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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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11. PALplus - ein verbessertes PAL-Verfahren

Mr. PAL, so sah er sich am liebsten - ein Telefunken Promotion Foto

Das PAL-Verfahren (siehe Kapitel 5.5) ist in Europa und anderen Ländern weltweit seit mehr als 30 Jahren eingeführt (in Deutschland seit 1967). Es erlaubt, über den gegebenen 5-MHz-Videokanal ein 625-Zeilen-Farbfernsehbild bis zum Fernsehteilnehmer in guter Qualität und relativ störungsfrei zu übertragen. Gewisse Störungen, wie das Übersprechen von Leuchtdichtesignal-Komponenten in den Farbkanal (Cross Chrominance oder Cross Colour) bei kritischen Bildvorlagen oder das Übersprechen vom Farbartsignal in den Leuchtdichtekanal (Cross Luminance) werden vom Zuschauer vielfach unbemerkt in Kauf genommen.

Neue PAL-Decoder durch Kammfilter

Der technische Fortschritt insbesondere in der digitalen Signalverarbeitung ermöglicht heute jedoch eine wesentliche Reduzierung dieser Störungen durch aufwendigere PAL-Decoder im Empfänger. Man spricht in diesem Fall vom „adaptiven Kammfilter-Decoder" [28; 29].

Im Zusammenhang mit der Einführung eines hochauflösenden Fernsehverfahrens (HDTV, siehe Kapitel 8) kommt es auch zu einer Änderung des Bildformats (Breite B : Höhe H) von bisher 4:3 auf zukünftig 16:9.

HDTV kommt frühestens 2000

Das HDTV-Signal wird jedoch dem Fernsehteilnehmer erst um das Jahr 2000 zugeführt werden können, wobei auch dann während einer wohl längeren Übergangsperiode immer noch über die terrestrischen Fernsehsender das PAL-Farbfemsehsignal ausgestrahlt werden wird. Es liegt deshalb nahe, auch beim PAL-Verfahren schon sukzessive auf das Breitbildformat 16:9 umzustellen.

Auch beim Tonsignal kann den gesteigerten Ansprüchen des Fernsehteilnehmers entsprochen werden, und zwar durch digitale Tonsignalübertragung.

Ein Gremium von Experten aus wissenschaftlichen Instituten, der Industrie und den Rundfunkanstalten hat ein Konzept entwickelt, das mit dem zum eingeführten PAL-Verfahren vollständig kompatiblen PALplus-Verfahren folgende Verbesserungsmöglichkeiten bietet:

Reduzierung oder Vermeidung von Cross-Colour- und Cross-Luminance-Störungen und damit verbunden eine Verbesserung der Leuchtdichtesignal-Bandbreite im Empfänger auf tatsächlich 5 MHz, Übergang auf das 16:9-Bildformat, digitale Tonsignalübertragung und darüber hinaus noch eine Entzerrung von Echostörungen.

11.1 PAL-FBAS-Signal

...... im dreidimensionalen Spektrum
wird ausgelassen - für Laien viel zu komplex .

11.2 Kompatible Übertragung im Breitbild-Format 16:9

Eine wesentliche Neuerung bringt der Übergang auf das Breitbild-Format mit dem Seitenverhältnis 16:9. Das dabei zur Anwendung kommende Verfahren muß allerdings Kompatibilität zum eingeführten Übertragungsverfahren mit 4:3-Seitenverhältnis gewährleisten.

Um Bildvorlagen mit 16:9-Seitenverhältnis auch auf einem 4:3-Standardempfänger wiedergeben zu können, gibt es zwei Verfahren:

  • Sidepanel-Verfahren
    Es wird von dem 16:9-Bild ein 4:3-Ausschnitt, von der Bildmitte aus oder variabel (Pan and Scan), nach dem bisherigen Standard übertragen und zusätzlich für den 16:9-Empfänger die Bildinformation der Seitenstreifen (Side-panels) nach besonderer Codierung, aber unsichtbar auf dem Bildschirm des konventionellen Empfängers.
  • Letterbox-Verfahren
    Das Bild im 16:9-Format wird vom 4:3-Empfänger in voller Breite dargestellt. Es muß dabei aber die Bildhöhe vermindert werden, was schwarze Streifen am oberen und unteren Bildrand zur Folge hat („Briefkastenschlitze", englisch Letterbox). Die Reduzierung der Bildhöhe geschieht durch eine Vertikalfilterung und Herausnahme jeder vierten Zeile aus den bei PALplus insgesamt 576 sichtbaren Zeilen. Die verbleibenden 432 Zeilen werden entsprechend zusammengeschoben, womit die Bildhöhe sich auf drei Viertel des ursprünglichen Wertes verringert.

