Informations- und Kommunikationstechnik

Analoge PAL-Farbfernsehempfangstechnik

Diese Seite behandelt nach den allgemeinen Voraussetzungen den PAL-Laufzeitdecoder (PAL-Laufzeitleitung) zum Empfang der europäischen PAL-codierten TV-Sendungen und beschreibt ausführlich die Rückgewinnung der RGB - Signale.

Fernseh-Bild-ZF

Alle Fernsehempfänger arbeiten nach dem Überlagerungsprinzip. Parallel zur Senderabstimmung läuft im Tuner ein durchstimmbarer HF-Oszillator. Er schwingt oberhalb zur Senderfrequenz im gleichbleibenden Frequenzverhältnis zum eingestellten Sender. Sender- und Oszillatorfrequenz werden anschließend im Mischer moduliert. Die Unterhaltungselektronik nutzt vom entstehenden Modulationsprodukt das untere Seitenband. Durch diese Abwärtsmischung entsteht eine im Vergleich zur Senderfrequenz tiefere Zwischenfrequenz (ZF). Der Schaltungsaufwand ist für niedrigere ZF-Frequenzen einfacher zu handhaben. Die ZF-Bandbreite ist sehr genau auf die Senderbandbreite angepasst. Die Empfänger erreichen damit eine hohe Selektivität oder Trennschärfe zu den Nachbarsendern.

Das ZF-Verfahren hat den Vorteil, dass für alle Empfangsbänder im Gerät nur ein Filtertyp mit konstanter Bandbreite benötigt wird. Nach der bei uns gültigen CCIR-Norm für den VHF- und UHF-Bereich haben sich die Gerätehersteller auf festgelegte ZF-Frequenzen geeinigt. Die Bildträger-ZF liegt bei 38,9 MHz und die erste Tonträger-ZF bei 33,4 MHz. Der im Empfangsband am oberen Frequenzende liegende Tonträger gelangt durch die Abwärtsmischung in den unteren ZF-Bereich.

Das Bild-ZF-Signal durchläuft mindestens eine geregelte Verstärkerstufe. Es folgt der AM-Demodulator für die Bild-ZF, der das FBAS-Signal als Ausgang hat. Für die Tonverarbeitung nach dem Intercarrierverfahren entsteht dabei eine zweite ZF-Ebene mit 5,5 MHz. Die verschiedenen Möglichkeiten der Tonverarbeitung werden an anderer Stelle beschrieben.

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Aufbereitung des FBAS-Signals und der PAL-Laufzeitdecoder

Passive Analogfilter trennen das FBAS-Signal zur weiteren Signalverarbeitung in das demodulierte Luminanz- und das noch modulierte Chromasignal. Im FBAS-Signalband nimmt das Chromasignal symmetrisch zur Frequenz des Farbhilfsträgers eine Bandbreite von rund 1,2 MHz ein. Durch das Ausfiltern kommt es zur Einschränkung der Bandbreite des Luminanzsignals. Dem Luminanz- oder Y-Signal bleiben von den 5 MHz maximal 3,5 MHz. Die verbleibende Bandbreite steht der Farbinformation mit 1,2 MHz zur Verfügung.

FBAS-Signalfilter zur Y- und Chromatrennung

In Geräten mit analoger Signalverarbeitung unterdrückt eine auf die Farbhilfsträgerfrequenz abgeglichene Bandsperre, meistens ein in Reihe zum Signalweg geschalteter Parallelschwingkreis das Farbartsignal im FBAS. Am Filterausgang steht das BAS-, auch als Video- oder Y-Signal bezeichnet zur Verfügung. In einem dazu parallel laufenden Signalweg trennt eine Bandpass-Filterschaltung das Signalband der modulierten Farbhilfsträgerfrequenz ab. Am Filterausgang bleiben das Chroma- oder Farbartsignal F mit dem Burst bestehen.

