Das Fernsehsystem eines jeden Landes legt eine Anzahl von Fernsehkanälen innerhalb der UHF- oder VHF-Frequenzbereiche fest. Ein Kanal besteht eigentlich aus zwei Signalen: Die Bildinformation wird durch Amplitudenmodulation auf einer Frequenz übertragen, und der Ton wird durch Frequenzmodulation auf einer Frequenz mit einem festen Versatz (in der Regel 4,5 bis 6 MHz) zum Bildsignal übertragen.
Die gewählten Kanalfrequenzen stellen einen Kompromiss dar, der einerseits eine ausreichende Bandbreite für Video (und damit eine zufriedenstellende Bildauflösung) und andererseits eine ausreichende Anzahl von Kanälen in dem verfügbaren Frequenzband ermöglicht. In der Praxis wird eine Technik namens Restseitenband verwendet, um den Kanalabstand zu verringern, der bei Verwendung von reinem AM fast das Doppelte der Videobandbreite betragen würde.
Der Signalempfang erfolgt immer über einen Überlagerungsempfänger: Die erste Stufe ist ein Tuner, der einen Fernsehkanal auswählt und ihn auf eine feste Zwischenfrequenz (ZF) verschiebt. Der Signalverstärker übernimmt die Verstärkung zu den ZF-Stufen im Mikrovoltbereich bis hin zu Bruchteilen eines Volt.
Tonextraktion
Das ZF-Signal besteht nun aus einem Bildträgersignal mit einer Frequenz und dem Tonträger mit einem festen Offset. Ein Demodulator stellt das Videosignal wieder her. Am Ausgang desselben Demodulators liegt auch ein neuer frequenzmodulierter Tonträger mit der Offsetfrequenz an. Bei einigen Geräten, die vor 1948 hergestellt wurden, wurde dieser herausgefiltert, und die Ton-ZF von etwa 22 MHz wurde an einen FM-Demodulator geschickt, um das Grundtonsignal wiederherzustellen. Bei neueren Geräten wurde dieser neue Träger auf der Offset-Frequenz als Zwischenträgerton belassen und an einen FM-Demodulator geschickt, um das Basistonsignal wiederherzustellen. Ein besonderer Vorteil des Zwischenträgersignals besteht darin, dass sich die Trägerfrequenz des Tonsignals beim Einstellen des Feinabstimmungsknopfes an der Gerätefront nicht ändert, sondern auf der oben erwähnten Offset-Frequenz bleibt. Folglich ist es einfacher, das Bild abzustimmen, ohne den Ton zu verlieren.
Der FM-Tonträger wird also demoduliert, verstärkt und zum Betrieb eines Lautsprechers verwendet. Bis zum Aufkommen der NICAM- und MTS-Systeme waren Fernseh-Tonübertragungen ausnahmslos monophon.
Struktur eines VideosignalsBearbeiten
Der Videoträger wird demoduliert, um ein zusammengesetztes Videosignal zu erhalten; dieses enthält Luminanz-, Chrominanz- und Synchronisationssignale; dies ist identisch mit dem Videosignalformat, das von analogen Videogeräten wie Videorekordern oder CCTV-Kameras verwendet wird. Zu beachten ist, dass die Modulation des HF-Signals im Vergleich zum herkömmlichen AM invertiert ist: Der minimale Videosignalpegel entspricht der maximalen Trägeramplitude und umgekehrt. Um eine gute Linearität (Wiedergabetreue) zu gewährleisten, die mit den erschwinglichen Herstellungskosten von Sendern und Empfängern vereinbar ist, wird der Videoträger nie ganz abgeschaltet. Als 1948 der Zwischenträger-Ton erfunden wurde, hatte die nicht vollständige Abschaltung des Trägers den Nebeneffekt, dass der Zwischenträger-Ton wirtschaftlich umgesetzt werden konnte.
Jede Zeile des angezeigten Bildes wird mit einem Signal wie oben gezeigt übertragen. Das gleiche Grundformat (mit geringfügigen Unterschieden, die hauptsächlich das Timing und die Codierung der Farben betreffen) wird für die Fernsehsysteme PAL, NTSC und SECAM verwendet. Ein monochromes Signal ist mit einem Farbsignal identisch, mit der Ausnahme, dass die im Diagramm farbig dargestellten Elemente (der Farbburst und das Chrominanzsignal) nicht vorhanden sind.
