignale erscheint wieder ein Basisband, das nun beim Y-Signal um den Faktor 1,5 gedehnt im Bereich von 0 bis 8,4 MHz liegt und beim Cb- sowie beim CR-Signal um den Faktor 3 gedehnt ebenfalls den Bereich von 0 bis 8,4 MHz belegt. Darüber hinaus treten wieder Seitenbänder zu den Harmonischen der Auslese-Abtastfrequenz fA auf. Über jeweils einen Tiefpaß mit der Bandbreite von 8,4 MHz werden die zeitkontinuierlichen, aber zeitkomprimierten Leuchtdichte- und Farbdifferenzsignale gewonnen.

Alternierend von Zeile zu Zeile werden in den mit Bildinhalt belegten Zeilen 23 bis 310 im ersten Halbbild und in den Zeilen 335 bis 622 im zweiten Halbbild in den ungeradzahligen Zeilen das Cß-Signal und das Y-Signal und in den geradzahligen Zeilen das CR-Signal und das Y-Signal im Zeitmultiplex übertragen. Dazu kommt jeweils noch ein Digitalsignal mit der Synchronisierinformation und dem Mehrkanalton.

9.2 MAC-Videosignal

Das MAC-Videosignal über eine Zeile ist für die zunächst zugrunde gelegte Variante C-MAC in BILD 78 dargestellt.



Die darin angegebenen Zeitabschnitte haben folgende Bedeutung:

Abschnitt Takte  
a 206 Taktperioden, 206 bit, für Zeilensynchronisation und Ton/Daten
b 4 Taktperioden, Übergang am Ende des Datenbursts, enthält ansteigende Flanke des Energieverwischungssignals
c 15 Taktperioden für Klemmung und als Nullreferenz für die Farbdifferenzsignale
T1 10 Taktperioden mit 5 Taktperioden für gewichteten Übergang zum Farbdifferenzsignal
e 349 Taktperioden für das komprimierte Farbdifferenzsignal
T2 5 Taktperioden für gewichteten Übergang vom Farbdifferenz-zum Leuchtdichtesignal
h 697 Taktperioden für das komprimierte Leuchtdichtesignal
T3 6 Taktperioden, für gewichteten Übergang vom Leuchtdichtesignal zur Nullreferenz
k 4 Taktperioden, Übergang am Beginn des Datenbursts, enthält abfallende Flanke des Energieverwischungssignals

Zur obigen Tabelle:
Insgesamt ergibt das 1296 Taktperioden entsprechend 1296 ¦ 49,38 ns = 64us.
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Das C-MAC-Verfahren erlaubt in Verbindung mit einer Paket-Multiplextechnik bei der Toninformation als C-MAC/Paket die Übertragung von maximal acht hochwertigen digitalen Tonsignalen. Diese werden entsprechend aufbereitet, mit zusätzlichen Daten ergänzt und zu einem kontinuierlichen 3-Mbit/s-Signal (genau 3,0791 Mbit/s) zusammengefaßt, das durch Zeitkompression auf etwa 10 fis (198 bit) zusammen mit einem Einlauf-Bit (Run in) und einem digitalen 6-bit-Zeilensynchronwort in Datenbursts mit einer Bitrate von 20,25 Mbit/s dem analogen Zeitmultiplexsignal noch hinzugefügt wird. Am Ende des Datenbursts ist noch ein Reserve-Bit vorgesehen, womit pro Zeile insgesamt 206 bit für Synchronisation und Ton oder Daten belegt werden.

Erste digitale Techniken

Im MAC-Signal wird die Zeilen- und Bildsynchronisation in digitaler Form übertragen. Zur Zeilensynchronisation wird zu Beginn des Datenbursts jeder Zeile ein 6-bit-Synchronwort übertragen als

Wi : 001011 oder
W2 = Wi : 110100.