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Die Verteilung der verfügbaren Zeilen

Die Leuchtdichteinformation der herausgenommenen 144 Zeilen wird in je 72 Zeilen am oberen und unteren Bildrand so übertragen, daß sie für den Standard-(4:3)-Empfänger unsichtbar bleibt. Der 16:9-Empfänger jedoch verarbeitet die Zusatzinformation in den „Vertikal-Helfern" und rekonstruiert zusammen mit der herkömmlich übertragenen Information in den 432 Zeilen für den 4:3-Empfänger das ursprüngliche Farbbild mit 576 sichtbaren Zeilen (BILD 94).

Einigung auf das Letterbox-Verfahren

Das Letterbox-Verfahren soll nach weitgehender Übereinstimmung der europäischen Programmanbieter beim PALplus-Verfahren zur Anwendung kommen.

Wie es funktioniert

Die reversible Zeileninterpolation wird nach vereinfachter Darstellung gemäß BILD 95 vorgenommen. Aus den im kompatiblen 432-Zeilen-Bild übertragenen Zeilen A', B', C und den Zeilen C im Vertikal-Helfer werden auf der Empfangsseite im 16:9-Empfänger wieder die ursprünglichen Zeilen A, B, C, D rekonstruiert. Durch die grobe vertikale Unterabtastung entstehen gewisse Interferenzstörungen, die aber durch ein verbessertes Verfahren mit vertikaler Bandaufspaltung in Tiefpaß- und Hochpaßanteile weitgehend eliminiert werden [31].

Zur „unsichtbaren" Mitsendung der Vertikal-Helfer wird die Zusatzinformation nach Filterung und nichtlinearer Vorverzerrung auf den Farbträger durch Restseitenband-Amplitudenmodulation moduliert und mit reduzierter Amplitude um den Schwarzwert herum in den je 72 Zeilen am oberen und unteren Bildrand übertragen. Kompatibilitätsuntersuchungen haben ergeben, daß die Sichtbarkeit der Vertikal-Helfer in den Letterbox-Streifen ausreichend gering ist.

Die Farbdifferenzsignale U und V werden nach der Interpolation von 576 auf 432 Zeilen im PAL-Coder dem Farbträger aufgebracht. Das PAL-Farbartsignal wird dann, ebenso wie das Leuchtdichtesignal, in einem coderseitigen (Y, t)-Kammfilter spektral gefiltert, um, wie schon erwähnt, Cross-Colour- und Cross-Luminance-Störungen zu reduzieren.

Das digitale PALplus-FBAS-Signal wandelt nachfolgend ein Digital-Analog- Wandler jn ein analoges PALplus-FBAS-Signal um.

Ist die Signalquelle ein Filmabtaster, der die Information in zwei aufeinanderfolgenden Halbbildern aus dem gleichen Film-Teilbild liefert, so erfolgt die Signalfilterung nach dem „Color-Plus-Verfahren" [32].

11.3 Digitale Tonsignalübertragung

Eine Verbesserung des heute ohnehin schon sehr hohen Standards der Tonsignalübertragung ist in den Ländern Europas mit Farbbildsignalübertragung nach PAL-Norm nicht mehr einheitlich möglich. In Ländern, in denen die Übertragung des Stereotonsignals nach dem analogen Zwei-Tonträger-Verfahren erfolgt, ist wegen fehlender Kompatibilität die Einführung des NICAM-Verfahrens (siehe Kapitel 9.5) zur digitalen Übertragung des Stereotons nicht möglich. Verschiedene europäische Länder haben sich aber jetzt schon für NICAM entschieden und werden dieses Tonübertragungsverfahren auch zukünftig bei PALplus beibehalten.

Man könnte ja auch DOLBY B nutzen

Beim Zwei-Tonträger-Verfahren bietet sich als Verbesserungsmöglichkeit noch eine Kompandierung gemäß DOLBY B an oder ein neues, kompatibles digitales Tonsignal-Übertragungsverfahren. Man denkt hier an ein digitales MUSICAM-Quellensignal, das unter Ausnutzung von psychoakustischen Phänomenen über eine Teilbandcodierung mit 96 kbit/s pro Tonkanal eine mit der Compact Disc vergleichbare Tonqualität zuläßt [34]. Das digitale Tonsignal kann auf einen Hilfsträger bei etwa 55 kHz durch Vierphasenumtastung (4-PSK) moduliert werden, um dann zusammen mit dem analogen Tonsignal 1 auf dem ersten Tonträger durch Frequenzmodulation übertragen zu werden [33]. Eine endgültige Entscheidung über das zur Anwendung kommende Verfahren steht noch aus.