Die vordere Veranda ist eine kurze (etwa 1,5 Mikrosekunden) Periode, die zwischen dem Ende jeder übertragenen Bildzeile und der Vorderflanke des nächsten Zeilensynchronimpulses eingefügt wird. Ihr Zweck war es, bei älteren Fernsehgeräten eine Stabilisierung der Spannungspegel zu ermöglichen, um Störungen zwischen den Bildzeilen zu vermeiden. Die vordere Austastlücke ist die erste Komponente der horizontalen Austastlücke, die auch den horizontalen Sync-Impuls und die hintere Austastlücke enthält.
Die hintere Austastlücke ist der Teil jeder Abtastzeile zwischen dem Ende (ansteigende Flanke) des horizontalen Sync-Impulses und dem Beginn des aktiven Videos. Er wird zur Wiederherstellung der Schwarzwertreferenz (300 mV) bei analogem Video verwendet. In der Signalverarbeitung kompensiert sie die Abfallzeit und die Einschwingzeit nach dem Sync-Impuls.
In Farbfernsehsystemen wie PAL und NTSC umfasst diese Periode auch das Colorburst-Signal. Im SECAM-System enthält er den Referenzunterträger für jedes aufeinanderfolgende Farbdifferenzsignal, um die Nullfarbenreferenz festzulegen.
In einigen professionellen Systemen, insbesondere bei Satellitenverbindungen zwischen verschiedenen Standorten, ist der Ton in den hinteren Teil des Videosignals eingebettet, um die Kosten für die Anmietung eines zweiten Kanals zu sparen.
Monochromes Videosignal extrahierenBearbeiten
Die Luminanzkomponente eines zusammengesetzten Videosignals schwankt zwischen 0 V und etwa 0,7 V über dem „Schwarz“-Pegel. Im NTSC-System gibt es einen Austastsignalpegel, der während des vorderen und hinteren Vorraums verwendet wird, und einen Schwarzsignalpegel, der 75 mV darüber liegt; in PAL und SECAM sind diese identisch.
In einem Monochrom-Empfänger wird das Luminanzsignal verstärkt, um das Steuergitter in der Elektronenkanone der CRT zu steuern. Dadurch wird die Intensität des Elektronenstrahls und damit die Helligkeit des abgetasteten Flecks verändert. Helligkeits- und Kontrastregler bestimmen die Gleichstromverschiebung bzw. die Verstärkung.
Farbvideosignal-ExtraktionBearbeiten
Ein Farbsignal vermittelt Bildinformationen für jede der Rot-, Grün- und Blaukomponenten eines Bildes (siehe den Artikel über den Farbraum für weitere Informationen). Diese werden jedoch nicht einfach als drei getrennte Signale übertragen, denn: ein solches Signal wäre mit monochromen Empfängern nicht kompatibel (eine wichtige Überlegung bei der Einführung des Farbfernsehens). Außerdem würde es die dreifache Bandbreite des bestehenden Fernsehens beanspruchen, was eine Verringerung der Anzahl der verfügbaren Fernsehkanäle erforderlich machen würde. Außerdem würden typische Probleme bei der Signalübertragung (wie unterschiedliche Empfangspegel zwischen verschiedenen Farben) unangenehme Nebenwirkungen hervorrufen.
Ersatzweise werden die RGB-Signale in die YUV-Form umgewandelt, wobei das Y-Signal die Helligkeit und Dunkelheit (Luminanz) der Farben im Bild darstellt. Da diese Art der Farbwiedergabe das Ziel von Schwarz-Weiß-Filmen und Schwarz-Weiß-Fernsehsystemen ist, eignet sich das Y-Signal ideal für die Übertragung als Luminanzsignal. Dadurch wird sichergestellt, dass ein Schwarzweiß-Empfänger ein korrektes Bild in Schwarzweiß anzeigt, bei dem eine bestimmte Farbe durch einen Grauton wiedergegeben wird, der korrekt wiedergibt, wie hell oder dunkel die ursprüngliche Farbe ist.