Für eine letztlich qualitativ hochwertige Bilddarstellung ist das FBAS- oder Kompositesignal am wenigsten geeignet. Der Tiefpassfilter setzt die Videobandbreite herab und verringert damit die Kantenschärfe kontrastreicher Bildübergänge. Die wesentlich geringere Bandbreite des Chromasignals ist weniger störend. Das Helligkeitsempfinden der Stäbchen im menschlichen Auge ist bis zu 10000-mal besser als das der farbempfindlichen Zäpfchen. Auch verfügt das Auge über bis zu 20-mal mehr Stäbchen als Zäpfchen.

Der PAL-Laufzeitdecoder

Vor der Demodulation des nach dem Verfahren der Quadraturamplitudenmodulation codierten Chromasignals ist eine Auftrennung in die beiden Komponenten FU und FV notwendig. Diese Aufgabe wird vom PAL-Laufzeitdecoder übernommen, der auch als PAL-Laufzeitleitung (LZL) bezeichnet wird. Die Demodulation der Signale findet hier nicht statt, auch wenn des Öfteren die PAL-Laufzeitleitung als PAL-Demodulator bezeichnet wird. Die LZL besteht aus einem piezoelektrischen Koppelglied und soll das Signal um eine Zeile verzögern.

Die genormte Zeilendauer beträgt 64 μs. Die FHT-Frequenz ist auf genau 4,43361875 MHz festgelegt. Daraus errechnet sich die Periodendauer von T = 0,225549389 μs. In eine Zeile passen somit 283,7516 Schwingungen des FHT. Damit erscheint das Ausgangssignal der Verzögerungsleitung gegenüber dem Eingangssignal um 0,75·T später. Diese Verzögerungszeit entspricht einer Phasenverschiebung von 270°.

Beim europäischen PAL-System wird die V-Komponente senderseitig von Zeile zu Zeile um 180° geschaltet. Im Empfänger muss dieser Vorgang zurückgesetzt werden. Die Rückschaltung entspricht einer Phasenverschiebung von 180° oder 283,5 FHT-Schwingungen pro Zeile. Die Laufzeitleitung hat daher im Vergleich zur Zeilendauer die etwas geringere Verzögerungszeit von genau 63,943 ± 0,005 μs.

Das Chromasignal wird am Eingang der PAL-LZL in drei Signalwege aufgeteilt. Der obere Zweig führt direkt zur Widerstandsmatrix. Der untere Zweig wird an einer 1:1 mittig angezapften Spule um 180° invertiert und so der Ausgangsmatrix zugeführt. Der mittlere Zweig durchläuft die PAL-Laufzeitleitung. Nach der Verzögerung um eine Zeilendauer kommt das Signal mit der zweiten unverzögerten Zeile an der Widerstandsmatrix an. An ihr werden die drei Signalspannungen addiert.

Zeilensignale beim PAL-Laufzeitdecoder

Die im PAL-System nicht geschaltete Zeile wird oftmals als NTSC-Zeile und die mit geschalteter V-Komponente als PAL-Zeile bezeichnet. Die Schaltung lässt die Arbeitsweise klar erkennen. Die Laufzeitleitung hat beim Eintreffen der 1. ungeschalteten NTSC-Zeile noch die geschaltete vorhergehende Zeile gespeichert. Am Ausgang A addieren sich beide Zeilensignale und ergeben nur die FU-Komponente mit doppelter Amplitude. Am Ausgang B addieren sich die um 180° invertierte Eingangszeile mit der gespeicherten und in der V-Komponente entgegengesetzt gedrehten vorhergehenden Zeile, wobei das FV-Signal mit der doppelten Amplitude entsteht.

Die Schaltung funktioniert ebenso, wenn am Eingang die PAL-Zeile anliegt und die Laufzeitleitung die ungeschaltete NTSC-Zeile speichert. Die so getrennten Farbartsignale sind noch moduliert und werden dem U- und V-Synchrondemodulator zugeführt. Das Verfahren ermöglicht die schon bei der senderseitigen Erstellung des FBAS-Signals beschriebene Phasenfehlerkompensation für Farbe.