Am Ende eines jeden Vollbildes ändert sich die alternierende Reihenfolge von Wi und W2, womit der Beginn eines neues Vollbildes markiert wird. Außerdem überträgt man in der Zeile 625 noch ein Bild-Synchronwort mit 64 bit, das zusammen mit einer vorangehenden 32-bit-Takteinlauf-Bitfolge (Clock run in) in aufeinanderfolgenden Vollbildern invertiert wird. Die Takteinlauf- und Bild-Synchronisations-Folge setzt sich zusammen aus den Hexadezimal-Codewörtern

55 55 55 55 (Clock run in),
65 AE F3 15 3F 41 C2 46 (Bildsynchronisationswort),

den geradzahligen Teilbildnummern vorausgehend und in invertierter Form vor ungeradzahligen Teilbildnummern. Eine detaillierte Beschreibung des Datenrahmens findet sich, außer in den CCIR-und EBU-Empfehlungen [13; 14] auch in [15; 16; 17; 18]. Die Zuordnung der Zeilensynchronworte zu den einzelnen Zeilen in aufeinanderfolgenden Teilbildern gibt TABELLE 7 wieder.

9.3 C-MAC

Beim C-MAC-Verfahren wird das zeitkomprimierte Videosignal durch Frequenzmodulation des hochfrequenten Trägers übertragen. Der Datenburst aber wird dem Träger durch eine Vierphasenumtastung (2-4-PSK Phase Shift Keying) aufgebracht. Durch eine Phasendifferenz-Codierung bewirkt eine logische „1" im Datensignal eine Phasenänderung des Trägers um +90° und eine logische „0" eine Phasenänderung um -90°.

Die nötige HF-Bandbreite beträgt beim 4-PSK etwa das 0,7fache der Bitfolgefrequenz, womit etwa 14 MHz innerhalb der Bandbreite eines Satellitenkanals von 27 MHz belegt werden. Vom FM-Modulations-produkt des MAC-Videosignals mit einem Spitze-Spitze-Frequenzhub von 13,5 MHz bei der neutralen Frequenz im Videoband werden die 27 MHz voll ausgenutzt.

Die Blockschaltung eines C-MAC-Coders zeigt BILD 79. Nicht eingezeichnet ist ein zusätzliches Vertikal-Vorfilter für die beiden Farbdifferenzsignale, um unerwünschte Alias-Komponenten bei der Signalabtastung zu unterdrücken [6; 19].

Dem MAC-Videosignal wird zusätzlich ein 25-Hz-Dreiecksignal überlagert, das im FM-Modulator einen Frequenzhub von ±300 kHz erzeugt und für eine gleichmäßige Energieverteilung innerhalb des FM-Spektrums sorgt. Die ansteigende Flanke des Energieverwischungssignals liegt im Zeitabschnitt b und die abfallende Flanke im Zeitabschnitt k des C-MAC-Videosignals (siehe Bild 78).

Außerdem wird das Videosignal vor dem FM-Modulator über eine Preemphase nach höheren Frequenzen hin angehoben, um durch eine entgegengesetzt wirkende Deemphase nach dem FM-Demodulator das ansteigende Rauschspektrum abzusenken und damit den Videosignal/Rausch-Abstand zu verbessern.

C-Mac Feinheiten

Die Blockschaltung eines C-MAC-Decoders ist in BILD 80 wiedergegeben. Die Demodulation des Videoanteils im Signal erfolgt inkohärent mit einem herkömmlichen FM-Demodulator, während das Datensignal durch eine Synchrondemodulation zurückgewonnen wird.

Im Videosignalweg unterdrückt die Klemmung des Signals während jeder Zeile auf die übertragene Unbunt-Referenz auch das überlagerte Energieverwischungs- signal. Nach der Deemphase gelangt das Signal auf den Demultiplexer, von wo aus getrennt das Leuchtdichte- und die Farbdifferenzsignale in Zwischenspeicher zur Zeitexpansion eingelesen werden.

Mit dem eigentlichen Abtasttakt f A,y ausgelesen, erscheint das Y-Signal wieder in seinem ursprünglichen Frequenzbereich von 0 bis 5,6 MHz.

Ein Vertikal-Nachfilter im Farbdifferenzsignalweg unterdrückt störende Alias-Komponenten und dient, in Verbindung mit einem Demultiplexer, gleichzeitig zur Aufspaltung in die Cb- und CR-Kom-ponenten. Tiefpaßfilter begrenzen die Farbdifferenzsignale auf den Frequenzbereich von 0 bis 2,8 MHz. Die umfangreiche Taktrückgewinnung und -aufbereitung sowie die detaillierte Tonsignalgewinnung sind in diesem Blockschaltbild nicht eingezeichnet.

