Informations- und Kommunikationstechnik

Senderseitige PAL-Farbfernsehtechnik

Unter diesem Titel werden die Verfahrensprinzipien der senderseitigen Farbfernsehtechnik nach dem europäischen PAL-System beschrieben. Es wird die analoge Bildaufbereitung behandelt, ohne auf spezielle Schaltungstechniken einzugehen. Ein hiervon getrennter Abschnitt befasst sich mit dem analogen Farbfernsehempfang und der Bildaufbereitung zur Rückgewinnung der RGB-Signale.

Das RGB-Farbmodell

Wir sehen unsere Umwelt in Farbe, konnten aber zu Beginn der Fernsehtechnik nur Graustufenbilder wiedergeben. Mit der technischen Weiterentwicklung ist auch die Farbwiedergabe möglich geworden. Farbe kann in die Komponenten Leuchtdichte und Farbart aufgeteilt werden. Mit der Leuchtdichte oder Luminanz stellen schwarzweiss Fernseher die Bilder dar. Die Leuchtdichte ist die wahrgenommene Helligkeit einer selbststrahlenden Lichtquelle oder die reflektierte Helligkeit eines beleuchteten Objekts. Die Leuchtquelle kann dabei selbst farbig oder unbunt sein.

Farbkomponenten

Die zweite Komponente der Farbe ist die Farbart oder Chrominanz. Sie ergibt sich aus dem Farbton und einem Intensitätswert. Der Farbton wird von der Wellenlänge des Lichts aus dem für uns sichtbaren Spektrum der elektromagnetischen Wellen bestimmt. Die Gesamt- oder Totalintensität errechnet sich additiv aus der Farbintensität und einer Weißintensität. Die reine Spektralfarbe hat ohne Weißanteil ihre maximale Farbintensität oder Farbsättigung. Die gleiche Spektralfarbe mit hohem Weißanteil wird als Pastellfarbe oder nach Weiß entsättigte Farbe bezeichnet. Wird die Farbintensität der Spektralfarbe beispielsweise durch eine Blendenoptik kontinuierlich verringert, so geht die Farbwahrnehmung verloren. Ihre Leuchtkraft nimmt in Richtung Schwarz hin ab. Die Intensität, mit der wir eine Spektralfarbe sehen, errechnet sich aus dem Produkt der Sättigung und der Totalintensität.

Das Farbfernsehen beruht auf der Dreifarbentheorie. Jede sichtbare Farbe lässt sich durch additive Farbmischung aus drei Primärfarben erzeugen. Keine der Primärfarben kann durch Mischen der beiden anderen gebildet werden. Die additive Farbmischung zweier Primärfarben ergibt die Komplementärfarbe zur dritten Primärfarbe. Alle drei Primärfarben mit maximaler Farbintensität addiert ergeben weißes Licht. Beim gleichwertigen Verringern der Intensität der drei Primärfarben werden alle Graustufen bis zum Endwert Schwarz durchlaufen. Für das Farbfernsehen wurden von der internationalen Beleuchtungskommission IBK die folgenden Primärfarben festgelegt. Sie entsprechen dem reellen CIE-RGB-Farbraum.

Rot: 700 nm     Grün: 546 nm     Blau: 436 nm

Weißes Licht wird durch ein Prisma in ein Spektralfarbband zerlegt, das man sich zusammengebogen als Farbkreis vorstellen kann. Dabei entsteht ein Übergang von Rot nach Blau mit den Purpurfarben, die in den natürlichen Spektralfarben nicht vorkommen. Ebenso treten die uns bekannten Braunfarbtöne dort nicht auf.

Farbkreis

Auf dem Kreisrand liegen die Spektralfarben mit ihrer maximalen Farbintensität und werden als gesättigte Farben bezeichnet. Die Sättigung ist das Verhältnis der Farbigkeit zur Helligkeit. Der Kreismittelpunkt stellt die nach Weiß hin entsättigten reinen Farben (Pastellfarben) dar. Der Farbton ist durch den zur Bezugsachse gemessenen Zeigerwinkel φ festgelegt. Das menschliche Auge kann (nur) bis zu 130 verschiedene Farbsättigungen unterscheiden ist aber hinsichtlich des Farbtons wesentlich empfindlicher.

