Fernsehsignal

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

Bestünde dieses Signal nun jedoch nur aus der Aneinanderreihung der Zeilen, könnte der Empfänger nicht erkennen, wo eine Zeile auf dem Bildschirm dargestellt werden soll. Ebenso wenig könnte der Empfänger erkennen, wo eine neue Zeile beginnt. Daher werden dem Fernsehsignal an den Stellen, an denen Zeilen zweier verschiedener (Halb-)Bilder aufeinandertreffen und am Beginn jeder einzelnen Zeile bestimmte Spannungsmuster hinzugefügt, die der Empfänger auswerten muss. Dabei handelt es sich um die Synchronsignale, die in das Gesamtsignal eingebettet sind. Hierbei unterscheidet man zwischen dem Vertikalen und dem Horizontalen Synchronsignal. Alle Angaben zum Timing beziehen sich auf das PAL-System.

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

Unmoduliertes BA-Signal einer Zeile

Das Bild zeigt den zeitlichen Ablauf einer Zeile des Fernsehsignals. 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, der rechte Balken ist weiß. Die Balken nehmen jeweils ein Viertel der Bildbreite ein. Nicht dargestellt sind die Flankendauern, die im Videobereich ca. 200 ns und im Synchronbereich ca. 300 ns betragen. Der als Zeilenlänge bezeichnete Bereich steht in dieser Lage nur im Studio zur Verfügung (vorlaufende Impulssignale). Auf der Empfängerseite liegen die Bezugszeitpunkte grundsätzlich in der Mitte der Vorderflanke des Synchronsignals.

Ganz links sieht man noch einen Teil der vorhergehenden Zeile (Weißpegel), danach folgt die vordere Schwarzschulter bei 0,3 Volt (Austastpegel), danach der 4,7 Mikrosekunden lange Zeilensynchronimpuls (Synchronpegel). In der Darstellung liegt der Synchronpegel bei 0 Volt. Hinter dem Zeilensynchronimpuls liegt die hintere Schwarzschulter, die 5,8 Mikrosekunden dauert. Ab hier beginnt das eigentliche Bildsignal, dessen Spannungswert der Helligkeit entspricht, wobei der Schwarzpegel bei einer Abhebung von 0,02 Volt bei 0,32 Volt liegt. Der Weißpegel liegt bei 1 Volt. Bei einer anderen Betrachtungsweise wird der Spannungspegel der Schwarzschultern als 0 V-Marke angenommen. Die Pegelwerte lauten dementsprechend −0,3 V für den Zeilensynchronimpuls und 0,7 V für den Weißwert, der nicht überschritten werden sollte (Tonstörungen wegen des Differenztonverfahrens).

An den Bildinhalt schließt die vordere Schwarzschulter des Austastbereiches zur nächsten Zeile an.

Der nominale Bezugszeitpunkt ist die Mitte der Vorderflanke des Synchronimpulses. Bei direkter Synchronisation löst diese Flanke den Zeilenablauf aus. Die direkte Synchronisation wurde von der Schwungradsynchronisation abgelöst, die für SECAM-Decoder praktisch unverzichtbar ist. Bei der Schwungradsynchronisation werden Fehler bei der Erkennung der Flanke über die Zeit ausgemittelt.

Der Elektronenstrahl des Empfängers zeichnet zuerst das erste Halbbild („ungerade Zeilen“ = Zeilen 1, 3, 5, 7,… usw.) und danach das zweite Halbbild („gerade Zeilen“ = Zeilen 2, 4, 6,… usw.). Ist die Darstellung des Zeileninhaltes beendet, löst die fallende Flanke des Zeilensynchronimpulses den Zeilenrücklauf aus, bei dem der Strahl wieder an den Anfang der nächsten Zeile springt. Dies geschieht sehr schnell, und der Elektronenstrahl wird dabei dunkelgetastet. Ist das erste Halbbild fertig, gibt es einen sogenannten Bildrücklauf (Vertikalrücklauf).