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Die Rückgewinnung der RGB-Signale

Das Ausfiltern des Burst

Bei der AM-Modulation der beiden Farbdifferenzsignale wurde senderseitig der Farbträger unterdrückt und muss zur Demodulation im Empfänger phasen- und frequenzgenau zum Signal addiert werden. Der Empfänger generiert den Farbhilfsträger mit einem Quarzoszillator, der in einer Phasenvergleichsschaltung mit dem von Sender kommenden Burst oder Farbsynchronsignal getriggert wird.

Im Chromasignal ist der Burst enthalten und wird vom Sandcastlesignal durch eine Auftastschaltung herausgefiltert. Der Sandcastle ist ein im Horizontalimpuls-IC für jede Zeile zwischen der vorderen und hinteren Schwarzschulter speziell generiertes Signal. Mit ihm wird in einer Koinzidenzschaltung, einem UND-Gatter entsprechend, der Burst vom Chromasignal getrennt und anschließend verstärkt.

Burstauftastung

Im Sendesignal ist die Amplitude des Burst genormt und beträgt 25% der HF-Sendeamplitude. Nach der Gleichrichtung des aufgetasteten Burstsignals und anschließender Integration durch einen Tiefpass mit großer Zeitkonstante wird die ACC-Regelspannung (automatic color control) für den Chromaverstärker gewonnen.

Da der Burst seine Phasenlage mit jeder Zeile zwischen 135° und 225° entsprechend der 180°-Umschaltung der V-Komponente im Chromasignal wechselt, kann der Referenzoszillator nicht direkt mit dem Burst, sondern nur mithilfe eines Phasenvergleichs in einem Regelkreis getriggert werden. Der aufgetastete Burst wird als Sollwert dem Primärkreis einer Phasenvergleichsstufe zugeführt. Sekundär liegt als Istwert das Farbhilfsträgersignal des Referenzoszillators an. Am Schaltungsausgang stellt sich für den Oszillator eine Nachstimmspannung ein.

Gewinnung der Regelspannung für den Referenzoszillator

Die Phasenvergleichsschaltung auch Phasendiskriminator genannt, gleicht in seiner Arbeitsweise dem Ratiodetektor oder Verhältnisdiskriminator, der bei der FM-Demodulation beschrieben wurde. Die Burst-Schwingungspakete liegen als Sollwert an der Primärseite des symmetrischen Übertragers. Sie induzieren auf die Sekundärseite wegen des zur Masse liegenden Mittelpunkts zwei gleiche zueinander invertierte Spannungen der Burst-Schwingungen. Das 4,43 MHz Referenzsignal liegt als Istwert zwischen beiden Dioden an. Eingespeist wird es mit einer konstanten Phasenverschiebung von φ = 90° bezogen auf den FHT-Oszillator.

Bei fehlendem Burst laden sich die beiden Kondensatoren durch die Referenzspannung auf. Die positiven Halbwellen steuern die Diode RD1 auf und die negativen Halbwellen die Diode RD2. Am Punkt A ist eine positive und am Punkt B eine gleich große negative Richtspannung messbar. Am Summenpunkt C heben sich beide Spannungen gegenseitig auf.

Phasendiskriminator

Erstellt man die Zeigerdiagramme der Spannungen an den beiden Dioden, so ist die wechselnde Polarität der Burstspannungen durch den Übertrager zu beachten. Das Zeitdiagramm zeigt die durch den Burst beeinflusste Richtspannung in den Punkten A und B. Im Summenpunkt C ergeben sich für den synchronisierten Zustand gleich große positive und negative Pulse. Der nachgeschaltete Tiefpass integriert sie zur Nachstimmspannung für den Referenzoszillator, die in diesem Fall 0 V beträgt.

Hat der FHT-Oszillator eine abweichende Phasenlage, dann sind die Spannungspulse U für NTSC- oder U' für PAL unterschiedlich. Am Summenpunkt C werden die positiven Pulse größer und die negativen Pulse kleiner oder umgekehrt. Der Tiefpass bildet daraus eine positive oder negative Nachstimmspannung, die den FHT-Oszillator in die richtige Richtung nachzieht.