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Die Grautreppe und der R G B - Farbauszug

Bei der Einführung der Fernsehtechnik gab es nur Schwarz-Weiß-Fernsehen mit Bildern in Graustufendarstellung. Das später entwickelte Farbfernsehen sollte dazu abwärts kompatibel sein. Ein SW-Fernseher muss eine Farbfernsehsendung in Graustufen wiedergeben und ein Farbfernseher sollte weiterhin die Graustufendarstellung herkömmlicher SW-Filme beherrschen. Es wurden mehrere Normen entwickelt. Amerika führte das NTSC-Verfahren ein. Deutschland baute darauf auf und verbesserte es zum PAL-Verfahren. Frankreich lieferte mit SECAM eine eigenständige Neuentwicklung, die von vielen östlichen Ländern übernommen wurde.

dichroitisches Prisma

In der Farbkamera befinden sich drei Aufnahmeröhren oder modernere CCD-Bildsensoren für die Farbauszüge Rot, Grün und Blau. Das Licht des Aufnahmeobjektes durchläuft dichroitische Prismen. An seinen verschiedenen Ebenen reflektiert diese Prismeneinheit das Licht und trennt es in rotes und blaues Licht, wobei grün direkt passiert.

Die drei Bildwandler liefern nach dem Auslesen der Speicherzellen die drei Farbauszüge der Bildvorlage als elektrische Spannungswerte UR, UG und UB. Bei den definierten Wellenlängen der R-, G-, B-Spektralfarben erzeugt die Farbkamera nach einem vorangegangenen Weißabgleich dann 100% der Ausgangsspannung.

Das Leuchtdichte- oder Helligkeitssignal entspricht Spannungswerten, die eine SW-Kamera von diesem farbigen Bild erstellt, wobei Weiß ebenfalls zur Ausgangsspannung mit 100% führt. Mit drei Spektralfarben aus R, G und B kann additiv das Farbspektrum erstellt werden. Unsere Augen haben für R, G und B unterschiedliche Rezeptoren, deren Empfindlichkeiten voneinander abweichend sind. Für an helles Licht angepasste Augen wurde in vielen Versuchsreihen eine relative Empfindlichkeitskurve erstellt. Das Bild stellt diesen Kurvenverlauf im sichtbaren Lichtspektrum nach und zeigt die Lage der drei Leuchtstoffe (Luminophore) oder Farbfilter, die in den Geräten zur Erkennung der Primärfarben und Farbbildwiedergabe verwendet werden.

Farbempfindlichkeit

Die Wellenlängen der Leuchtstoffe und die Werte der relativen Helligkeitsempfindungen entstammen dem Fachbuch Farbfernsehtechnik 1 der AEG-Telefunken 1969. Die Kompatibilität zwischen Schwarz-Weiß- und Farbfernsehen ist dann erreicht, wenn zusätzlich zu den R-, G-, B-Signalen ein Leuchtdichtesignal Y gesendet wird. Bei einer reinen Weißfläche müssen alle vier Signalspannungen den genormten 1 V Spannungswert annehmen, womit der Weißabgleich erfüllt ist.

UR max = UG max = UB max = UY max = 1

Die oben angegebenen Spektralfarben erzeugen in additiver Farbmischung weißes Licht mit dem Helligkeitsempfinden I = 1. Unsere Augen empfinden den empirisch ermittelten gleichen Wert für die Bezugsfarbe Grün mit λ = 555 nm. Im folgenden mathematischen Zusammenhang zwischen der Leuchtdichte und den R-, G-, B-Farbanteilen wird mit den Faktoren r, g, b das voneinander abweichende Helligkeitsempfinden erfasst. Da bei unbunten Bildern die Intensitäts- und somit die Spannungswerte der Bildwandler gleich sind, muss die Summe der Faktoren r + g + b = 1 sein.

Luminanzgleichung

Der Wert der Leuchtdichte entspricht dem der Graustufe jeder einzelnen Farbe. Die Teilspannungen entstehen in der Farbkamera an einer darauf abgestimmten Widerstandsmatrix. Die Bildwandler liefern bei Aufnahme einer Weißfläche für die R-, G-, B-Spektralfarben den Spannungswert 1. Dieser Wert errechnet sich auch mithilfe der Luminanzgleichung. Bei einer Farbfläche in einer der drei Grundfarben gibt nur der entsprechende Bildwandler den Spannungswert 1 ab, während die Spannungen der anderen beiden null ist. Der Luminanzwert entspricht dann dem Faktor der Primärfarbe, also bei Rot = 0,3 V, bei Grün = 0,59 V oder bei Blau = 0,11 V. Im bekannten Farbbalkentestbild kann jedem einzelnen Farbbalken unter Anwendung der oben stehenden Gleichung ein Spannungswert auf der Grautreppe zugeordnet werden. Für die absoluten Spannungswerte ist noch zu berücksichtigen, dass die genormte Bildamplitude nicht 1 V, sondern maximal nur 700 mV beträgt.

