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Farbübertragung im PAL-System


Es soll hier gezeigt werden, wie die Farberzeugung und -übertragung beim deutschen Fernsehen der PAL-Norm funktionierte. Wer weitergehendes Wissen sucht, z. B. wie das schaltungstechnisch gelöst wurde, sollte sich nach enstprechender Fachliteratur umsehen.



Farberzeugung einer Bildröhre

Die sogenannte Kathodenstrahlröhre bei Fernsehern und Monitoren erzeugt immer drei Farben: Rot, Grün und Blau - die drei Grundfarben, auch RGB genannt. Dazu benötigt man bei der Bildröhre drei Elektronenstrahlen, die von der Kathode ausgehen und sich in Richtung des Leuchtschirmes bewegen.

Da die Elektronenstrahlen breiter als die Leuchtpunkte auf dem Leuchtschirm sind, befindet sich etwa 20 Millimeter vor dem Leuchtschirm ein dünnes Blech mit einem Muster kleiner Löcher (Lochmaske) oder Streifen (Streifenmaske). Die kleinen Öffnungen in der Maske sorgen dafür, daß nur der Elektronenstrahl auf denjenigen Farbpunkt des Leuchtschirmes trifft, für den er auch vorgesehen ist. Der Elektronenstrahl für die grüne Farbe trifft z. B. auch nur die grünen Punkte auf dem Leuchtschirm trifft, und nicht etwa die blauen.

Bei Fernsehbildröhren wird meist die Schlitzmaske und bei Monitoren die Lochmaske verwendet. Betrachtet man die Bildröhre eines eingeschalteten Fernseher oder Monitors mit einer Lupe, so kann man diese Schlitze oder Punkte in den drei Grundfarben Rot, Grün und Blau sehen. Auch TFT-Bildschirme haben solche Leuchtpunkte, nur werden diese anders erzeugt als bei einer Bildröhre.

Bei der Bildröhre werden immer drei Leuchtpunkte (ein roter, grüner und blauer) zu einem Bildpunkt zusammengefaßt. Jeder dieser drei Leuchtpunkte läßt sich beliebig zwischen Null und maximaler Helligkeit regeln. Da die Leuchtpunkte sehr dicht zusammenliegen, ergibt sich aus normaler Entfernung betrachtet durch Überlagerung eine neue Farbe. Leuchten z. B. nur die roten und die grünen Leuchtpunkte, so sehen wir Gelb, Rot und Blau ergibt Magenta, Grün und Blau ergibt Cyan und alle drei Grundfarben zusammen mit maximaler Helligkeit leuchtend ergeben Weiß. Durch das Regeln der Helligkeit der einzelnen Grundfarben lassen sich alle möglichen Farben erzeugen.


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Die drei Elektronenstrahlen auf einer Bildröhre
Links Schlitzmaske, rechts Lochmaske


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Bei Rot leuchten nur die roten Leuchtpunkte


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Bei Grün leuchten nur die grünen Leuchtpunkte


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Bei Blau leuchten nur die blauen Leuchtpunkte


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Bei Gelb leuchten die roten und die grünen Leuchtpunkte


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Bei Purpur leuchten die roten und die blauen Leuchtpunkte


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Bei Cyan leuchten die grünen und die blauen Leuchtpunkte



Das Helligkeitssignal Y

Leuchtet der rote, grüne und blaue Leuchtpunkt eines Bildpunktes mit genau der gleichen Helligkeit, dann haben wir einen Grauton, also keine Farbe. Beim Schwarzweissfernsehen gab es zunächst nur das Helligkeitssignal (Y), mit dem das Schwarzweissbild erzeugt wurde. Dieses Helligkeitssignal Y gibt den Helligkeitswert einer Farbe an. Wandelt man z. B. ein Bild in Graustufen um, sieht man diese Helligkeitswerte direkt. Man spricht beim Helligkeitssignal auch von der Leuchtdichte oder Luminanz und bezeichnet das Y-Signal als Leuchtdichte- oder Luminanzsignal.

Ein solches Leuchtdichtesignal wird von einer Schwarzweisskamera erzeugt. Dabei wird auch die unterschiedliche Empfindlichkeit des menschlichen Auges berücksichtigt, da z. B. Grün wesentlich heller wargenommen wird als Rot.