C-MAC-Verfahren für 27 MHz Kqanäle entwickelt

Das C-MAC-Verfahren wurde entwickelt unter Zugrundelegung des Satelliten-Übertragungskanals mit 27 MHz Bandbreite. In terrestrischen Übertragungskanälen steht diese Bandbreite, außer auf FM-Richtfunkstrecken, nicht zur Verfügung. Für die Kabelverteilnetze wurde zunächst eine neu zu schaffende Kanalbandbreite von 10,5 MHz diskutiert.

Damit könnte das MAC-Videosignal durch Restseitenband-Amplitudenmodulation eines Kanalträgers ohne Probleme übertragen werden. Für das digitale Ton/Daten-Signal mit 20,25 Mbit/s trifft dies jedoch nicht zu.

Wegen der besseren Nutzbarkeit der hohen Datenübertragungskapazität des C-MAC-Verfahrens wurde vom französischen Forschungsinstitut CCETT (Centre Commun d'Etudes de Telediffusion et Telecommunications) die Aufteilung des gesamten Mehrkanal-Tonsignals in zwei getrennte Unterrahmen mit 82 getrennt adressierbaren „Paketen" vorgeschlagen und 1983 auch von der EBU akzeptiert. Es entstand so das C-MAC/Paket-Verfahren [5; 15].

Die Duobinär-Codierung kontra Quaternär-Codierung

Eine andere Entwicklung ging in Richtung einer geänderten Basisbandcodierung der Ton/Daten-Signale. Die Reduzierung der Übertragungsgeschwindigkeit auf den halben Wert durch eine vierstufige "Quaternär-Codierung" schied wegen der zu hohen Störanfälligkeit gegenüber Echostörungen in Kabelverteilanlagen aus. Man wählte vielmehr die weniger anfällige "Duobinär-Codierung". Dabei wird eine logische „0" stets als „0" weitergegeben, eine logische „1" aber entweder als „ + 1" oder als „-1".

Charakteristisch für diesen Code, der als Variante der Partial-Response-Verfahren die Signalzustände in zwei aufeinanderfolgenden Bits verarbeitet, ist, daß ein Wechsel von „ + 1" nach „-1" oder umgekehrt stets nur über eine dazwischenliegende „0" erfolgt. Damit wird das Spektrum des Datensignals bis zur ersten Nullstelle auf den Wert B = 1/2-TBit begrenzt, bei einer Bitrate des Binärsignals von 20,25 Mbit/s also auf B = 10,125 MHenübertragen. Die Kanalbandbreite von 7 MHz, verbunden mit der dabei maximal übertragbaren Videofrequenz von 5 MHz, hätte allerdings zur Folge, daß die Bandbreite des Videosignals nach der Zeitexpansion nur noch 3,3 MHz betragen könnte.

Die Zusammensetzung des Basisbandsignals einer Zeile bei D- und D2-MAC zeigt BILD 82. Für die Zuordnung der Zeitabschnitte a bis k gilt bei D- beziehungsweise D2-MAC folgendes:

-Abschnitt- --- Takte  
D a 206 Taktperioden, 206 bit für Zeilensynchronisation und Ton/Daten
D2 a 209 Taktperioden, 105 bit für Zeilensynchronisation und Ton/Daten
D und D2 b 4 Taktperioden, Ausschwingen des Datenbursts
D und D2 c 15 Takperioden für Klemmung (0,5 V)
D und D2 T1 10 Taktperioden, gewichteter Übergang zum Farbdifferenzsignal
D und D2 e 349 Taktperioden für das komprimierte Farbdifferenzsignal
D und D2 T2 5 Taktperioden für gewichteten Übergang vom Farbdifferenz- zum Leuchtdichtesignal
D und D2 h2 697 Taktperioden für komprimiertes Leuchtdichtesignal
D und D2 T3 6 Taktperioden, gewichteter Übergang vom Leuchtdichtesignal zum Klemmpegel
D k 4 Taktperioden, Einschwingen des Datenbursts
D2 k 1 Taktperiode, Übergang zum einschwingenden Datensignal

Einen anschaulichen Vergleich des PAL-Farbbalkensignals einer Zeile mit dem D2-MAC-Farbbalkensignal vermittelt BILD 83 [20].

