Fernsehsignal

Einleitung

Bei der Entwicklung der Fernsehtechnik in den 20er Jahren musste eine Möglichkeit gefunden werden, das Bild, welches eine Kamera aufnimmt, zum Empfänger zu transportieren. Die Verwendung einer parallelen Übertragung der einzelnen Bildpunkte wurde verworfen, da man auf diese Weise für jeden zu übertragenden Bildpunkt einen Sendekanal (z. B. ein Kabel) benötigt hätte. So würde man für ein Fernsehbild mit heutiger PAL-Auflösung 414.000 Sendekanäle benötigen (575 Bildzeilen × beispielsweise 720 Linien Auflösung pro Zeile).

Somit wurde eine serielle Übertragung des Fernsehsignales gewählt, bei der das Fernsehbild zeilenweise übertragen wird. Dabei wird nur ein einzelner Sendekanal benötigt. Um dies zu realisieren, gab es verschiedene Ansätze, zum Beispiel die Nipkow-Scheibe. Durchgesetzt hatte sich schließlich die Abtastung mittels einer Videoröhre.

Heute werden Bilder in Fernsehkameras durch CCD-Chips oder einen CMOS-Sensor abgetastet.

BAS-Signal

BAS ist die deutsche Übersetzung für das so genannte VBS (Video Baseband Signal). Unter dem BAS-Signal versteht man das komplette Fernsehsignal für die Schwarzweiß-Bildübertragung, das sich aus dem Bildsignal (B), dem Austastsignal (A) und dem Synchronisationssignal (S) zusammensetzt. (Bild-Austast-Synchron-Signal, umgangssprachlich auch „Schwarz-Weiß-Signal“). In der Farbbildübertragung kommt entsprechend das FBAS (Farb-BAS) bzw. CVBS (Colour Video Baseband Signal) zum Einsatz, das zusätzlich die Farbinformationen enthält.

Zeilenweise Übertragung

Aufeinanderfolgende Einzelbilder (Frames, englisch für „Rahmen“) bzw. Halbbilder (Fields, Bilder mit halbierter vertikaler Auflösung) werden nacheinander übertragen. Jedes dieser Bilder besteht nun aus mehreren Zeilen, die ebenfalls aufeinanderfolgend gesendet werden, das heißt im Grunde besteht das Fernsehsignal aus der Abfolge der einzelnen Zeilen.

Nun muss der Empfänger jedoch genau eingestellt sein und

zum einen wissen, wann eine neue Zeile anfängt und wann sie aufhört (Horizontale Synchronisation) und
wann ein Bild beginnt und wann es endet (Vertikale Synchronisation).

Hierzu dienen die Synchronsignale. Alle Angaben zum Timing beziehen sich auf das in Deutschland übliche PAL-System.

Horizontale Synchronisationen

Jeder Zeilenbeginn muss einzeln markiert werden, damit sich der Empfänger erneut synchronisieren kann. Dies soll anhand der Darstellung einer Bildzeile gezeigt werden.

BAS_Zeilensignal_unmoduliert.PNG

Das Bild zeigt einen zeitlichen Ausschnitt des Fernsehsignals und zwar eine Zeile. Als Beispiel dient hier eine vierstufige Grautreppe, das heißt, es sind vier vertikale Balken im Bild zu sehen. Von Links nach Rechts haben sie eine ansteigende Helligkeit, der linke Balken ist schwarz, die mittleren dunkel- und hellgrau und der rechte Balken ist weiß. Die Balken nehmen jeweils ein Viertel des Bildes ein.

Ganz links sieht man noch einen Teil der vorhergehenden Zeile, danach folgt die vordere Schwarzschulter bei 0,3 Volt, danach der 4,7 Mikrosekunden lange Zeilensynchronimpuls, dessen Amplitude 0 Volt beträgt. Hinter dem Zeilensynchronimpuls liegt die hintere Schwarzschulter, die 5,8 Mikrosekunden dauert. Nun folgt das eigentliche Bildsignal, dessen Spannungswert einer Helligkeit entspricht (0,33 Volt (schwarz) bis 1 Volt (weiß)).

An den Bildinhalt schließt die vordere Schwarzschulter der nächsten Zeile an.