Die U- und V-Signale sind „Farbdifferenz“-Signale. Das U-Signal ist die Differenz zwischen dem B-Signal und dem Y-Signal, auch bekannt als B minus Y (B-Y), und das V-Signal ist die Differenz zwischen dem R-Signal und dem Y-Signal, auch bekannt als R minus Y (R-Y). Das U-Signal gibt dann an, wie „violett-blau“ oder seine Komplementärfarbe „gelblich-grün“ die Farbe ist, und das V-Signal, wie „violett-rot“ oder seine Komplementärfarbe „grünlich-cyan“ sie ist. Der Vorteil dieses Schemas ist, dass die U- und V-Signale gleich Null sind, wenn das Bild keinen Farbinhalt hat. Da das menschliche Auge für Details in der Luminanz empfindlicher ist als in der Farbe, können die U- und V-Signale relativ verlustbehaftet (d. h. bandbreitenbegrenzt) mit akzeptablen Ergebnissen übertragen werden.
Im Empfänger kann ein einziger Demodulator eine additive Kombination aus U und V extrahieren. Ein Beispiel ist der X-Demodulator, der im X/Z-Demodulationssystem verwendet wird. In demselben System extrahiert ein zweiter Demodulator, der Z-Demodulator, ebenfalls eine additive Kombination aus U und V, jedoch in einem anderen Verhältnis. Die X- und Z-Farbdifferenzsignale werden weiter in die drei Farbdifferenzsignale (R-Y), (B-Y) und (G-Y) zerlegt. Die Kombinationen von meist zwei, manchmal aber auch drei Demodulatoren waren:
- (I) / (Q), (wie im RCA CTC-2 von 1954 und in der RCA „Colortrak“-Serie von 1985 sowie im Arvin von 1954 und in einigen professionellen Farbmonitoren in den 1990er Jahren verwendet),
- (R-Y) / (Q), wie im RCA 21-Zoll-Farbempfänger von 1955 verwendet,
- (R-Y) / (B-Y), verwendet im ersten Farbempfänger auf dem Markt (Westinghouse, nicht RCA),
- (R-Y) / (G-Y), (wie im RCA Victor CTC-4-Gehäuse verwendet),
- (R-Y) / (B-Y) / (G-Y),
- (X) / (Z), wie in vielen Empfängern der späten 50er und der 60er Jahre verwendet.
Die weitere Matrizierung der obigen Farbdifferenzsignale c bis f ergab schließlich die drei Farbdifferenzsignale (R-Y), (B-Y) und (G-Y).
Die R-, G- und B-Signale im Empfänger, die für das Anzeigegerät (CRT, Plasmabildschirm oder LCD-Bildschirm) benötigt werden, werden elektronisch wie folgt durch Matrizierung abgeleitet: R ist die additive Verknüpfung von (R-Y) mit Y, G ist die additive Verknüpfung von (G-Y) mit Y, und B ist die additive Verknüpfung von (B-Y) mit Y. All dies wird elektronisch erreicht. Wie man sieht, hebt sich bei der Kombination der niedrig aufgelöste Teil der Y-Signale auf, so dass die R-, G- und B-Signale ein niedrig aufgelöstes Bild in voller Farbe wiedergeben können. Die höher auflösenden Anteile der Y-Signale werden jedoch nicht ausgelöscht und sind daher gleichermaßen in R, G und B vorhanden, so dass das höher auflösende Bilddetail in Monochrom erscheint, obwohl es für das menschliche Auge wie ein vollfarbiges Bild mit voller Auflösung aussieht.
In den NTSC- und PAL-Farbsystemen werden U und V durch Quadraturamplitudenmodulation eines Hilfsträgers übertragen. Bei dieser Art der Modulation werden zwei unabhängige Signale auf einen Unterträger gelegt, so dass beide Signale beim Empfänger unabhängig voneinander wiederhergestellt werden können. Vor der Übertragung wird der Unterträger selbst aus dem aktiven (sichtbaren) Teil des Videos entfernt und in Form eines Bursts in den horizontalen Austastbereich verschoben, der auf dem Bildschirm nicht direkt sichtbar ist. (Mehr über den Burst weiter unten.)
Bei NTSC ist der Hilfsträger eine Sinuswelle von 3,58 MHz. Beim PAL-System ist es eine 4,43-MHz-Sinuswelle. Nach der oben erwähnten Quadratur-Amplitudenmodulation des Hilfsträgers entstehen Hilfsträger-Seitenbänder, und der Hilfsträger selbst wird aus dem sichtbaren Teil des Videos herausgefiltert, da es die Hilfsträger-Seitenbänder sind, die alle U- und V-Informationen tragen, während der Hilfsträger selbst keine Informationen trägt.