9.5 Die digitale Tonübertragung

Die komponentenweise Verarbeitung und Übertragung des Fernsehsignals bringt gegenüber dem bisherigen Verfahren eine merkliche Verbesserung der Bildqualität. Mit im Vordergrund steht jedoch beim MAC-Verfahren auch die hohe Qualität der Tonwiedergabe, die durch die digitale Tonsignalübertragung erreicht wird. Die Codierung und Bündelung der Tonsignale in der Paket-Multiplextechnik erlaubt eine Vielzahl von Varianten der Tonsignalübertragung. So wird übergeordnet unterschieden in HQ-Ton (High Quality) Mono und Stereo, Frequenzbereich 40 Hz bis 15 kHz, Abtastfrequenz 32 kHz und MQ-Ton (Medium Quality) Mono, Frequenzbereich 40 Hz bis 7 kHz, Abtastfrequenz 16 kHz.

Signale 14 bit codiert mit Datenreduktion

Die Tonsignale werden zunächst linear quantisiert und mit 14 bit codiert. Bei unveränderter Übertragung der codierten Abtastwerte spricht man von „14-bit-Linear-Codierung" (L). Es ist aber auch vorgesehen, neben dem Vorzeichen der Abtastwerte nur 9 signifikante Bits zu übertragen, indem bei der sogenannten
„10-bit-NICAM-Codierung" (Near Instantaneous Companded Audio Multiplex) in einem Block 32 oder 18 Abtastwerte zusammengefaßt werden (I), das heißt, bei 32 kHz Abtastfrequenz über eine Zeit von 1 ms oder 562,5 us, und dabei die Schwelle ermittelt wird, die keiner der Abtastwerte mehr überschreitet. Ein Skalenfaktor beschreibt dann diese Schwelle; er wird durch eine entsprechend gesicherte Mehrfachübertragung dem empfangsseitigen Decoder mitgeteilt. Die dabei bewirkte Datenreduktion beträgt immer noch etwa 30%.

Darüber hinaus können verschiedene Fehlerschutzverfahren, wie Paritäts-Prüfung über mehrere Bits (1) oder Hamming-Codierung (2) zur Anwendung kommen, so daß sich für das D2-MAC/ Paket-Verfahren folgende Tonübertragungsvarianten ergeben:

  1. Paritätsprüfung für 6 MSB (Most Signifi-cant Bits) bei 10-bit-NICAM mit einer Kapazität von z.B. vier HiFi-MonoKanälen (HQI1),
  2. Paritätsprüfung für 11 MSB bei 14-bit-Linear-Codierung mit einer Kapazität von z.B. drei HiFi-Monokanälen (HQL1),
  3. (11,6)-Hamming-Codierung für 6 MSB bei 10-bit-NICAM mit einer Kapazität von z.B. drei HiFi-Mono-Kanälen (HQI2),
  4. (16,11)-Hamming-Codierung für 11 MSB bei 14-bit-Linear-Codierung mit einer Kapazität von z.B. zwei HiFi-MonoKanälen (HQL2).


Weitere Einzelheiten zur Tonsignalcodierung und -Übertragung finden sich unter anderem in [18].

9.6 Coder und Decoder

Die Schaltung eines D- oder D2-MAC-Coders unterscheidet sich von dem des C-MAC-Coders in Bild 79 dadurch, daß das digitale MAC-Ton/Daten-Signal nach Duobinärcodierung und Impulsformung dem analogen Multiplexer zugeführt wird.

Das gesamte Basisbandsignal mit dem überlagerten dreieckförmigen 25-Hz-Energieverwischungssignal durchläuft dann die MAC-Preemphase und gelangt zum FM-Modulator. Der 2-4-PSK-Modu-lator erübrigt sich.

Im D- und D2-MAC-Decoder entfällt gegenüber der Blockschaltung des C-MAC-Decoders im Bild 80 ebenfalls die 2-4-PSK-Demodulation mit der Trägerrückgewinnung. Es erfolgt nur eine FM-Demodulation. Die digitalen Ton/ Daten-Signale werden dem analogen Demultiplexer entnommen und entsprechend weiterverarbeitet. Wesentlich dabei ist die Rückgewinnung des 20,25-MHz- beziehungsweise 10,125-MHz-Systemtaktes aus dem übertragenen Datensignal.