Der Elektronenstrahl des Empfängers zeichnet zuerst das ersten Halbbild („ungerade Zeilen“ = Zeilen 1, 3, 5, 7,... usw.) und danach das zweite Halbbild („gerade Zeilen“ = Zeilen 2, 4, 6,...usw.). Ist er mit der Darstellung des Zeileninhaltes fertig, so wird er von der fallenden Flanke des Zeilensynchronimpulses wieder an den Zeilenanfang links gebracht (Zeilenrücklauf). Dies geschieht sehr schnell und der Elektronenstrahl wird dabei dunkelgetastet. Ist das erste Halbbild fertig, so gibt es einen sogenannten Bildrücklauf (Vertikalrücklauf).

vordere Schwarzschulter

Ist das Zeilenende weiß (Pegel bei 1 Volt), so muss der Pegel sehr schnell auf 0 Volt abfallen. Dies ist zum Beispiel in unserem Bild der Fall; es kostet jedoch Zeit und würde zu einem verzögerten Zeilenrücklauf kommen. Das Ergebnis würde eine falsche Synchronisation zwischen Sender und Fernsehgerät bedeuten. Um die Zeit auszugleichen, fügt man die vordere Schwarzschulter mit einer Dauer von 1,5 Mikrosekunden ein. Dies verkürzt aber die sichtbare Zeile um den gleichen Betrag.

hintere Schwarzschulter

Das Vorhandensein der hinteren Schwarzschulter hat eine schaltungstechnische Ursache. Nach dem besonders schnellen Zeilenrücklauf treten am Anfang des Zeileninhaltes (Hinlauf) Einschwingerscheinungen auf. Die hintere Schwarzschulter dient als Puffer, damit die Schwingungen rechtzeitig bis zum Beginn des Bildinhaltes abgeklungen sind.

Zeilenaustastlücke

Zeilensynchronimpuls, vordere und hintere Schwarzschulter bilden zusammen die Zeilenaustastlücke. Diese kann sichtbar gemacht werden, wenn man das Fernsehbild nach links verschiebt und die Helligkeit zum Maximum erhöht. Dabei ist die vordere und hintere Schwarzschulter als graue senkrechte Balken und dazwischen der Zeilensychronimpuls als schwarzer senkrechter Balken zu erkennen. Bei professionellen Monitoren ist für diese Funktion ein eigener Schalter vorhanden.

Vertikale Synchronisation

Die Impulse für die vertikale Synchronisation liegen in einem Pegelbereich zwischen 75 Prozent und 100 Prozent des Trägersignals. Um eine Unterscheidung zwischen Zeilen- und Vertikalimpuls zu erreichen, ist letzterer von der Dauer her 2,5 Zeilen (2,5 × 64 Mikrosekunden) lang. Damit die Horizontalablenkung während des vertikalen Rücklaufes nicht ausfällt, ist dieser in 5 Impulse aufgeteilt. Diese 5 Impulse können dabei zur horizontalen Ablenkung eingesetzt werden. Nun hat man mehrere Impulse für den Vertikalrücklauf, aber man benötigt eigentlich nur einen. Dies erreicht man durch Integration dieser Impulse zum Beispiel durch ein RC-Glied, welches einen Spannungswert erzeugt, den man als „Schaltniveau“ bezeichnet. Folgende Impulse sind für die Vertikalablenkung zuständig:

5 Vortrabanten
5 Hauptimpulse
5 Nachtrabanten

Timing

Vertikales Timing

Es werden 25 Vollbilder je Sekunde übertragen, jedes Vollbild besteht aus 15.625 / 25 = 625 Zeilen, von denen jedoch nur maximal 575 Zeilen sichtbar sind; der Rest stellt die „vertikale Austastlücke“ dar. Auf den meisten realen Fernsehern sind nur gut 550 Zeilen tatsächlich zu sehen, der Rest der theoretisch sichtbaren Zeilen „verschwindet“ hinter dem Bildrand (sog. Overscan).

Jedes einzelne Vollbild besteht aus zwei „Halbbildern“ zu je 312,5 Zeilen. Das erste Halbbild enthält nur die ungeradzahligen Zeilen des Vollbildes, das zweite nur die geradzahligen Zeilen. Die beiden Halbbilder werden nacheinander übertragen und angezeigt, wie zwei ineinander verschachtelte Kämme. Diese als Zeilensprung bekannte Maßnahme diente zur Zeit der Entwicklung des Fernsehens dazu, das mit dem damaligen Stand der Technik unvermeidliche Flimmern zu minimieren und wirkt sich positiv auf horizontale Bewegungen aus (entspricht 50 Bildern pro Sekunde mit jeweils halber vertikaler Auflösung). Heute hat sie sich leider zu einem Hindernis auf dem Weg zu besserer Bildqualität entwickelt, jedoch müssen die Fernsehanstalten weiterhin mit Zeilensprung senden, da fast alle bisher produzierten Fernseher dies erwarten und mit einem anderen Signal nichts anfangen können. Würden die Anstalten Zeilensprung aufgeben, so würden auf einen Schlag alle bisherigen Fernseher wertlos, was wirtschaftlich gesehen unsinnig wäre.