Das Leuchtdichtesignal Y wird aus den Werten der drei Grundfarben Rot, Grün und Blau berechnet, und zwar mit folgender Gewichtung:

Y = 0,299 R + 0,587 G + 0,114 B

Man nimmt also von dem Wert für Rot gerundet 30 Prozent, von dem für Grün 59 Prozent und von dem für Blau 11 Prozent und addiert diese Werte zum Leuchtdichtesignal Y. Ein einfaches Beispiel: Rot und Grün haben die maximale Helligkeit, also den Wert 1, und Blau die Helligkeit 0 (Blau ist also nicht vorhanden). Das ergibt ein sattes Gelb. Der Leuchtdichtewert Y ergibt sich zu:

Y = 0,30 Rot + 0,59 Grün + 0 Blau = 0,89

Die folgende Tabelle enthält einige Beispiele für die Grund- und Mischfarben:


Farbe Rot Grün Blau Y
Rot 1,0 0,0 0,0 0,30
Grün 0,0 1,0 0,0 0,59
Blau 0,0 0,0 1,0 0,11
Gelb 1,0 1,0 0,0 0,89
Cyan 0,0 1,0 1,0 0,70
Purpur 1,0 0,0 1,0 0,41
Weiss 1,0 1,0 1,0 1,0
Schwarz 0,0 0,0 0,0 0,0

Die Beispiele in dieser Tabelle waren einfache, wo die Werte der Grundfarben Rot, Grün und Blau maximal waren, also den Wert 1 hatten. Man erhält so eine voll gesättigte Farbe. Oft liegen die Werte für Rot, Grün und Blau aber unter 1. Der Wert Y wird dann genauso berechnet wie oben angegeben.

Dieses Y-Signal wird zusammen mit anderen Signalen und den Ton auf eine Trägerfrequenz moduliert und dann übertragen. Im Empfänger wird es wieder demoduliert und auf die drei Elektronenstrahlen Rot, Grün und Blau der Bildröhre gegeben.



Die Farbwerte

Später mußten beim Farbfernsehen auch die Farbsignale übertragen werden. Man kann natürlich die Werte für die drei Grundfarben Rot, Grün und Blau direkt übertragen, was der beste Weg ist. Nur beträgt die Bandbreite beim Schwarzweissfernsehen 5 MHz und das Farbfernsehen sollte kompatibel zum Schwarzweissfernsehen bleiben, d. h. auch mit Schwarzweissfernsehern sollte man das Farbbild empfangen können, was auf diesen allerdings nur in Schwarzweiss wiedergegeben wird.

So wurde die Übertragung des Leuchtdichtesignals (Y) belassen und zusätzlich zwei Farbdifferenzsignale gebildet:

V = R (Rot) - Y
U = B (Blau) - Y

Die beiden Farbdifferenzsignale bestehen aus dem roten und dem blauen Farbsignal. Man zieht von dem Wert für Rot das Helligkeitssignal Y ab, und macht das gleiche mit dem Wert für Blau. Daher kann man für V und U auch negative Werte erhalten.

Das Farbsignal für Grün wird nicht benötigt, da es sich mit Hilfe des Helligkeitssignals im Empfangsgerät wieder rekonstruieren läßt.

Zunächst müssen noch zwei Begriffe geklärt werden, die oft auftreten: Farbton und Farbsättigung. Ist die Farbsättigung gleich Null, dann haben Rot, Grün und Blau gleiche Werte und man hat wie schon erwähnt einen Grauton. Die Farbsättigung wäre in diesem Fall Null (wie bei allen Grautönen). In der Tabelle oben wurde für Rot, Grün und Blau nur mit Maximalwerten (1) gearbeitet. In diesem Fall ist die Farbsättigung maximal.

Der Farbton ergibt sich aus dem Mischungsverhältnis von Rot, Grün und Blau. Haben z. B. Rot und Grün den Maximalwert 1, und Blau den Wert 0, so haben wir ein voll gesättigtes Gelb. Regelt man jetzt den Wert für Grün herunter, so kann sämtliche Abstufungen von Gelb über Orange bis hin zum Rot erzeugen.