Planungen von Deutschland und Frankreich in 1985

Die Bundesrepublik Deutschland und Frankreich haben im Juni 1985 erklärt, Fernsehsignale über ihre Direktempfangssatelliten TV-SAT und TDF in D2-MAC auszustrahlen. Mit der Entscheidung der Deutschen Bundespost, in den Kabelverteilnetzen oberhalb 300 MHz für die Übertragung von MAC-Signalen Kanäle mit 12 MHz Bandbreite zur Verfügung zu stellen, wäre es auch möglich, D-MAC-Signale in diesen Netzen zu übertragen. Die Halbleiter-Industrie ! arbeitet intensiv an der Entwicklung und Bereitstellung von MAC-Decoder-Schaltungen für D- und D2-MAC-Systeme. (Anmerkung : das war in 1990 bis 92. Inzwischen ist das komplett Thema erldigt.)

10. Satelliten-Fernsehsignalverteilung

Die Qualität des am Empfangsort wiedergegebenen Fernsehbildes wird entscheidend vom Signal/Rausch-Abstand im Bildsignal beeinflußt. Dieser wiederum hängt ab vom Verhältnis der empfangenen Bildträgerleistung zur Rauschleistung im hochfrequenten Übertragungskanal und vom verwendeten Modulationsverfahren.

10.1 Frequenzmodulation

Bei terrestrischen Fernsehsignal-Verteilsystemen für Einzel- und Gemeinschaftsantennen erfolgt die Übertragung des Bildsignals durch Restseitenband-Amplitudenmodulation eines hochfrequenten Bildträgers. Für ein rauschfrei wiedergegebenes Bild muß der Video- Signal/Rausch-Abstand 46dB betragen. Unter Zugrundelegung eines Empfängers mit einer Rauschzahl F von etwa 5 und Restseitenband-Amplitudenmodulation im hochfrequenten Kanal ist am Empfängereingang eine Trägerspannung um 1mV erforderlich.

Bei Übertragung durch Frequenzmodulation kommt man, je nach Frequenzhub und Modulationsindex, mit wesentlich geringerem HF-Signal/Rausch-Abstand aus. Allerdings ist zu berücksichtigen, daß dabei ein breiteres Frequenzband belegt wird.

Mit einem bei Bildsignalübertragung üblichen Modulationsindex von M = 2 bis 3 bedeutet dies eine gegenüber Zweiseitenband-Amplitudenmodulation um den Faktor 3 bis 4 höhere Übertragungsbandbreite.

10.2 Fernmeldesatelliten

Aus Gründen der Frequenzökonomie konnte in den VHF- und UHF-Fernsehbereichen das Verfahren der Frequenzmodulation nicht eingeführt werden. Bei der Übertragung von Fernsehsignalen im Modulations- und Verteilnetz der Fernsehanstalten über die Richtfunkstrecken der Fernmeldeverwaltungen, die im Mikrowellenbereich betrieben werden, wurde jedoch von Anfang an schon die Frequenzmodulation gewählt, um eine hohe Qualität der übertragenen Fernsehsignale zu gewährleisten. Ebenso findet die Frequenzmodulation Anwendung bei der Übertragung von Fernsehsignalen über die Fernmeldesatelliten zum Programmaustausch und zur Versorgung der Kabelverteilanlagen sowie über die Rundfunk-Direktempfangssatelliten.

Die Grenzen der Fernmelde- oder Nachrichtensatelliten

Fernmelde- oder Nachrichtensatelliten waren ursprünglich nur vorgesehen für Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zwischen Ländern und Kontinenten. Ihr Aufgabengebiet wurde im Laufe der Zeit aber auch auf die Versorgung von Kabelkopfstationen und Einzelempfangsanlagen ausgedehnt. Dazu wird von der internationalen Organisation INTELSAT (International Telecommunication Satellite Organization) seit 1965 weltweit ein System mit verschiedenen Nachrichtensatelliten bereitgestellt. Die Satellitensysteme sind mittlerweile schon in der fünften bis sechsten Generation mit den Satelliten INTELSAT IV, V und VI. Für den Betrieb über die beim Satelliten benutzten Sendefrequenzen im 4-GHz-Bereich werden bei den kommerziellen Bodenstationen Parabolantennen mit etwa 30m Durchmesser eingesetzt. Zunehmend wird aber auch im 11-GHz-Bereich vom Satelliten abgestrahlt, was eine Reduzierung des Empfangsantennen-Durchmessers auf unter 10m zuläßt.