Ist das Zeilenende weiß (Pegel bei 1 Volt), müsste der Pegel sehr schnell auf 0 Volt abfallen, was aus technischen Gründen (Signalbandbreite) nicht möglich ist. In unserem Bild ist das der Fall, es käme hier also zu einem verzögerten Zeilenrücklauf. Das Ergebnis wäre eine falsche Synchronisation zwischen Sender und Fernsehgerät. Um das zu verhindern, fügt man die vordere Schwarzschulter mit einer Dauer von 1,5 Mikrosekunden ein. Das verkürzt aber die sichtbare Zeile um den gleichen Betrag.

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 diese Schwingungen rechtzeitig bis zum Beginn des Bildinhaltes abgeklungen sind. Sie dient auch der Festlegung des Schwarzpegels (Klemmschaltung (Nachrichtentechnik)).

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

Das Muster von Impulsen für die vertikale Synchronisation liegt ebenfalls in dem Pegelbereich zwischen 0 V und 0,3 V und unterbricht die Folge der Vorderflanken der horizontalen Synchronimpulse nicht:

Abfolge der Synchronimpulse für vertikale Synchronisierung

Um im Heimempfänger eine einfache Erkennung des Vertikalimpulses durch Integration – zum Beispiel durch ein RC-Glied – und Vergleich mit einem als „Schaltniveau“ bezeichneten Schwellwert zu erreichen, ist der Vertikalimpuls 2,5 Zeilen (2,5 × 64 Mikrosekunden) lang, wovon vor jeder horizontalen Flanke und der Mitte dazwischen etwa 4,7 µs abgehen. Die Impulse des zweiten Halbbildes entsprechen konsequent der Frequenz von 50 Hz und sind deshalb bezüglich derer des ersten Halbbildes im Zeilenraster um eine halbe Zeile verschoben. Die Unterbrechungen des Vertikalimpulses vermeiden Störungen der Horizontalablenkung während des vertikalen Rücklaufes und Einschwingvorgänge (Schwungradsynchronisation) zu Beginn des Halbbildes.

Im Studio wird meist die auf die Bezugsflanke bezogene Dauer der einzelnen Synchronimpulse mit einem Vergleichswert (Monoflop) verglichen.

Das Muster für die Vertikalablenkung besteht aus folgenden Impulsen:

• 5 Vortrabanten: Kurze Synchronimpulse mit der halben Dauer (2,35 µs) und dem halben Abstand der normalen horizontalen Synchronimpulse.

Sie laden bzw. entladen den Kondensator des RC-Gliedes auf einen definierten Spannungspegel, damit die Zeit bis zum Erreichen des benötigten Schaltniveaus immer gleich bleibt. Würden sie fehlen, könnte der Kondensator durch vorherige Bildinhalte oder eventuell vorhandene Störspannungen bereits vorgeladen sein und der Zeitpunkt, zu dem das Schaltniveau erreicht wird, wäre nicht vorhersehbar.

Alle fallenden Flanken des Synchronsignals (Vorderflanken) werden von der doppelten Zeilenfrequenz bestimmt. Die zeitliche Lage der steigenden Flanken enthält die Information über die Art des einzelnen Impulses. Als Impulsdach gilt der Synchronpegel bei 0 V, als Impulsgrund der Austastpegel bei 0,3 V.

Die Trabanten vertuschen die Tatsache, dass der V-Impuls in dem einen Halbbild am Zeilenanfang und in dem anderen Halbbild in der Zeilenmitte beginnt und werden deshalb auch als Ausgleichsimpulse bezeichnet. Bei dem voreilenden Schwarzbild kann der Beginn der vertikalen Austastung von der Rückflanke des ersten Vortrabanten abgeleitet werden.

• 5 Hauptimpulse: Synchronimpulse, die fast die Dauer einer halben Zeile haben (27,3 µs).