12. HD-MAC - ein zu D2-MAC kompatibles HDTV-Übertragungsverfahren

Nach dem Beschluß über die Einführung des 16:9-Breitbildformats bei PALplus ergab sich zwangsläufig die Situation, auch bei dem konkurrierenden MAC-Verfahren die kompatible Breitbildübertragung einzuführen. Im Gegensatz zum PAL-Verfahren läßt sich beim MAC-Verfahren auf einfache Weise durch eine Mitteilung im Datensignal der Empfänger in der Bildwiedergabe vom Format 4:3 auf 16:9 umstellen.

Unter der Annahme eines MAC-Empfängers mit 4:3-Bildröhre wird hier bei Übertragung eines 16:9-Bildformats nur die Vertikalablenkamplitude soweit reduziert, daß sich die Bildhöhe bei gleichbleibender Bildbreite auf den für das 16:9-Format erforderlichen Wert einstellt.

Bei 16:9 ein Verlust an Schärfe

Die wiedergegebenen 575 Zeilen sind nun auf zwei Drittel der verfügbaren Bildhöhe verteilt. In der Horizontalen hat das breitere Bildformat eine Reduzierung der Auflösung zur Folge. Ausgehend von gleicher Horizontalauflösung beim 16:9-Bildformat wie beim 4:3-Format ergibt das um ein Drittel mehr Bildpunkte in gleicher Zeit der aktiven Zeile und damit eine Erhöhung der Signalbandbreite um den Faktor 4/3. Im Übertragungskanal steht jedoch nur die auf das 4:3-Format abgestimmte Bandbreite zur Verfügung. Als Folge davon wird nun die effektive Horizontalauflösung vermindert.

HDTV - wie auch immer - überall mit 16:9

Das 16:9-Bildformat ist heute (Anmerkung : 1992) als einziger Parameter weltweit für die vorgeschlagenen HDTV-Systeme festgelegt (siehe Kapitel 8). So auch für das in Europa favorisierte 1250-Zeilen-System, das bislang im wesentlichen auf Studio-Anwendungen beschränkt war. Die Übertragung des HDTV-Signals erfordert Videokanäle mit mindestens 25 MHz Bandbreite.

Eine Krampf-Lösung mit Hoch- und Runter-Rechnen

In Verbindung mit dem MAC-Verfahren (siehe Kapitel 9) wurde in Europa das zu MAC abwärtskompatible HD-MAC-Verfahren entwickelt, das die Übertragung eines HDTV-Signals mit gewissen Einschränkungen im bereits eingeführten MAC-Übertragungskanal erlaubt.

Ausgangspunkt ist dabei ein 1250-Zeilen-HDTV-Signal, das so aufbereitet wird, daß es entweder mit einem HD-MAC-Empfänger durch 1250 Zeilen, allerdings mit verminderter Auflösung gegenüber dem Quellensignal, oder mit einem D/D2-MAC-Empfänger durch 625 Zeilen wiedergegeben werden kann.

Für die Übertragung des HD-MAC-Signals ist ein etwas erweiterter D2-MAC-Übertragungskanal vorgesehen. Dazu wird man auf der Satellitenstrecke eine Kanalbandbreite von 36 MHz an Stelle der für DBS-Satelliten üblichen 27 MHz anstreben, um mit Medium-Power-Satelliten (etwa 52 dBW Strahlungsleistungspegel) auch bei Empfangsanlagen mit 60cm-Parabolantennen ein ungestörtes Bild zu gewährleisten [35]. Bei der Übertragung des HD-MAC-Signals im Breitband-Kabelnetz durch Restseitenband- Amplitudenmodulation des Bildträgers wird man die 12 MHz Bandbreite eines Hyperband-Kanals durch steilflankige Selektionsmittel voll ausnutzen.

12.1 Prinzip des HD-MAC-Verfahrens

Die notwendige Bandbreitenreduktion erreicht man durch eine Umwandlung des 1250-Zeilen-HDTV-Signals auf ein 625-Zeilen-Signal. Damit verbunden ist selbstverständlich ein Auflösungsverlust, der aber im HD-MAC-Empfänger durch Hochinterpolieren auf 1250 Zeilen teilweise wieder ausgeglichen werden kann. Die Aufbereitung des zu übertragenden Bildsignals erfolgt über eine bewegungs-adaptive Drei-Wege-Signalverarbeitung (BILD 97), die in Bildbereichen mit wenig Bewegung eine Codierung über vier Teilbilder (80ms) hinweg vornimmt und eine volle Ortsauflösung gemäß 1250 Zeilen gewährleistet, mit mehr Bewegung eine Codierung über zwei Teilbilder (40ms) hinweg vornimmt und eine gegenüber dem Quellensignal verminderte Auflösung ergibt, mit viel Bewegung eine Codierung der 50 Halbbilder/s (20 ms) vornimmt und damit zu einer Ortsauflösung gemäß 625 Zeilen führt.