Der FHT-Referenzoszillator

Die folgende Schaltung zeigt einen 4,43 MHz Quarz-Referenzoszillator in einer nicht integrierten Standardvariante. Der Eingangstransistor arbeitet als Regelspannungsverstärker. Seine Kollektorgleichspannung steuert die Varicap (Vc), die vom Spannungsteiler an der Kathode im Sperrzustand gehalten wird. Der Quarz wirkt als Induktivität in einer Colpitts-Oszillatorschaltung. Der Ausgangstransistor arbeitet in einer sogenannten Zwischenbasis- oder ECO-Schaltung. Die Auskopplung des FHT erfolgt am Emitterwiderstand. Der Fang- und Haltebereich des Quarzoszillators liegt bei ±500 Hz.

FHT-Quarzoszillator

Im Chromasignal liegt das FU-Signal mit dem Farbträger in der Phasenlage 0° und das FV-Signal mit 90° moduliert vor. Im PAL-System wird zusätzlich das FV-Signal von Zeile zu Zeile um φ = 180° umgeschaltet. Beide Prozesse sind bei der Demodulation zu berücksichtigen.

90°-Phasenverschiebung des FHT-Trägers

FHT-90°-Bandpassfilter

Die erforderliche konstante Phasenverschiebung von 90° in traditioneller Schaltungstechnik für die hohe FTH-Frequenz zu erreichen ist nicht ganz einfach. Zur Demodulation wurden Synchrondemodulatoren verwendet, die der oben dargestellten Phasenvergleichsschaltung entsprechen, nur dass die Dioden und Kondensatoren gegeneinander getauscht sind. Die Primärseite des FU-Demodulators wird als Schwingkreis ausgelegt, ebenso der Sekundärkreis des FV-Demodulators. Beide Demodulatoren werden kapazitiv gekoppelt und bilden einen Bandpass. Durch eine geringfügige Frequenzverstimmung der Schwingkreise erreicht man die erforderliche Phasenverschiebung von φ = 90°. Das Bild zeigt das Prinzip für diesen Bandpass und das Zeitdiagramm als Simulationsergebnis.

Denkbar ist auch die Verwendung einer Phasenschiebebrücke, wobei der aktive Allpassfilter den Vorzug hat, da hier sowohl das Eingangs- als auch Ausgangssignal auf Masse bezogen ist. Problematisch ist die im Vergleich zu Transistoren niedrige Transitfrequenz des OPV. Ein unverzerrter sinusförmiger FHT kommt ohne einen nachfolgenden Schwingkreis nicht aus. Zum Einsatz von Koinzidenz-(Schalt)-Demodulatoren reicht das Bandbreiten-Verstärkungsprodukt des OPV zum Erzeugen der FHT-Rechteckschwingung nicht aus.

In der integrierten Schaltungstechnik findet man bei den externen Schaltkomponenten der ICs fast keine LC-Filter, die zudem den Nachteil einer geringeren Langzeitstabilität hinsichtlich des Frequenzverhaltens haben. In einem verbesserten Verfahren erzeugt man mit einem Quarzoszillator die doppelte FHT-Frequenz, die ebenfalls vom Burst in einer Phasenregelschleife getriggert wird. Die Skizze zeigt eine gleichwertige Schaltungsvariante, die mit identischen Frequenzteilern arbeitet, die beide von der fallenden Taktflanke gesteuert werden.

FHT-90°-Flipflop

Zwischen Generator und Begrenzerverstärker wird eine Phasenumkehrstufe mit einem Transistor benötigt. Ein Begrenzerverstärker formt daraus Rechtecksignale, die von zwei Frequenzteilern auf die FHT-Frequenz herab geteilt werden. Das Ergebnis sind zwei um genau 90° zueinanderstehende FHT-Frequenzen, die ohne weiteren Abgleich phasenstarr bleiben. Als Rechtecksignale steuern sie zwei Schaltdemodulatoren.