Das Bild fängt an mit einem weißen Balken. 10 Prozent der Trägeramplitude.
Daran schließen sich immer dunkler werdende graue Balken an.
Schwarz ist erreicht bei einer Trägeramplitude von 73 Prozent, dahinter liegt die vordere Schwarzschulter des Signals bei 75 Prozent des Trägers.
Der Horizontalsynchronimpuls. Der Spannungspegel liegt noch höher als bei „Schwarz“, diese Tatsache wird von einer Synchronisationsschaltung im Empfänger bemerkt, die dann den Rücklauf des Elektronenstrahls zum linken Bildrand bewirkt. Der Horizontalimpuls liegt bei 100 Prozent der Trägeramplitude.
Die hintere Schwarzschulter. Bei 75 Prozent der Trägeramplitude. Die Schwarzschulter wird auch „Ultraschwarz“ genannt, da der Spannungswert etwas höher als bei Schwarz liegt.
Anfang der neuen Zeile, wieder mit weiß.

Horizontales Timing

Abhängig von der Fernsehnorm werden in Europa zumeist genau 15.625 Bildzeilen pro Sekunde übertragen, das heißt: eine komplette Bildzeile dauert genau 64 Mikrosekunden. Davon werden 52 Mikrosekunden lang Bilddaten übertragen, dazu kommen 1,5µs vordere Schwarzschulter, 4,7µs Synchronimpuls und 5,8 Mikrosekunden hintere Schwarzschulter. Die beiden Schwarzschultern und der Synchronimpuls werden zusammen als "horizontale Austastlücke" bezeichnet, diese dauert insgesamt 1,5 + 4,7 + 5,8 = 12 Mikrosekunden. Die Übertragung des Bursts liegt innerhalb der hinteren Schwarzschulter und beginnt 5,8µs nach dem Anfang des Syncimpulses, also bei korrektem Timing 1,1 Mikrosekunden nach dem Anfang der hinteren Schwarzschulter. Der Burst enthält ca. 10 Sinuswellen und dauert 2.25µs. Am Ende der hinteren Schwarzschulter beginnen dann wieder die Bilddaten der nächsten Zeile. Bei Schwarzweiß-Sendungen gibt es keinen Burst; der Empfänger erkennt dieses Fehlen und schaltet seine Farb-Dekodierungs-Schaltkreise ab.

FBAS-Signal

Das Farb-Bild-Austast-Synchron-Signal (FBAS; englisch CVBS, Colour Video Blanking Signal), wird auch als Composite-Signal oder umgangssprachlich als „Farbfernsehen“ bezeichnet.

fbas.png

In diesem Bild sehen wir die Waveform-Darstellung einer Zeile eines PAL-modulierten Fernsehbildes für die Normbalkenfolge mit einer Farbsättigung von 75 Prozent und einer ebenfalls auf 75 Prozent reduzierten Helligkeit in den farbigen Balken Gelb, Cyan, Grün, Magenta, Rot und Blau. (European Broadcasting Union-Testsignal).