EUTELSAT

Auf europäischer Ebene ist es die EUTELSAT (European Telecommunication Satellite Organization), die mit den ECS-Systemen (European Communication Satellite) Nachrichtenkanäle insbesondere für die Fernsehsignalverteilung bereitstellt. Die EUTELSAT-1 Satelliten F1 und F2 (ECS-1 und ECS-2) strahlen im Spotbeam Ost und im Spotbeam West stark gebündelt auf Ost- und Westeuropa ab, so daß Empfangsantennen mit 3 bis 4m Durchmesser im Zentrum des Versorgungsgebietes ausreichen. Auch bei diesen Satelliten erfolgt die Abstrahlung im 11-GHz-Bereich (BILD 84) [21].

Die Angaben über den notwendigen Durchmesser einer Empfangsantenne hängen selbstverständlich von der Empfindlichkeit der Empfänger-Eingangsstufe ab. Mit der Entwicklung sehr rauscharmer Eingangsstufen konnte auch der erforderliche Antennendurchmesser verringert werden, so daß die Möglichkeit des Individualempfangs von Fernsehprogrammen über die Nachrichtensatelliten geschaffen wurde.

TELECOM und KOPERNIKUS

Die Fernmeldesatelliten strahlen im 11-GHz-Bereich zwischen 10,95 und 11,7 GHz, die nationalen Satellitensysteme TELECOM (Frankreich) und KOPERNIKUS (Bundesrepublik Deutschland) auch im 12GHz Bereich zwischen 12,5 und 12,75 GHz mit linearer Polarisation (horizontal oder vertikal) und einem Strahlungsleistungspegel von 40 bis 50 dBW. Die Ausgangsleistung des Transponders selbst beträgt dabei etwa 20 W [22; 23; 24].

10.3 Direktempfangssatelliten

Eine flächendeckende Versorgung der Fernsehteilnehmer mit verschiedenen, später europäischen Programmen, eventuell auch mit mehrsprachigem Begleitton, sollen Direktempfangs-Rundfunksatelliten (Direct Broadcasting Satellite, DBS) übernehmen.

Nach den Ergebnissen der WARC 77 (World Administration Radio Conference 1977) wurde der Frequenzbereich von 11,7 bis 12,5 GHz für verschiedene Satellitenpositionen in jeweils 40 Kanäle mit 27 MHz Bandbreite eingeteilt, die im Abstand von 19,18 MHz sich überlappend mit abwechselnd rechts- und linksdrehender zirkularer Polarisation aufeinanderfolgen.

BILD 85 zeigt die Zuordnung der 40 Kanäle auf die Satellitenposition 19° West mit jeweils fünf Kanälen für die mitteleuropäischen Staaten Bundesrepublik Deutschland (D), Frankreich (F), Österreich (AUT), Luxemburg (LUX), Belgien (B), Niederlande (HOL), Schweiz (SUI) und Italien (I).

Den Planungen der WARC 77 liegt ein maximaler Strahlungsleistungspegel von 65 dBW zugrunde, der mit einer Ausgangsleistung von etwa 250 W des Transponders erreicht wird. Bei einem Spitze-Spitze-Wert des Frequenzhubes von 13,5 MHz und dem damaligen Stand der Technik entsprechenden Empfängereingangsstufen kann mit einer 90cm-Parabolantenne ein weitgehend störungsfreier Fernsehempfang in dem angenommenen Versorgungsgebiet sichergestellt werden. Empfindlichere Eingangsstufen erlauben heute in diesem Bereich eine Reduzierung des Antennendurchmessers bis auf 40cm (BILD 86) [21].

ASTRA

Eine neue Generation der Direktempfangssatelliten wird mit dem ASTRA der luxemburgischen SES (Societe Europeenne des Satellites) eingeführt. Er ist ein sogenannter „Medium Power"-Satellit mit einem Strahlungsleistungspegel von etwa 50 dBW, mit 16 Transpondern ausgestattet und somit für 16 Fernsehübertragungskanäle im zentraleuropäischen Raum bestimmt (BILD 87) [25].