PAL-Synchronisation

Am Ausgang des PAL-Laufzeitdecoders ist das FV-Signal noch mit dem zeilenfrequenten Polaritätswechsel versehen. In der nicht geschalteten Zeile weist das +FV-Signal die 90° Originalphasenlage und in der geschalteten PAL-Zeile mit dem −FV-Signal den Phasenwinkel 270° auf. Der PAL-Schalter macht den Polaritätswechsel vor der Demodulation rückgängig und muss entsprechend vom Burst getriggert werden.

Am Summenpunkt C des Phasendiskriminators steht ein von der Burstphase gesteuertes periodisches Signal mit halber Zeilenfrequenz zur Verfügung. Diese Burst-, auch PAL-Kennimpulse werden verstärkt und triggern meistens noch einen 7,8 kHz Oszillator. Er dient als Ausgleich bei eventuell auftretenden Störimpulsen und beim fehlenden Burstsignal während der Vertikalsynchronimpulse.

Die eigentlichen PAL-Schaltimpulse werden von einer bistabilen Kippstufe, dem PAL-Flipflop generiert. Nur diese Schaltungen liefern Impulse mit den notwendigen steilen Flanken. Das PAL-Flipflop wird nicht direkt von den PAL-Kennimpulsen, sondern zusätzlich von den Zeilensynchronimpulsen gesteuert. Diese Doppelsteuerung verhindert eine Fehlsynchronisation im Störfall, der sich nur für maximal eine Zeile auswirken kann. Die Skizze zeigt eine PAL-Flipflop-Schaltung mit Doppelsteuerung und den Schaltpulsen am Ausgang.

PAL-Flipflop mit Transistoren

Zum Zeitpunkt t0 soll der Transistor K2 gesperrt sein. Er hält mit seinem Kollektorpotenzial den Transistor K3 über dessen Basisvorwiderstand leitend. Im Zeitabschnitt t0 bis t1 ist der Transistor K1 leitend, denn er erhält entweder vom 7,8 kHz Oszillator die positive Halbwelle oder den positiven 'NTSC-Puls' des Phasendiskriminators. Der Transistor K2 bleibt gesperrt und an seiner Basis eintreffende Störimpulse werden vom Transistor K1 nach Masse geleitet. Das Ausgangspotenzial an 1 ist hoch.

Ab dem Zeitpunkt t1 ist der Transistor K1 gesperrt. Der Horizontalpuls gelangt an die Basis des Transistors K2, der jetzt leitend wird und dem Transistor K3 die Basisvorspannung nimmt. Das Flipflop schaltet um und das Ausgangspotenzial an 2 ist hoch. Die Kondensatoren parallel zu den Basisvorwiderständen beschleunigen das Umschalten.

Nach dem Zeitpunkt t2 ist das Flipflop erneut umgeschaltet. Der Transistor K1 leitet und sperrt K2. Zudem steuert der Horizontalpuls den Transistor K3 leitend und hält dadurch K2 gesperrt. Bis zum Zeitpunkt t3 bleibt K1 leitend und verhindert ein vorzeitiges Schalten. Der Schaltpunkt t3 ist mit dem von t1 identisch, ebenso t4 mit t0.

Die Ausgangssignale des PAL-Flipflops haben die halbe Zeilenfrequenz und sind zueinander invertiert. Sie schalten entweder den Farbhilfsträger für den V-Demodulator von 90° auf 270° oder invertieren die −V-Komponente zur phasenrichtigen Demodulation. Vorteilhafter ist die FHT-Umschaltung, da es sich hierbei um eine einheitliche Frequenz und nicht um ein breitbandiges Signal handelt.

Farbabschalter - Colorkiller

Der Farbart- oder Chromasignalverstärker ist ein geregelter Verstärker, (ACC, Automatic Color Control). Er gleicht Schwankungen der Empfangsfeldstärke mit einem großen Regelbereich von rund 15 dB aus. Normalerweise wird das Prinzip der Abwärtsregelung angewendet. Im Leerlauf oder sehr geringer Eingangsamplitude wird die maximale Verstärkung erreicht.