Sie laden den Kondensator auf und synchronisieren so den Vertikaloszillator, der Vertikalrücklauf wird eingeleitet. Die Zeit bis zum Erreichen des Schaltniveaus ist vom Gerät abhängig. Es besteht sogar eine gute Chance, dass der Schaltpunkt von einer der Unterbrechungen zwischen den Hauptimpulsen bestimmt wird. Besonders in diesem Fall ist die zeitliche Lage in jedem Halbbild richtig. Fehler führen zu einer Paarigkeit der Zeilen.

• 5 Nachtrabanten: Kurze Impulse wie die Vortrabanten.

Sie entladen den Kondensator wieder, damit durch eventuell auftretende Störimpulse unmittelbar nach den Hauptimpulsen das Schaltniveau nicht wieder erreicht werden kann. Sonst könnten diese Störimpulse zu einer erneuten (Fehl)-Synchronisation führen. Wegen der Unterbrechungen des Vertikalimpulses und wegen der Trabanten zeigt ein Zählfrequenzmesser 15640 Impulse pro Sekunde an.

Es werden 25 Vollbilder je Sekunde übertragen, jedes Vollbild besteht aus 15.625 / 25 = 625 Zeilen, von denen jedoch bei Farbe 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, siehe auch Aktionsfeld und Titelfeld).

Jedes einzelne Vollbild besteht aus zwei „Halbbildern“. Das erste Halbbild enthält nur die ungeradzahligen Zeilen des Vollbildes, das zweite nur die geradzahligen Zeilen. Die beiden Halbbilder werden im Zeilensprungverfahren nacheinander übertragen. Sie werden wie zwei ineinander verschachtelte Kämme zur Anzeige gebracht. Durch die Trägheit des menschlichen Auges und das Nachleuchten der Röhre wird so das Flimmern des Bildes vermindert. Dieses Verfahren kann allerdings zu auffälligem Flimmern bei dünnen, horizontalen Linien führen. Fernseher mit 100-Hz-Technik oder LCDs müssen die beiden Halbbilder erst wieder zu einem einzigen Bild zusammenfügen (Deinterlacing). Durch die höhere zeitliche Auflösung der Halbbilder können dabei in horizontal bewegten Objekten Kammeffekte auftreten, die auf konventionellen 50-Hz Röhrenfernsehern nicht zu sehen sind.

Abhängig von der Fernsehnorm werden in Europa zumeist genau 15.625 Bildzeilen pro Sekunde übertragen, das heißt: eine komplette Bildzeile dauert genau 64 Mikrosekunden.

Die Toleranz der Frequenz betrug beim Schwarzweiß-Fernsehen ${\displaystyle 10^{-4}}$ und wurde mit Rücksicht auf das PAL-Verfahren auf ${\displaystyle 10^{-6}}$ verbessert. Ausgehend von der Mutterfrequenz wurden die markanten Zeitpunkte auch noch beim Farbfernsehen mit Hilfe aneinandergereihter Kippvorgänge (monostabiler Multivibrator) gewonnen. In vertikaler Richtung wurden die relativ ungenauen Zeiten der aufwandssparenden astabilen Multivibratoren durch die genaueren Zeitpunkte der Mutterfrequenz synchronisiert.

Während der aktiven Zeilendauer von 52 µs werden Bilddaten übertragen, dazu kommen 1,5 µs vordere Schwarzschulter, 4,7 µs Synchronimpuls und 5,8 µs 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 (siehe unten bei Farbdarstellung) liegt innerhalb der hinteren Schwarzschulter und beginnt 5,8 µs nach dem Anfang des Syncimpulses, also bei korrektem Timing 1,1 µs nach dem Anfang der hinteren Schwarzschulter. Der Burst bzw. Burstimpuls dauert 2,25 µs und enthält im FBAS-Signal etwa 10 Sinusschwingungen. Am Ende der hinteren Schwarzschulter beginnen dann wieder die Bilddaten der nächsten Zeile. Bei Schwarzweiß-Sendungen gibt es keinen Burst; der Empfänger erkennt deren Fehlen und schaltet seine Farb-Dekodierungs-Schaltkreise ab. Würde er das nicht tun, wäre eine Schwarzweiß-Übertragung mit dem bei der Farb-Dekodierung entstehenden Farbrauschen hinterlegt. Allerdings werden heute von fast allen Fernsehstationen alle Sendungen mit Burst ausgesendet, auch Schwarzweiß-Sendungen. Die Farbdarstellung wird in diesem Fall senderseitig durch Ausfiltern der entsprechenden Frequenzen verhindert.

