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Erklärung des Farbfensehens zu PAL Zeiten

Wir schreiben 2017 und diese analoge Zeit ist vorbei. Keiner außer uns hier im Museum (bzw. in den anderen Museen) arbeitet bzw. spielt noch SDTV (Standard Definition Tele-Vision).

Das "Warum" beschäftigt dennoch so manchen Leser und das will ich hier in erheblich vereinfachten Worten (und nicht immer ganz korrekt) zusammenfassen.
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Wir wollen (sollen) Zuhause bewegte farbige Bilder sehen.

Das ist die Aufgabe, die um 1960 bei uns in Mitteleuropa oportun war. Wie bekomme ich ein vernünftiges Fernsehprogram in Farbe auf den Bildschirm. Schon hier möchte ich "farbig" und "bunt" unterscheiden. Wir wollen aber farbige Bilder sehen, also "willkürliches " oder "zufälliges" bunt reicht nicht.

Wie bekommt es der Ingenieur hin, daß diese farbigen Bilder auch auf den bereits vorhandenen (alten und neuen) Schwarz- Weiß- Fernsehern noch akzeptabel gesehen werden können ? Und wie entwickle ich ein Gesamtkonzept, bei dem das Farb-Empfangsteil auch bezahlbar bleibt ?

Fangen wir ganz vorne an - mit der Farb-Kamera

Die NTSC, PAL, SECAM Farbfernsehkamera, egal welcher Technologie, erzeugt 50 mal pro Sekunde 3 einfarbige Bildsignale für die 3 Grundfaben Rot, Grün und Blau. Aus diesen 3 Farben setzt sich so gut wie jedes farbige Bild zusammen.

Jedes dieser 3 Farbsignale benögt eine Informations-Bandbreite von etwa 5 MHz, die auch am Ausgang der Kamera verfügbar ist. Jetzt könnte man 3 Fernsehsender damit füttern und im Empfänger gerade mal diese 3 Farbsignale wieder übereinander mischen und fertig wäre das Farbfernsehbild. Perfekt, aber leider nicht realistisch.

Die ganzen alten S/W Fernseher wären unbrauchbar. Also müsste man das Farbbild aufspalten in die schwarz-weiß Bildinformation und die 3 Farben dazu. Es wären dann 4 Fernsehsender notwendig. Das müsste so gesendet werden, daß der S/W Fernseher genau das alte bereits bekannte Bildformat bekommt.

Das könnte man auch so machen, das Farbbild in zwei Bereiche trennen -  die Luminanz und 3 x die Chrominanz und mit 4 Sendern getrennt senden.

Damit würde aber die Übertragung der gesamten Farbe noch teurer, weil eigentlich 4 Sender senden müßten. Das kann und wollte keiner bezahlen. Ein Trick mußte her.
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Der Trick mit dem einen Sendekanal und Differenz-Signalen

Dieses Farb-Konzept hatten die RCA Ingenierue (mit NTSC) ab etwa 1953 ausgetüftelt, da die Amerikaner lange nicht so anspruchsvoll waren wie die Europäer, trotz des verheerenden Krieges, aus dem ja nur sehr wenig übrig blieb.

Vergleicht man das Schwarz-weiß - Helligkeits-Signal (Luminanz-Signal) des Fernsehbildes mit nur einem der 3 Farbsignale, so kann man jeweils eine (Farb-) Differenz errechnen bzw. erzeugen. Jede einzelne (Farb-) Differenz ist deutlich kleiner als das Schwarz-weiß-Signal und das komplette Farbsignal zusammen.

Folglich könnte man ja jeweils von dem jeweiligen Farbsignal (das ist größer) das kleinere Luminanz-Signal abziehen und hätte damit 3 einzelne erheblich kleinere Farbdifferenzsignale (in theoretisch voller Qualität).

Die könnte man vom Sender zum Fernseher übertragen und dort wieder alle 3 Farbsignale durch Addition vollständig zurückgewinnen und zwar verlustfrei.