Das Bild beginnt mit einem weißen Balken.
Daran schließen sich weitere Balken mit den Farben in abnehmender Helligkeit an. Man erkennt, im Bild blau eingefärbt, die übertragene Farbinformation. Die Farbintensität äußert sich in der Stärke des Farbsignals (hier: Höhe des grauen Bereichs im Diagramm), der Farbton in der Phasenlage relativ zu dem Farbträger (im Diagramm nicht dargestellt).
Schwarz und die vordere Schwarzschulter. Bei Schwarz und bei Weiß ist keine Farbmodulation zu erkennen, Schwarz und Weiß enthält auch nur Helligkeits- und keine Farbinformation. Da bei der von PAL und NTSC verwendeten Quadraturmodulation auch kein Träger übertragen wird, im Gegensatz zu der bei SECAM verwendeten Frequenzmodulation, kann anhand diesen Merkmals PAL / NTSC von SECAM unterschieden werden. Bei SECAM wäre auf dem Helligkeitssignal für Weiß und Schwarz der (unmodulierte) Farbträger zu erkennen, auf dem Oszilloskop würden diese für das bloße Auge genauso wie ein farbiger Balken aussehen.
Der Synchronimpuls.
Die hintere Schwarzschulter mit dem PAL-Burst (engl. für „plötzlicher Durchbruch“). Normalerweise ist der Farbträger wie oben erwähnt unterdrückt, nur während dieses kurzen Zeitraums „bricht er durch“; es werden zirka 10 Sinuswellen des Farbträgers direkt übertragen; der Zweck ist folgender: der Schaltkreis, der im Empfänger den Farbträger neu erzeugt, wird während dieses Zeitraums jeweils auf den Farbträger des Senders abgestimmt, für den Rest der Zeile kann er dann auf Basis dieser Abstimmung selbständig arbeiten. Das Bild für SECAM wäre ähnlich, da dort zwecks Erkennung, dass eben SECAM vorliegt und nicht PAL oder NTSC, während dieser Phase unmoduliert der Träger übertragen wird. (In der Anfangszeit von SECAM dienten zur Erkennung spezielle Bildzeilen während der Vertikalaustastlücke, diese wollte man aber später für Videotext, VPS und andere Dienste zur Verfügung haben.)
Der Anfang der nächsten Zeile.

Das modulierte Fernsehsignal

Für die Übertragungsstrecken (terrestrisch, Satellit, Kabel) muss das Basisband-Signal moduliert werden.

Bas-signal.png

Dieses Bild zeigt eine Zeile eines modulierten Fernsehsignals, wie man es mit einem Oszilloskop darstellen könnte, wenn ein Graubalkentestbild verwendet wird. Es zeigt nur die positiven Halbwellen des Trägersignals (rot dargestellt) mit dem aufmodulierten BAS-Signal. Die negativen Halbwellen beinhalten nocheinmal dasselbe BAS-Signal. Deshalb müsste man es „herunterklappen“.

Spektrum

tv-spektrum.png

In diesem Bild wird das Frequenzspektrum eines Fernsehsignals dargestellt - CCIR-Norm für den Bildsender-Amplitudenfrequenzgang (oben) und die Empfänger-Durchlasskurve (unten). Angegebene Frequenzen beziehen sich auf die in Deutschland verwendete PAL B / G-Fernsehnorm und beziehen sich relativ zum Bildträger.

Die Abbildung bezieht sich so nur auf das bereits hochfrequent aufmodulierte Signal, wie es über Antenne oder Fernsehkabel ins Haus kommt. Ein Basisband-Videosignal, wie es z.B. über SCART-Kabel von einem Videorekorder oder einer Spielkonsole zu einem Fernseher übertragen wird, hat keinen Bildträger und der entsprechende Punkt entspricht genau 0 Hertz, in diesem Fall sind die angegebenen Frequenzen als absolute Werte zu verstehen. Da es keine negativen Frequenzen gibt, hat ein Basisband-Videosignal natürlich kein unteres Restseitenband. Auch das Tonsignal ist bei Basisband nicht im Videosignal vorhanden, sondern wird ohne Träger über eigene Leitungen geschickt; dadurch kann die Frequenz eines Basisband-Videosignals nach oben theoretisch unbegrenzt sein.

Das untere Restseitenband. Das Fernsehsignal wird amplitudenmoduliert, wobei von einem Seitenband nur ein Teil übertragen wird. Die ansteigende Flanke ist die Nyquistflanke. Das untere Restseitenband ist ca. 0,75 Megahertz breit (übertragen werden 1,25 Megahertz).
Der Bildträger. Der Punkt, an dem die Nyquistflanke den Träger schneidet, heißt Nyquistpunkt. Er sollte in seiner Höhe genau mittig liegen.
Das Helligkeitssignal. Dieses geht bis ca. 5 Megahertz.
In den oberen Teil des Helligkeitssignals ist das Farbsignal eingeschachtelt. Der Farbträger liegt bei 4,43361875 Megahertz und ist unterdrückt -- er wird im Empfänger neu erzeugt.
Das Tonsignal. Der Tonträger liegt bei 5,5 Megahertz. Sein Pegel liegt 12dB niedriger als der des Bildträgers.
Der zweite Tonträger, falls stereo oder eine Zweikanaltonübertragung vorliegt. Er liegt 242,1875 Kilohertz oberhalb des ersten Tonträgers und sein Pegel ist 6 Dezibel geringer als dieser.

Beide Tonträger sind mit einem Frequenzhub von 50kHz frequenzmoduliert.