Das Farbidentifikationssignal ist der Burst, der in der Anfangszeit vom Sender auch nur bei Farbsendungen gesendet wurde. Bei Schwarz-Weiß-Sendungen fehlte er. Dieser Unterschied wird schon lange nicht mehr gemacht und der Burst wird immer gesendet. Seine Amplitude hat den mit 25% der HF-Senderamplitude einen genormten Wert und ist damit ein Kriterium für ein unverrauschtes Farbsignal. Eine weitere Voraussetzung zur Farbsignalverarbeitung im Empfänger ist das FHT-Signal. Fehlt eine der Voraussetzungen, dann kommt es bei Schwarz-Weiß-Sendungen wegen der maximalen Verstärkung im Chromakreis zu farbigen Bildstörungen. Bei Farbsendungen mit zu geringer Empfangsfeldstärke ist ebenso wie bei einem Fehler im Referenzoszillatorkreis keine einwandfreie Demodulation mehr möglich. Im Bild treten Farbrauschen oder Farbverfälschungen auf.

Mit der Hilfsstufe des Farbabschalters, auch Colorkiller genannt, wird im Fehlerfall der Chromaverstärker abgeschaltet, sodass der Empfang eines ungestörten Schwarz-Weiß-Bilds gegeben ist. Der Colorkiller sollte eine Schalthysterese aufweisen, damit er nicht bei jeder kleinen Schwankung am Umschaltpunkt aktiviert wird. Es eignet sich eine Schmitt-Triggerschaltung mit Transistoren oder in integrierter Technik ein Komparator mit Schalthysterese.

Demodulation der U- und V-Signale

Die von der PAL-Laufzeitleitung getrennten noch modulierten Farbkomponenten U und dem zeilenweise geschalteten ±V werden mit den phasenrichtigen FHT-Signalen durch Schaltdemodulatoren oder Synchrondemodulatoren zu den Farbdifferenzsignalen (B−Y) und (R−Y) demoduliert. Das vereinfachte Blockschaltbild zeigt das Zusammenwirken der wichtigsten Baugruppen in der Verarbeitung der Chromasignale.

Blockdiagramm der PAL-Chromademodulation

Rückgewinnung des (G−Y)-Signals

Im Chromasignal sind beide Komponenten in ihrer Amplitude unterschiedlich reduziert. Im Sender wurde vor der Modulation das U-Signal mit dem Faktor 0,493 und das V-Signal mit dem Faktor 0,877 reduziert. Das FV-Signal ist somit um den Faktor 1,78 größer als das FU-Signal, ebenso die daraus folgenden Signale. Im Abschnitt FBAS-Normwerte der Farbbalkentestbilder sind weitere Informationen zu finden. Die Entzerrung kann an unterschiedlicher Stelle erfolgen, muss aber vor Rückgewinnung des Gründifferenzsignals vollzogen sein. Bleibt die Amplitude des kleineren (B−Y)-Signals unverändert, so muss (R−Y) linear um den Faktor 0,562 reduziert werden. Das Verstärken des (B−Y)-Signals ist nicht so gut, da gleichzeitig der Grundrauschpegel mit verstärkt wird.

Zwischen den drei Farbdifferenzsignalen besteht ein fester mathematischer Zusammenhang, der ausführlich im Abschnitt der Farbdifferenzsignale in der Sendertechnik hergeleitet wurde. Das noch fehlende (G−Y)-Signal gehorcht der Formel:

(G−Y) = −0,51 · (R−Y) − 0,19 · (B−Y)

Das (G−Y)-Signal gewinnt man durch die Addition der invertierten Amplituden der beiden anderen Farbdifferenzsignale und an einer angepassten linearen Widerstandsmatrix.

Gewinnung der R, G, B Farbsignale

Die drei aufbereiteten Farbdifferenzsignale werden mit dem Y-Luminanzsignal addiert und generieren so die R G B Signale. Sie steuern die Verstärker der Farbendstufen an. Die Skizze zeigt die Blockschaltung und die Signalpegel für das 100%-EBU-Farbbalkentestbild.

Blockdiagramm zur RGB-Matrix