Die resultierenden Hilfsträger-Seitenbänder werden auch als „Chroma“ oder „Chrominanz“ bezeichnet. Physikalisch handelt es sich bei diesem Chrominanzsignal um eine Sinuswelle mit 3,58 MHz (NTSC) bzw. 4,43 MHz (PAL), die als Reaktion auf sich ändernde U- und V-Werte ihre Phase gegenüber dem Hilfsträger und auch ihre Amplitude ändert.
Wie sich herausstellt, stellt die Chroma-Amplitude (zusammen mit dem Y-Signal betrachtet) die ungefähre Sättigung einer Farbe dar, und die Chroma-Phase gegenüber dem Hilfsträger als Referenz repräsentiert ungefähr den Farbton der Farbe. Für bestimmte Testfarben, die im Test-Farbbalkenmuster enthalten sind, werden die genauen Amplituden und Phasen manchmal nur zu Test- und Fehlerbehebungszwecken definiert.
Obwohl die Chroma-Sinuswelle als Reaktion auf sich ändernde U- und V-Werte ihre Phase in Bezug auf den Hilfsträger ändert, ist es nicht korrekt zu sagen, dass der Hilfsträger einfach „phasenmoduliert“ ist. Das liegt daran, dass ein einzelnes Sinuswellen-U-Testsignal mit QAM nur ein Paar von Seitenbändern erzeugt, während eine echte Phasenmodulation unter denselben Testbedingungen mehrere Sätze von Seitenbändern erzeugen würde, die ein breiteres Frequenzspektrum belegen.
In NTSC hat die Chrominanz-Sinuswelle dieselbe Durchschnittsfrequenz wie die Frequenz des Hilfsträgers. Ein Spektrumanalysator zeigt jedoch, dass bei übertragener Chrominanz die Frequenzkomponente bei der Unterträgerfrequenz tatsächlich null Energie hat, was beweist, dass der Unterträger vor der Übertragung tatsächlich entfernt wurde.
Diese Seitenbandfrequenzen liegen innerhalb des Luminanzsignalbandes, weshalb sie „Unterträger“-Seitenbänder und nicht einfach „Träger“-Seitenbänder genannt werden. Ihre genauen Frequenzen wurden so gewählt, dass sie (bei NTSC) in der Mitte zwischen zwei Oberschwingungen der Bildwiederholfrequenz liegen, wodurch sichergestellt wird, dass sich der größte Teil der Leistung des Luminanzsignals nicht mit der Leistung des Chrominanzsignals überschneidet.
Im britischen PAL (D)-System beträgt die tatsächliche Chrominanz-Mittenfrequenz mit gleichen unteren und oberen Seitenbändern 4,43361875 MHz, ein direktes Vielfaches der Frequenz der Abtastrate. Diese Frequenz wurde gewählt, um das Interferenzmuster der Chrominanzüberlagerung zu minimieren, das in Bereichen mit hoher Farbsättigung im übertragenen Bild sichtbar wäre.
Zu bestimmten Zeiten stellt das Chrominanzsignal nur das U-Signal dar, und 70 Nanosekunden (NTSC) später stellt das Chrominanzsignal nur das V-Signal dar. (Dies liegt in der Natur der Quadratur-Amplitudenmodulation, die das Chrominanzsignal erzeugt hat). Etwa 70 Nanosekunden später folgt -U und weitere 70 Nanosekunden später -V.
Um U zu extrahieren, wird also ein synchroner Demodulator eingesetzt, der den Hilfsträger verwendet, um das Chroma-Signal alle 280 Nanosekunden kurz abzutasten, so dass das Ausgangssignal nur eine Folge von diskreten Impulsen ist, von denen jeder eine Amplitude hat, die dem ursprünglichen U-Signal zum entsprechenden Zeitpunkt entspricht. Diese Impulse sind also analoge, zeitdiskrete Abtastungen des U-Signals. Die Impulse werden dann tiefpassgefiltert, so dass das ursprüngliche analoge zeitkontinuierliche U-Signal wiederhergestellt wird. Für V wird das Chroma-Signal alle 280 Nanosekunden durch einen um 90 Grad verschobenen Hilfsträger kurz unterbrochen, und der Rest des Prozesses ist identisch mit dem für das U-Signal verwendeten Verfahren.