Grautreppe und RGB-Signale

Links zeigt die Grafik alle Faktorwerte des Y-Signals in der Grautreppe. In der rechten Grafik werden die Farbanteile in der Grautreppe dargestellt. Die reinen Farbsignale für das normierte Farbbalkentestbild stellen sich im Zeitdiagramm als symmetrische Rechtecksignale dar. Es ist deutlich zu erkennen, dass Magenta (Purpur) aus Rot und Blau gebildet wird. Weiß setzt sich zu jeweils 100% und Schwarz zu je 0% der drei Farben zusammen. Beide werden als unbunt bezeichnet und gehören nicht zum Farbsignal. Werden alle Farbintensitäten mit gleichem Faktor verringert, bleibt im Helligkeitssignal der unbunte Charakter bestehen, wobei alle Graustufen durchlaufen werden. Für die Mischfarbbalken zeigen sich andere Farbeindrücke.

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Die Farbdifferenzsignale

Aufgrund der anfangs geforderten Kompatibilität ist es notwendig sowohl das Helligkeitssignal als auch die Farbinformationen dem Sendesignal so zuzuordnen, dass sie sich nicht gegenseitig beeinflussen. Im Empfänger müssen sich die Signalarten eindeutig wiedergewinnen lassen, wobei der SW-Fernseher nur das Luminanzsignal nutzt. In Anlehnung an die Erfahrungen mit Stereo-Rundfunk, wo der linke und rechte Tonkanal als Differenzsignal mit dem Monosignal codiert wurde, verwendet die Farbfernsehtechnik ebenfalls Differenzsignale. Vor dem Senden werden drei Farbdifferenzsignale gebildet, wobei die Primärfarbwerte um den Luminanzwert verringert werden. Das Y-Signal, dargestellt als Summe der drei Farbanteile, wird elektronisch invertiert und somit mathematisch negiert und zum jeweiligen hundert prozentigen Farbsignal hinzu addiert.

Berechnung der Farbdifferenzsignale

Auf die Primärfarben bezogen ist im Rotdifferenzsignal (R − Y) der Rotanteil mit 0,7 groß. Im Blaudifferenzsignal (B − Y) ist der Blauanteil mit 0,89 ebenfalls sehr groß. Im Vergleich dazu ist der Grünanteil im Differenzsignal (G − Y) mit 0,41 klein. Bei einer gleich angenommenen Rauschkomponente aller Signalwege ist das Signal-Rauschverhältnis für (G − Y) am schlechtesten. Bei gleichzeitiger Übertragung der Signale Y, (R − Y) und (B − Y) kann auf das qualitativ schlechtere Gründifferenzsignal verzichtet werden. Die folgende Rechnung zeigt, wie es sich aus den drei verbleibenden Signalen zurückgewinnen lässt. Im Empfangsgerät wird an einer einfachen Widerstandsmatrix nach dem Invertieren der beiden Farbdifferenzsignale und dem Y-Signal das fehlende Gründifferenzsignal regeneriert.

Berechnung zur (G-Y)-Gewinnung

Für das Farbbalkentestbild lassen sich tabellarisch die Werte maximaler Intensitäten angeben und in einem rechtwinkligen Koordinatensystem eintragen. Das Blaudifferenzsignal bildet die Bezugsachse, auf der die Achse des Rotdifferenzsignals senkrecht steht.

Farbdifferenzzeiger und Normwerte
Farbe R G B Y R−Y B−Y
Weiß 1 1 1 1 0 0
Gelb 1 1 0 0,89 +0,11 -0,89
Cyan 0 1 1 0,70 −0,70 +0,30
Grün 0 1 0 0,59 −0,59 −0,59
Magenta 1 0 1 0,41 +0,59 +0,59
Rot 1 0 0 0,30 +0,70 −0,30
Blau 0 0 1 0,11 −0,11 +0,89
Schwarz 0 0 0 0 0 0

Im Koordinatenursprung liegt Schwarz. Dort hat sowohl die Farbintensität aller Farben wie auch die Leuchtdichte den Wert null. Die Außenpunkte der sechs Farbstrahlen geben den Wert der maximalen Farbintensität an, der um die Leuchtdichte, der Weißintensität vermindert ist. Wie schon im Farbkreis weiter oben, so steht auch hier der Winkel eines Farbstrahls gegen die Bezugsachse gemessen für den Farbton. Aus der Länge des Farbstrahls kann bei Kenntnis des Leuchtdichtewerts die Farbintensität ermittelt werden.