Aber auch das ist zu aufwendig, weil man immer noch eine erhebliche Frequenzbandbreite brauchte und damit die Menge der Kanäle stark einschränken würde. Also hat man noch einen 2. Trick auf Lager.
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Der zweite Trick beim Farbfernsehen

Das obige Konzept verbraucht immer noch zu viel Bandbreite, denn im Rahmen der Kompatibilitäts-Forderung sind nur 5,5 MHz verfügbar.

Da haben pfiffige Ingeniere bei RCA herausgefunden, daß man sogar aus zwei Farbdifferenz-Signalen die dritte Farbe rückgewinnen könne und zusammen mit dem Luminanz-Signal das gesamte farbige Urbild zurück bekäme.

Das ginge dann so, daß man (aus bestimmten Gründen) nur die Farbdifferenzen von Rot und Blau benutzt, die zusammen in eine Bandbreite von 0,8 MHz hineinzwängt und so die bereits bei Schwarz-weiß benutzen maximalen Bandbreiten auslastet.

In unserem Farbfernseh-Sende-Signal ist also eine Schwarz-weiß Information (Luminanz) enthalten und 2 Farbdifferenz-Informationen (Chrominanz) sowie der Fernseh-Ton und noch ein paar Hilfs-Signale.
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Die Qualität hatte dadurch deutlich gelitten

Daß dabei gegenüber einem originalen Studio-Farbild direkt aus der Kamera per Coaxial-Kabel auf den "Klasse1"- (Edel-) Kontrollbildschirm deutlich sichtbare Abstriche zu machen sind beziehungsweise waren, hatten wir alle schon mal gesehen, als es PAL noch gab. Das ist aber bei DVB-T und auch bei DVB-T2 wieder oder immer noch der Fall. Das Codieren und Decodieren hat großen Einfluß auf die Bildqualität.
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Es gibt (gab) noch viel mehr Randbedingungen

Zum ersten ist es die Farbempfindlichkeit der Aufnahmesysteme, seien es Röhren oder Halbleiterchips. Jedes Aufnahmeelement liefert bei den drei Grundfarben unterschiedliche Pegel, die korrigiert werden müssen.

Als nächstes ist auch unser Auge sehr unterschiedlich in der Wahrnehmung von Farben. Auch das muß in die Berechnung der Helligkeit der einzelenen Farbstrahl-Systeme der Farbbildröhre eingebracht werden. Das gilt übrigens auch für die moderneren LCD Bildschirme.

Und drittens sind auch die Leuchtpartikel oder Leuchtstoffe sowohl in der Farbbildröhre wie auch bei den modernen Flachbildschirmen sehr unterschiedlich und müssen vom Pegel her korrigiert werden.
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Inhaltsverzeichnis des Telefunken Fachbuches (1966)
(über die ganz ausführliche Erklärung)

    Übersicht über die Signale beim Farb-Fernsehen
Seite 9 Nicht korrigierte Primär-Farbsignale
  10 (Gammakorrigierte) Primär-Farbsignale
  10 Leuchtdichte-Signal
  10 Farb-Differenzsignale
  11 Nicht reduziertes Primär-Farbart-Signal
  11 Reduzierte Farb-Differenzsignale
  11 Primär-Farbart-Signal
  12 Farbart-Signal
  12 FBAS-Signal

1. Schwarz-Weiß-Fernsehen als Grundlage

Seite 15 Vorbemerkung
  15 Signale und Blockschaltplan der Sendeseite
  17 Signalfrequenzband
  18 Periodischer Charakter des beim Schwarz-Weiß-Fernsehen aufzumodulierenden Gesamtsignals
  19 Das Kammspektrum des BAS-Signals
  21 Empfänger-Blockschaltplan
  23 Bildschirmleuchten beim Schwarz-Weiß-Fernseh-Empfänger