Aus 1250 mach 625 und dann wieder zurück ????

Der momentane Status wird mit Hilfe des DATV-Signals (Digital Assisted Television) innerhalb der Vertikalaustastlücke dem HD-MAC-Decoder im Empfänger duobinär codiert mit 20,25 Mbit/s übertragen.

Im HD-MAC-Coder wird das 1250-Zeilen-Signal, mit Zeilensprung, zunächst in ein progressives 1250-Zeilen-Signal umgewandelt mit einer Vertikalauflösung von 625 c/ph. Durch eine Vertikal-Filterung wird die Auflösung auf 312,5 c/ph reduziert. Über eine Unterabtastung mit Offset in den Bildpunkten gewinnt man nach dem „Line-Shuffling"-Verfahren aus zwei jeweils aufeinanderfolgenden Zeilen eine neue Zeile. Das progressive 625-Zeilen-Signal wird dann wieder in ein Zeilensprung-Signal umgesetzt (BILD 98).


Dieses Signal kann, nach MAC-Codierung und -Decodierung, vom D- und D2-MAC-Empfänger mit 625 Zeilen wiedergegeben werden. Im HD-MAC- Decoder wird zunächst der Zeilensprung wieder rückgängig gemacht und durch Zeileninterpolation ein progressives 1250-Zeilen-Signal generiert. Nach einer Vertikal-Filterung erfolgt die Umsetzung in das 1250-Zeilen-Signal mit Zeilensprung [36].

12.2 Übertragung des HD-MAC-Signals

Das auf eine Bandbreite von etwa 10 MHz begrenzte „HDTV-Signal" wird bei dem Zeilenverschachteln (Line Shuffling) mit 13,5 MHz abgetastet. Bei dieser sogenannten „Unterabtastung" bildet sich ein zurückgefalteter Spektralbereich (Alias), der in das eigentliche Signalfrequenzband fällt. Es folgt die MAC-Zeitkompression durch Auslesen der gespeicherten Signalwerte mit der Abtastfrequenz von 20,25 MHz. Diese Abtastwerte werden nach Bandbegrenzung durch einen cos2-Roll-Off-Tiefpaß mit einer 50%-Bandbreite von 10,125 MHz im Satellitenkanal frequenzmoduliert übertragen (BILD 99). Auf der Empfangsseite kann im HD-MAC-Decoder das zurückgefaltete Signalfrequenzband wieder separiert und dem restlichen Frequenzband angefügt werden, so daß insgesamt nach der Zeitdehnung wieder eine Videosignalbandbreite von 10 MHz erreicht wird.

Beim D2-MAC-Empfänger führt das Alias-Frequenzband, abhängig vom Bildinhalt, nach der Decodierung zu einer hochfrequenten Störung im Frequenzbereich 3,3 bis 6,6 MHz, die sich ähnlich wie eine Farbträgerstörung bemerkbar machen kann [37].

Zur vorgesehenen Übertragung des HD-MAC-Signals im Breitband-Kabelnetz erfolgt eine Restseitenband-Amplitudenmodulation mit Bandbegrenzung des Modulationsprodukts durch die NYQUIST-Flanke um den Bildträger und durch ein sehr steiles cos2-Roll-Off-Filter am oberen Bandende.

Die Literatur von 1992

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  37. [37] Kriebel, H.: Jahrbuch 91, Satellitenempfang. Kriebel Verlag, Schondorf, 1991.
    Der Inhalt dieses Repetitoriums stammt auszugsweise aus folgendem Buch:
  38. [38] Mäusl, R.: Fernsehtechnik - Von der Kamera zum Bildschirm. Hüthig Buch Verlag, Heidelberg, 1991.

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Nachsatz aus der Broschüre von 1992 :

Diesen Sonderdruck widmet Ihnen mit freundlicher Empfehlung Rohde & Schwarz. Das Unternehmen bietet als weltweit einziger Hersteller für FM-Hörfunk und Fernsehen ein komplettes Programm von Geräten und Systemen der Meßtechnik, Überwachungstechnik und Betriebstechnik - vom UKW-Kleinsender bis zur schlüsselfertigen 40kW TV-Sendeanlage, von VPS und RDS bis zu Einrichtungen für Breitbandkommunikation und Satellitenempfang sowie zur manuellen und automatischen Qualitätskontrolle im NF-, VF-und HF-Bereich.

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