Die heutige Technik der rauscharmen Eingangsstufen erlaubt es, mit Parabolantennen von weniger als 90cm Durchmesser ein bei guten Witterungsbedingungen rauschfreies Fernsehbild wiederzugeben. Der Direktempfangssatellit ASTRA sendet nicht in dem von der WARC 77 festgelegten Frequenzbereich, sondern in dem Fernmeldesatelliten zugewiesenen Bereich von 11,2 bis 11,45 MHz. Die Kanäle werden mit aufeinanderfolgend abwechselnder horizontaler und vertikaler Polarisation abgestrahlt [26].

Der KOPERNIKUS von 1989

In die Kategorie der Medium-Power-Satelliten ist auch der im Juni 1989 erfolgreich gestartete Deutsche Fernmeldesatellit DFS KOPERNIKUS einzuordnen. Die Transponderkanäle im Frequenzbereich 11,45 bis 11,70 GHz und 12,50 bis 12,75 GHz in der Abwärtsstrecke werden größtenteils mit Fernsehprogrammsignalen belegt. Der effektive Strahlungsleistungspegel beträgt etwa 54 dBW im Zentrum der Ausleuchtzone und 49,5 dBW bei sogenanntem „Halb-transponder-Betrieb" im Frequenzbereich 11,45 bis 11,70 GHz, in welchem ein Transponder mit 90MHz Bandbreite mit zwei Programmträgern betrieben wird. Die maximale Ausgangsleistung der Wanderfeldröhren dieser Transponder liegt bei 20W. Die Bündelung der Strahlung ist stark auf den mitteleuropäischen Raum konzentriert, Orbit-Position 23,5° Ost [27].

Stand der Entwicklung in 1990

Zukünftige Rundfunksatelliten der zweiten Generation werden mit ihrem effektiven Strahlungsleistungspegel von etwa 56 dBW zwischen dem High-Power- und dem Medium-Power-Bereich liegen und dann als „Optimum-Power-Satellit" bezeichnet.

Anfang 1990 waren als wichtigste Fernmelde- und (Direktempfangs)- Rundfunk-satelliten für die Fernsehsignalübertragung in Europa in Betrieb:

EUTELSAT ECS I-F1 Position 13° Ost Spotbeam West und Ost
EUTELSAT ECS I-F2 Position 7° Ost
INTELSAT V-F1 Position 60° Ost
INTELSAT V-F2 Position 60° Ost
ASTRA Position 19,2° Ost
DFS-KOPERNIKUS Position 23,5° Ost
TDF-1, TV-SAT 2 Position 19,0° West

10.4 TV-Empfangstechnik

Bei der TV-Bildsignalübertragung durch Frequenzmodulation via Satellit sind empfangsseitig zusätzliche Einrichtungen nötig, beginnend mit der sogenannten „Outdoor Unit" - der Mikrowellen-Parabolantenne mit Polarisationsweiche, gefolgt von ein oder zwei Mischstufen, die das DBS-Frequenzband von 11,7 bis 12,5 GHz in eine erste Zwischenfrequenz von 950 bis 1750 MHz umsetzen (BILD 88).

Rechts-und linksdrehende Polarisation

In dieser Frequenzlage gelangen die Signale zum eigentlichen Satelliten-Empfänger (Receiver). Da zumindest in nächster Zeit kaum mit der vollen Belegung des 800 MHz breiten Frequenzbereichs zu rechnen ist, können die Signale von den Trägern mit rechts-und linksdrehender Polarisation auch im ZF-Bereich aufeinanderfolgend umgesetzt und über nur eine Leitung dem Receiver zugeführt werden. Dort setzt eine weitere Mischstufe in die zweite Zwischenfrequenz um, die üblicherweise bei 480 MHz liegt.

Bei dieser Frequenz findet die eigentliche Kanalselektion und FM-Demodulation statt. Für die weitere Verteilung des Fernsehsignals und Wiedergabe mit einem herkömmlichen Fernsehempfänger wird dieses wieder durch Restseitenband- Amplitudenmodulation einem Kanalträger im VHF- oder UHF-Bereich aufgebracht, sofern der Fernsehempfänger nicht eine Anschlußmöglichkeit für das FBAS-Signal hat.

Bei der Übertragung von Fernsehbild-und Tonsignalen über den deutschen Direktempfangs-Rundfunksatelliten TV-SAT wie auch über den baugleichen französischen TDF kommt das D2-MAC-Verfahren zur Anwendung, das nach dem FM-Demodulator noch einen entsprechenden Decoder erfordert.

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