2. Die geforderte Kompatibilität

Seite 25 Begriffserklärung
  25 Übereinstimmende Grenzlinien für die Spektren
  25 Übereinstimmung der Synchronisier-Impulse und der Austast-Impulse
  26 Frequenzverkämmung
  27 Farbträger-Unterdrückung bzw. Farbträger-Schwächung

3. Farbwahrnehmung und die Signale beim Farb-Fernsehen

Seite 29 Mischen von Farblichtstrahlungen
  31 Folgerungen für das Farb-Fernsehen
  33 Einfluß der Abmessungen von farbig leuchtenden Flächen
  33 Die Primär-Farbsignale
  35 Leuchtdichte-Signal und Farb-Differenzsignale
  39 Der Farbkreis
  41 Der Farbkreis im Zusammenhang mit dem Farb-Fernsehen
  44 Die Bandbreiten der für das Farb-Fernsehen wichtigen Signale

4. Die Farbfernseh-Bildröhre

Seite 47 Aufbau der Lochmasken-Farbfernseh-Bildröhre
  52 Das Steuern der Strahlströme
  55 Hochspannung, Strahlströme und Ballaströhre
  56 Besonderheiten der Ablenkung
  56 Farbreinheit
  56 Konvergenz
  57 Farbrein heitsmagnet
  58 Einstellen der Farbreinheit
  59 Bildzentrierung
  59 Konvergenzfehler
  61 Die Konvergenzsysteme
  63 Gesamtanordnung
  63 Die Abschirmkappe der Lochmasken-Farbfernseh-Bildröhre
  64 Entmagnetisierungswicklung

5. Allgemeiner Überblick über Farbfernseh-Coder und Farbfernseh-Empfänger

Seite 67 Das Gemeinsame der Farbfernseh-Verfahren
  67 Der allgemeine Blockschaltplan des Coders
  69 Prinzipieller Aufbau des Farbart-Signals
  70 Zwei Arten der Farbträger-Modulation
  71 Der allgemeine Blockschaltplan des Farbfernseh-Empfängers
  73 Varianten des Farbfernseh-Empfänger-Blockschaltplans

6. Das NTSC-Farbfernseh-Verfahren

Seite 75 Vorbemerkung
  75 Das NTSC-Farbart-Signal
  77 Unterdrückter Farbträger
  78 Reduzierte Farb-Differenzsignale
  82 NTSC-Farbträger-Frequenz
  83 Farb-Synchronisier-Signal (Burst)
  84 Ein vollständiges Zeigerdiagramm des Farbart-Signals bei Quadratur-Modulation mit Träger-Unterdrückung 86 I-Signal und Q-Signal beim NTSC-Verfahren
  86 Grenzlinien für die Spektren beim NTSC-Verfahren
  87 Blockschaltplan des NTSC-Coders
  88 Blockschaltplan des NTSC-Farbfernseh-Empfängers

7. Das PAL-Verfahren

Seite 91 Grundsätzliches
  92 Grundgedanke des PAL-Verfahrens
  94 Summen- und Differenz-Bildung der Farbart-Signale zweier aufeinander folgender Zeilen beim PAL-Verfahren
  96 Eliminieren eines Phasenfehler-Einflusses
  99 Farbträgerfrequenz beim PAL-Verfahren
  99 Farb-Synchronisier-Impuls beim PAL-Verfahren
  100 Das Speichern des Farbart-Signals
  100 Blockschaltplan des PAL-Coders
  101 Grenzlinien der Spektren beim PAL-Verfahren
  102 Blockschaltplan des PAL-Empfängers
  104 Varianten der PAL-Farbfernseh-Empfängerschaltung

8. Das SECAM-Verfahren

Seite 105 Vorbemerkung
  105 Prinzip des SECAM-Verfahrens
  105 Modulation beim SECAM-Verfahren
  107 SECAM-Schalter
  107 Blockschaltplan des SECAM-Coders
  109 Blockschaltplan des SECAM-Farbfernseh-Empfängers

9. Kurzgefaßtes Lexikon zur Physik und Technik des Farb-Fernsehens

Seite 113  
  167 Stichwörterverzeichnis
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