Bei der Amplitudenmodulation entstehen neben der Trägerfrequenz weitere Frequenzen, die sogenannten Seitenbänder. Sie liegen auf der Frequenzachse unter- und oberhalb der Trägerfrequenz und erreichen beide jeweils die Breite der höchsten Modulationsfrequenz. Bei einer maximalen Videofrequenz von ca. 5 MHz würde bereits alleine das Videosignal eine Bandbreite von 10 MHz belegen. Die beiden Seitenbänder würden dabei jeweils einzeln die volle Information des Signals beinhalten. Deshalb könnte man theoretisch auf die Übertragung eines der Seitenbänder verzichten und würde damit den Bedarf an Bandbreite halbieren. Die dafür notwendige Technik der Einseitenbandmodulation ist aber auf der Empfängerseite relativ aufwändig, so dass man sich zu einem Kompromiss entschloss. Auf der Senderseite wird eines der beiden Seitenbänder zum Teil entfernt.[2] Dieses Rundfunksignal mit teilunterdrücktem Seitenband (Restseitenbandmodulation) erlaubt eine dichtere Belegung der Frequenzbänder und führte zu einem Kanalabstand von nur 7 MHz im VHF-Band III.

Bandfilter und Träger in Sender (oben) und Empfänger (unten)[3]

In diesem Bild ist das Frequenzspektrum eines Fernsehsignals dargestellt: CCIR-Norm für den Bildsender-Amplitudenfrequenzgang (oben) und die Empfänger-Durchlasskurve (unten). Die angegebenen Frequenzen beziehen sich auf die in den meisten Ländern verwendete PAL B/G-Fernsehnorm und sind relativ zum Bildträger angegeben.

1. Das untere Restseitenband. Das Fernsehsignal wird amplitudenmoduliert, wobei von einem Seitenband nur ein Teil übertragen wird. Die ansteigende Flanke des Bandfilters im Empfänger heißt Nyquistflanke. Das untere Restseitenband ist etwa 0,75 MHz breit (übertragen werden 1,25 MHz).
2. Der Bildträger. Er ist nicht maßstabstreu gezeichnet und hat etwas mehr als die doppelte Amplitude der Seitenbänder. Der Punkt, an dem die Nyquistflanke den Träger schneidet, heißt Nyquistpunkt. Er liegt mittig auf der Flanke des Filters. (Er sollte nicht mit dem Nyquistpunkt verwechselt werden, der bei der Betrachtung der Stabilität von Regelkreisen eine wichtige Rolle spielt.)
3. Das Helligkeitssignal. Dieses erstreckt sich bis etwa 5 MHz.
4. In den oberen Teil des Helligkeitssignals ist das Farbsignal eingeschachtelt. Der Farbträger liegt bei 4,43361875 MHz und ist unterdrückt – er wird im Empfänger neu erzeugt.
5. Das Tonsignal. Der Tonträger liegt bei 5,5 MHz. Sein Pegel liegt 12 dB niedriger als der des Bildträgers.
6. Der zweite Tonträger, falls eine Stereo- oder eine Zweikanaltonübertragung vorliegt. Er liegt 242,1875 kHz oberhalb des ersten Tonträgers und sein Pegel ist 6 dB geringer als dieser.

Beide Tonträger sind mit einem Frequenzhub von 50 kHz frequenzmoduliert.