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Die Quadratur-Amplitudenmodulation

Am einfachsten wäre es gewesen die R-, G-, B-Signale direkt zu übertragen. In jedem Farbton ist die Helligkeitsinformation mit enthalten, also hätte man unbunte und farbige Bilder senden und empfangen können. Die Bandbreite des Schwarz-Weiß-Fernsehens mit 5 MHz müsste dann auch für jeden Farbkanal gelten, um die Bilder scharf darzustellen. In der Farbfernsehtechnik bietet dieses R-G-B- oder Komponentensignal die höchste Qualität und sollte wo immer möglich auch verwendet werden.

Mit der geforderten Abwärtskompatibilität ist man an die Bandbreite von 5 MHz gebunden. Sie wird vom Luminanz- oder Y-Signal genutzt und gewährleistet eine scharfe Bilddarstellung. Mit diesem Y-Bildsignal sind die beiden Farbdifferenzsignale so mitzusenden, dass sie davon wieder eindeutig getrennt werden können. Die Signale müssen vor dem Zusammenführen mit dem Y-Signal moduliert werden, wobei wieder eine Amplitudenmodulation verwendet wird.

In den vielen Jahrzehnten der Analogtechnik konnte man aus einem Frequenzband nur Frequenzgruppen mit Tiefpass-, Hochpass- oder Bandpassfiltern abtrennen aber keine Frequenzverkämmungen trennen. Den modulierten Farbdifferenzsignalen musste innerhalb der 5 MHz ein Frequenzbereich mit geringerer Bandbreite zugewiesen werden.

Unsere Augen können die Farben verschiedenfarbiger Farbstreifen oder Farbpunkte ab einem bestimmten Sehwinkel nicht mehr eindeutig erkennen und nehmen nur noch die Mischfarbe wahr. Mit diesem Betrachtungswinkel kann in Verbindung mit der Bildschirmbreite, dem durchschnittlich optimalen Abstand zum Bildschirm und der Zeitdauer einer Zeile von 52 µs eine Frequenz errechnet werden, bei der die getrennte Farberkennung nicht mehr gegeben ist. Der empirisch ermittelte maximale Wert beträgt 1,8 MHz. Die Frequenz eines Komplementärfarbenpaares ist mit 0,6 MHz viel geringer. Die Bandbreite der amplitudenmodulierten Farbdifferenzsignale sollte mindestens 1,2 MHz betragen.

Zur Amplitudenmodulation wird ein hochfrequentes Trägersignal notwendig, das mit seinen beiden Seitenbändern im Frequenzband des Bildsignals liegt. Beide Farbdifferenzsignale können nicht auf denselben Träger moduliert werden, da dann nach der Demodulation ein nicht trennbares Mischsignal entsteht. Für zwei verschiedene Trägerfrequenzen reichte die bestehende Sendebandbreite nicht aus. Man entschied sich für eine feste Trägerfrequenz in der Originalphasenlage mit 0°, entsprechend einem Sinussignal und erzeugte durch Phasendrehung um 90° daraus das Cosinussignal. Die Amplitudenzeiger der beiden gleichfrequenten Träger stehen somit festverkoppelt um 90° zueinander. Das Verfahren wird als Quadratur-Amplitudenmodulation oder analoge QAM bezeichnet. Es wird ein Modulationsverfahren gewählt, wo im Modulationsprodukt das Trägersignal unterdrückt ist.

Frequenzverkämmung

Die Frequenz des Farbträgers FT muss so gewählt werden, dass sie das Video- oder BAS-Signal so wenig wie möglich stört. Sowohl das BAS-Signal als auch das modulierte Farbartsignal ist zeilen- und bildfrequent. Eine Frequenzanalyse des BAS-Signals zeigt eine Vielzahl von Spektrallinien im Abstand der Zeilenfrequenz. Jede Spektrallinie ist von der Bildinformation moduliert und hat Seitenlinien im Abstand der halben Vertikalfrequenz. Die Amplituden dieser Spektrallinien nehmen zur Mitte der zeilenfrequenten Spektrallinien hin ab. Entsprechendes gilt für das Spektrum der Farbdifferenzsignale. Wenn die FT-Frequenz ein ungeradzahliges Vielfaches der halben Zeilenfrequenz aufweist, schiebt sich ihr Spektrum in die Lücken des BAS-Videospektrums. Es entsteht eine Frequenzverkämmung mit minimaler gegenseitiger Beeinflussung.