Bei einer Unterbrechung zu einem anderen als den oben genannten Zeitpunkten entsteht eine additive Mischung aus zwei beliebigen U-, V-, -U- oder -V-Signalen. Eine dieser „außeraxialen“ (d. h. auf der U- und V-Achse) Gating-Methoden wird als I/Q-Demodulation bezeichnet. Ein anderes, weitaus beliebteres „Off-Axis“-Schema war das X/Z-Demodulationssystem. Durch eine weitere Matrixbildung wurden die ursprünglichen U- und V-Signale wiederhergestellt. Dieses Verfahren war in den 60er Jahren das beliebteste Demodulationsverfahren.
Das obige Verfahren verwendet den Hilfsträger. Aber wie bereits erwähnt, wurde er vor der Übertragung gelöscht, und es wird nur das Chroma-Signal übertragen. Daher muss der Empfänger den Unterträger wiederherstellen. Zu diesem Zweck wird ein kurzer Burst des Hilfsträgers, der so genannte Farbburst, während der Rücksprungphase (Retrace-Blanking-Periode) jeder Abtastzeile übertragen. Ein Unterträgeroszillator im Empfänger rastet auf dieses Signal ein (siehe Phasenregelkreis), um eine Phasenreferenz zu erhalten, was dazu führt, dass der Oszillator den wiederhergestellten Unterträger erzeugt.
(Eine zweite Verwendung des Bursts in teureren oder neueren Empfängermodellen ist eine Referenz für ein AGC-System, um Unzulänglichkeiten der Farbverstärkung beim Empfang auszugleichen.)
NTSC verwendet dieses Verfahren in unveränderter Form. Leider führt dies oft zu einer schlechten Farbwiedergabe aufgrund von Phasenfehlern im empfangenen Signal, die manchmal durch Mehrwegeffekte, meist aber durch eine schlechte Implementierung im Studio verursacht werden. Mit dem Aufkommen von Festkörperempfängern, Kabelfernsehen und digitaler Studioausrüstung für die Umwandlung in ein analoges Übertragungssignal wurden diese NTSC-Probleme weitgehend behoben, so dass die einzige Schwachstelle des NTSC-Systems in der Farbwiedergabe die Bedienerfehler auf der Studio-Seite sind. In jedem Fall korrigiert das PAL-D-System (Delay) diese Art von Fehlern, indem es die Phase des Signals auf jeder aufeinanderfolgenden Zeile umkehrt und die Ergebnisse über Zeilenpaare mittelt. Dieser Prozess wird durch die Verwendung einer Verzögerungsleitung mit einer Dauer von 1H (H = horizontale Abtastfrequenz) erreicht. (Eine typische Schaltung, die mit diesem Gerät verwendet wird, wandelt das niederfrequente Farbsignal in Ultraschall und wieder zurück). Phasenverschiebungsfehler zwischen aufeinanderfolgenden Zeilen werden daher ausgeglichen, und die Amplitude des Nutzsignals wird erhöht, wenn die beiden gleichphasigen (koinzidenten) Signale neu kombiniert werden.
NTSC ist spektraleffizienter als PAL und bietet mehr Bilddetails bei einer gegebenen Bandbreite. Dies liegt daran, dass die ausgeklügelten Kammfilter in den Empfängern bei der 4-Feld-Farbphasenkadenz von NTSC effektiver sind als bei der 8-Feld-Kadenz von PAL. Im SECAM-Fernsehsystem werden U und V auf abwechselnden Zeilen übertragen, wobei eine einfache Frequenzmodulation von zwei verschiedenen Farbträgern verwendet wird.
Bei einigen analogen CRT-Farbbildschirmen wird ab 1956 das Helligkeitssteuersignal (Luminanz) den Kathodenanschlüssen der Elektronenkanonen zugeführt und die Farbdifferenzsignale (Chrominanzsignale) werden den Steuergitteranschlüssen zugeführt. Diese einfache CRT-Matrix-Mischtechnik wurde in späteren Festkörperdesigns der Signalverarbeitung durch die ursprüngliche Matrixing-Methode ersetzt, die in den Farbfernsehempfängern von 1954 und 1955 verwendet wurde.