Frequenzverkämmung

Für das PAL-Farbfernsehen wird mit einem Präzisionsoffset eine noch genauere Frequenzabstimmung erreicht. Die FT-Frequenz errechnet sich mit n = 283, fZ=15625 Hz und fB = 25 Hz nach der folgenden Beziehung zu:

fFT = (2 · n + 1) · ½ · fZ + ¼ · fZ + fB = 4,43361875 MHz

Modulation der Farbträger

In der Tabelle weiter oben stehen die Amplitudenwerte der Farbdifferenzsignale (B − Y) und (R − Y) errechnet mit maximaler Farb- und Helligkeitsintensität. Das (B − Y)-Farbdifferenzsignal moduliert den Träger in seiner Originalphasenlage. Das (R − Y)-Signal moduliert den um 90° phasengedrehten Träger. Beim angewendeten QAM-Verfahren ist im Modulationsprodukt der Träger unterdrückt. Zusätzlich wird im PAL-System der Träger für das (R − Y)-Signal von Zeile zu Zeile um 180° umgeschaltet (90°, 270°). Als Modulationsprodukte entsteht das FV- und FU-Signal, deren Seitenbänder um einen Winkel von 90° gegeneinander versetzt sind. Beide Modulationsprodukte werden zum modulierten Chromasignal F(C) addiert. Die Seitenbänder haben die Eigenschaft:

Die Darstellung zeigt in vereinfachter Darstellung ohne PAL-Umschaltung die Funktionsblöcke der QAM. Ein Oszillator und eine 90°- Phasendrehstufe erzeugen die beiden Farbträger für die Modulatoren der Farbdifferenzsignale. Die Modulationsprodukte Fv und Fu werden von der anschließenden Addierstufe zum Chromasignal F(C) zusammengeführt.

Blockschaltbild,  QAM zum F-Signal
Bei der Quadraturamplitudenmodulation stehen beide Farbträgersignale senkrecht zueinander ausgerichtet. Im Chrominanzsignal errechnen sich daher die Amplitudenwerte aus der geometrischen Summe der gemeinsamen Differenzsignale. Im Farbkreis dargestellt entspricht das der Zeigerlänge.
Farbartgleichung
Farbe Y B−Y R−Y ±F Y + F Y − F
Weiß 1 0 0 0 1 1
Gelb 0,89 −0,89 +0,11 0,897 1,787 −0.007
Cyan 0,70 +0,30 −0,70 0,762 1,462 −0,062
Grü;n 0,59 −0,59 −0,59 0,834 1,424 −0,244
Magenta 0,41 +0,59 +0,59 0,834 1,244 −0,424
Rot 0,30 −0,30 +0,70 0,762 1,062 −0,462
Blau 0,11 +0,89 −0,11 0,897 1,007 −0,787
Schwarz 0 0 0 0 0 0

Die Tabelle zeigt für das Farbbalkentestbild die Amplituden des Luminanzsignals, der Farbdifferenzsignale und der QAM-modulierten Chrominanz-(Summen)-Signale F. Chrominanz- und Luminanz(BAS)-Signale werden addiert und ergeben die Werte der beiden rechten Tabellenspalten. Das Bild zeigt das BAS-Signal mit dem überlagerten F-Signal. Die vertikale Achse links hat als Einteilung der späteren HF-Bildträgeramplitude mit dem Synchrondach bei 100%, dem Austastpegel bei 75% und dem Weißwert bei 10%. Die vertikale Achse rechts entspricht den Intensitätswerten des Y-Signals und der Farbartsignale mit maximaler Intensität der R-, G-, B-Signale. Dabei hat Schwarz den Wert 0 und Weiß den Wert 1.

FBAS maximal

Wenn das mit dem Chrominanzsignal additiv überlagerte BAS-Signal den Bildträger moduliert, wie es für den abwärts kompatiblen SW-Empfang notwendig ist, entstehen bei fast allen Farben nicht tolerierbare Übermodulationen. Für das BAS-Signal maximaler Leuchtdichte sind 10% unmodulierte Bildträgeramplitude gefordert, die sich mit diesem Chrominanzsignal nicht einhalten lassen.

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Das FBAS-Signal mit den Normwerten der Farbbalkentestbilder

Die Übermodulation tritt bei maximaler Leuchtdichte und Farbintensität auf. Beim BAS-Signal bleibt bei voller Leuchtdichte die notwendige Trägerrestamplitude bestehen. Nur die Amplituden der beiden Farbdifferenzsignale müssen reduziert werden. Die maximale Intensität wird in Bildern und Filmen nur selten erreicht, daher einigte man sich auf eine Übermodulation bis maximal 33% bezogen auf den Spitzenweiß- und Schwarzpegel. Vor der QAM werden beide Farbdifferenzsignale mit unterschiedlichen Reduktionsfaktoren angepasst:

U = (B − Y)red = 0,493 · (B − Y)           V = (R − Y)red = 0,877 · (R − Y)

Das Bild zeigt die Amplitudenverhältnisse mit den reduzierten Farbdifferenzsignalen für das Testbild nach dem European Broadcasting Union Standard, dem EBU-100/100%-Farbalkentestbild. Mathematisch werden die U- und V-Signale geometrisch zum Chromasignal addiert. Der Farbort im Farbkreis wird vom Winkel des Chromazeigers bestimmt. Er errechnet sich aus dem Arcustangens des Quotienten V zu U.

Chromasignal mit reduzierten Signalen

Die Tabelle listet die Spannungswerte des Farbbalkentestbilds für die reduzierten Werten der Farbdifferenzsignale auf. Sie entsprechen dem EBU-100/100% Testbild, das bei maximaler Farbintensität eine Übermodulation von 33% erlaubt.

Farbe Y U 100% V 100% C 100% Y + C Y − C
Weiß 1 0 0 0 1 1
Gelb 0,89 −0,436 +0,097 0,447 1,337 +0.443
Cyan 0,70 +0,147 −0,616 0,633 1,333 +0,067
Grün 0,59 −0,289 −0,519 0,594 1,184 −0,004
Magenta 0,41 +0,289 +0,519 0,594 1,004 −0,184
Rot 0,30 −0,147 +0,616 0,633 0,933 −0,333
Blau 0,11 +0,436 −0,097 0,447 0,557 −0,337
Schwarz 0 0 0 0 0 0
EBU-100/100 FBAS-Signal

Das Bild zeigt das vom HF-Bildträger demodulierte FBAS-Signal (Farb-Bild-Austast- und Synchronsignal) für das oben berechnete 100/100% EBU-Farbbalkentestbild. Das Chromasignal ist noch in QAM moduliert und muss zur weiteren Signalaufbereitung ausgefiltert und dann demoduliert werden. Das Hilfssignal zur Demodulation ist der Burst auf der hinteren Schwarzschulter. Seine genormte Amplitude entspricht 25% der HF-Senderamplitude und ist damit ebenso groß wie der Zeilensynchronimpuls.

Für messtechnische Zwecke und Einstellaufgaben an FFS-Anlagen gibt es das 100/75%-EBU-Normfarbbalkentestbild. Darin bleibt der Spitzenweißwert mit 100% erhalten. Es werden alle Pegel der Farbwerte auf 75% reduziert, wodurch sich auch die Y-Werte der Farbbalken auf 75% im Vergleich zum EBU 100/100% Testbild reduzieren. Diese Maßnahme verhindert die 33% Übermodulation. Chrominanz- und Luminanzamplitude sind direkt vergleichbar, da beide auf dem Pegel des Weißwerts liegen.

Farbe Y U 75% V 75% C 75% Y + C Y − C
Weiß 1 0 0 0 1 1
Gelb 0,66 −0,327 +0,073 0,335 0,995 +0.325
Cyan 0,52 +0,110 −0,462 0,475 0,995 +0,045
Grün 0,44 −0,217 −0,389 0,445 0,885 −0,005
Magenta 0,30 +0,217 +0,389 0,445 0,745 −0,145
Rot 0,22 −0,110 +0,462 0,475 0,695 −0,255
Blau 0,08 +0,327 −0,073 0,335 0,415 −0,255
Schwarz 0 0 0 0 0 0
EBU-100/75 FBAS-Signal

In einem interaktiven Lehrfilm kann der PAL-RGB-Farbkreis selbst erforscht werden. Es lassen sich alle Intensitätswerte der Primärfarben einzeln einstellen. Die Lage des zugehörigen Chromazeigers wird im Farbkreis angezeigt. Parallel kann auch mit identischen Intensitätswerten für R, G und B nur der Luminanzwert Y verstellt werden.

Im Studio- und Senderbetrieb werden mit einem Vektorskop die Chromasignale überprüft. Dieses spezielle Oszilloskop zeigt auf seinem Bildschirm alle Farbzeiger des Farbbalkentestbildes an. Liegen die hell leuchtenden Landepunkte innerhalb ausgewiesener Felder, so entsprechen die Intensitäten und Reduktionsfaktoren der EBU-Norm. Zusätzlich zu den Zeigerlängen und Winkelwerten lassen sich mit dem Vektorskop weitere Normwerte überwachen. Eine interaktive Animation stellt die Farbzeiger im Vektorskop mit den jeweiligen Zeigerlängen und Winkelwerten für das 100/100% und 100/75%-EBU-Farbbalken-Testbild dar. Im Sender wird das Chromasignal zum Y-Signal und den Zeilen- und Bild-Synchronsignalen addiert. Das gesamte Summensignal moduliert in Amplitudenmodulation den hochfrequenten Bildträger.

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Das Farbsynchronsignal – der Burst

Die Modulation der Farbdifferenzsignale zum Chromasignal erfolgt als Zweiseitenbandmodulation, wobei im Modulationsprodukt der Farbträger unterdrückt ist. Eine korrekte Demodulation im Empfänger ist nur in Gegenwart des phasenrichtigen und frequenzgenauen Trägersignals möglich. Der Sender stellt als Referenzsignal den Burst zur Verfügung. Er befindet sich außerhalb der sichtbaren Zeile auf der hinteren Schwarzschulter des FBAS-Signals. Es handelt sich um 10 bis 12 Schwingungen des senderseitigen Farbträgers mit 4,43... MHz. Im Empfangsgerät triggert der Burst einen 4,43 MHz Quarzoszillator, der dadurch synchron zum Farbträger des Senders schwingt.

Im amerikanischen NTSC-System hat der Burst im Farbkreis die genormte Phasenlage von 180°. Beim PAL-Farbfernsehen wird im Sender eine zeilenweise Umschaltung des V-Signals vorgenommen, die im Empfänger wieder rückgängig gemacht werden muss. Damit auch diese Umschaltung vom Burst synchronisiert werden kann, erhält er senderseitig eine weitere Codierung. Der Burst ist in den (B − Y)–Burst mit der festen Phasenlage von 180° und in den geschalteten (R − Y)-Burst aufgeteilt. Diese Komponente schaltet phasengleich mit dem V-Signal von Zeile zu Zeile zwischen ± 90° um. Die (R − Y)-Burstkomponente ist also an der U–Bezugsrichtung mit φ=0° gespiegelt. Es entsteht der geschaltete oder alternierende Burst.

PAL-Burst

Für die Zeile n mit der (V+)-Komponente, auch als NTSC-Zeile bezeichnet, ergibt sich für den Summenburst die Phasenlage zu 180° − 45° = 135°. Für die geschaltete PAL-Zeile (n + 1) mit der (V−)-Komponente hat der Summenburst die Phasenlage 180° + 45° = 225°. Der Summenburst wird der hinteren Schwarzschulter im FBAS-Signal aufgeschaltet. In den Zeilen mit Bildsynchronsignalen wird kein Burst gesendet.

Das Burstsignal wird mit konstanten 25% der HF-Senderamplitude gesendet und entspricht damit dem Zeilensynchronpegel. Im Empfänger verwendet man ihn deshalb zur Regelspannungsgewinnung für den Farbartverstärker. Fehlt der Burst oder ist seine Amplitude zu gering, dann wird der Farbartverstärker abgeschaltet. Der im FFS-Empfangsgerät ausgefilterte Burst synchronisiert den Oszillator des Farbhilfsträgers und den PAL-Umschalter zur korrekten Demodulation des U und V Signals.

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Automatische Phasenfehlerkompensation im PAL-System

Bei der analogen QAM entstehen Farbzeiger mit Phasen- (Farbton)- und Amplituden- (Farbintensität) Komponenten. Zur korrekten Farbbildwiedergabe dürfen zwischen den Farbsignalen keine Phasenverschiebungen auftreten. Sie können auf dem Übertragungsweg oder während der Signalbearbeitung im Gerät entstehen. Das NTSC-Verfahren ist nicht in der Lage solche Phasenfehler auszugleichen. Die Geräte verfügen daher über den sogenannten Tint (Hautton) Einsteller, da wir Farbfehler am ehesten an der Hautfarbe von Personen erkennen. Scherzhafterweise wurde NTSC (National Television System Committee) mit never the same color übersetzt.

Das PAL-System garantiert eine automatische Phasenfehlerkompensation. Man geht davon aus, dass sich die Farbinformation in direkt aufeinanderfolgenden Bildzeilen (1, 3, 5, 7 ... oder 2, 4, 6, 8 ...) nicht wesentlich ändert. Der Phasenfehler wird kompensiert, indem vor der QAM im Sender die V-Komponente des Chromasignals von Zeile zu Zeile entsprechend einer Spiegelung an der U-Bezugsachse umgeschaltet wird. Die (V+)-Zeile, als NTSC-Zeile bezeichnet, wird in ihrer Ursprungslage moduliert. In der Folgezeile wird vor der Modulation das Trägersignal umgeschaltet. Diese in (V−)-Richtung geschaltete Zeile nennt man PAL-Zeile.

Ein auftretender Phasenfehler, im Bild sind +20° dargestellt, wirkt gleichermaßen auf beide Zeilen. Im Empfänger wird die (V−)-Komponente zurückgeschaltet, also wieder an der U-Bezugsachse gespiegelt. Dadurch erhält der F'-Zeiger eine Phasenlage von −20° gegenüber dem ehemaligen Farbzeiger. In der geometrischen Addition beider Zeiger heben sich die jetzt entgegengesetzten Phasenfehlern auf und der Farbzeiger behält seine Originalphasenlage.

Winkelfehlerkompensation

Beim Fehlen eines Phasenfehlers hat der Summenzeiger F die doppelte Länge. Der Spannungswert wird durch einen 1:1 ohmschen Spannungsteiler halbiert. Mit einem Phasenfehler ist der Summenzeiger etwas verkürzt. Im PAL-System bleibt der Originalfarbton erhalten, nur die Farbintensität kann sich verringern. Das menschliche Auge ist für Farbtonänderungen viel empfindlicher als für Farbintensitätsänderungen.

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Blockschaltbild eines FFS-Senders

Das von der Kamera aufgenommene Bild wird mithilfe dichroitischer Prismen oder Spiegel und durch drei Primärfarbfilter definierter Wellenlängen in die Farbauszüge für Rot, Grün und Blau zerlegt. Nach dem Weißabgleich liefert die Kamera bei maximaler Farbintensität dieser Primärfarben den Spannungswert 1 Volt. Die Bandbreite des Quellen- oder Komponentensignals beträgt 0 ... 5 MHz.

In einer Matrixschaltung wird das Luminanzsignal gebildet, das bei R = G = B = 1 V den Wert Y = 1 für Spitzenweiß hat. Das Y-Signal wird zusätzlich zu −Y invertiert. In zwei getrennten Additionsstufen werden aus der R- und B-Komponente mit der −Y-Komponente die Farbdifferenzsignale erzeugt und mit unterschiedlichen Reduktionsfaktoren versehen. An den Ausgängen stehen die reduzierten (R − Y)- und (B − Y)-Signale bereit.

PAL-Senderblock

Die beiden reduzierten Farbdifferenzsignale modulieren in getrennten Modulatoren die Amplitude des Farbträgers. Der Farbhilfsträger mit FHT = 4,43... MHz steht in Verbindung zum Horizontal- und Vertikalsynchronsignal. Der FHT wird in einer Phasendrehstufe um φ = 90° fest mit der Originalphasenlage φ = 0° verkoppelt. Der Sinusträger wird vom (B − Y)-Signal moduliert, wobei der Träger unterdrückt wird. Am Modulatorausgang steht das U-Signal.

Da beide Farbdifferenzsignale dieselbe Trägerfrequenz modulieren, muss zur späteren eindeutigen Trennung die (R − Y)-Komponente den Cosinusträger modulieren. Zusätzlich findet beim PAL-System zur Modulation der (R − Y)-Komponente eine zeilenweise Umschaltung um φ=180° statt. Diese Umschaltung wird vom PAL-Schalter, einer bistabilen Kippstufe vorgenommen. Am Ausgang des PAL-Schalters, der mit der halben Horizontalfrequenz synchronisiert wird, liegt der Cosinus-FHT mit der Phasenlage φ = ±90° vor. Der zeilenweise geschaltete FHT wird vom (R − Y)-Signal in der Amplitude moduliert, wobei der Träger unterdrückt wird. Am Modulatorausgang steht das ±V-Signal.

Die U- und V-Signale werden zum quadraturamplitudenmodulierten QAM-Chromasignal addiert. Dieses wird in einer weiteren Additionsstufe mit dem Luminanzsignal und den Synchronsignalen zum FBAS-Signal zusammengebracht. Auf der hinteren Schwarzschulter ist der geschaltete Burst, das Farbsynchronsignal platziert. Der Burstgenerator erstellt ihn aus den Komponenten des um φ = 180° gedrehten Sinus-FHTs, des um φ = 90° gedrehten FHTs und dann zeilenweise umgeschalteten Cosinus-Trägers. Er wird von Zeilensynchronsignal aufgeschaltet und während der Bildsynchronsignale abgeschaltet.

Das komplette FBAS-Signal wird in der Senderstufe mit dem aufbereiteten Ton auf die entsprechenden Senderträger moduliert, zusammengeführt und im zugewiesenen Kanalraster gesendet. Auf der Seite zum SW-Fernsehen ist ein etwas ausführlicheres Blockschaltbild des FS-Senders mit Zwischenfrequenzverfahren beschrieben.