Bei maximaler Leuchtdichte und Farbsättigung kommt es allerdings zu einer Übermodulation. Daher müssen die Amplituden, also die Werte für V und U reduziert werden, was mit bestimmten Faktoren gemacht wird:

V = (R - Y) * 0,877
U = (B - Y) * 0,493

Als Beispiel nochmal die Tabelle von oben mit den Werten für R-Y, B-Y und schließlich V und U:


Farbe R G B Y R-Y B-Y V U
Rot 1,0 0,0 0,0 0,30 0,70 -0,30 0,616 -0,147
Grün 0,0 1,0 0,0 0,59 -0,59 -0,59 -0,519 -0,289
Blau 0,0 0,0 1,0 0,11 -0,11 0,89 0,097 0,436
Gelb 1,0 1,0 0,0 0,89 0,11 -0,89 0,097 -0,436
Cyan 0,0 1,0 1,0 0,70 -0,70 0,30 -0,616 0,147
Purpur 1,0 0,0 1,0 0,41 0,59 0,59 0,519 0,289
Weiss 1,0 1,0 1,0 1,0 0,0 0,0 0,0 0,0
Schwarz 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0



Der Farbkreis

Weißes Sonnenlicht besteht aus den Spektralfarben Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau und Violett. Solch ein Spektrum kann man zur Form eines Kreises biegen, wobei Violett und Rot aneinanderstoßen. Der Übergang von Violett zu Rot ist eine Purpurfarbe, die aber im natürlichen Spektrum nicht vorkommt. Zum Mittelpunkt des Kreises hin werden die Farben immer blasser, die Farbsättigung wird hier geringer. Der Mittelpunkt selbst besitzt keine Farbe mehr - er ist weiß.


farbkreis1.jpg

Der Farbkreis


Man kann die Werte für V und U in ein Diagramm einzeichnen, bei dem auf der senkrechten Achse der Wert V und auf der waagerechten Achse der Wert U angeordnet ist. Auf der linken Seite sind die U-Werte negativ, auf der rechten Seite positiv. Die V-Werte sind oben positiv und unten negativ. Das Ergebnis ist ein Achsenkreuz, bei dem der Mittelpunkt für U und V den Wert 0 besitzt.

Dieses Achsenkreuz wird jetzt so auf den Farbkreis gelegt, daß die Werte stimmen. Ein voll gesättigtes Rot hat z. B. die Werte V = 0,616 und U = -0,147 und ein voll gesättigtes Purpur die Werte V = 0,519 und U = 0,289.


farbkreis2.jpg

Farbkreis mit Achsenkreuz für V und U


Zieht man zwischen irgendeinem Wert für V und U eine Gerade zum Mittelpunkt des Diagramms, so erhält man den Farbzeiger. Der Winkel dieses Farbzeigers kennzeichnet den Farbton und seine Länge die Farbsättigung. Im folgenden Bild ein Beispiel für Purpur:


farbkreis3.jpg

Der Farbkreis mit Farbzeiger für Purpur




Phasenfehlerkompensation im PAL-System

Beim Sender wird das Farbdifferenzsignal für Rot, also das V-Signal, in jeder 2. Zeile um 180 phasenverschoben, also umgepolt. Dies muß im Empfänger wieder rückgängig gemacht werden, was durch einen automatischen Umschalter geschieht. Wozu aber dieser Aufwand?

Kommt es bei der Übertragung zum Empfänger zu Phasenfehlern, würde sich der Farbton ändern. Nehmen wir an, der Farbzeiger befindet sich bei 135 Grad, was Orange entspricht. Während der Übertragung bekommt dieses Signal einen Phasenfehlwinkel von +10 Grad, wodurch sich die Farbe ins Gelbe verschiebt. Nun wird das V-Signal im Empfänger aber in jeder 2. Zeile um 180 Grad umgeschaltet. Da auch der Phasenfehler von +10 Grad umgepolt wird, beträgt er in der 2. Zeile beim Empfänger -10 Grad, wodurch sich die Farbe mehr ins Rot verschiebt. Zwei Zeilen auf der Bildröhre sind bei normalen Betrachtungsabstand mit dem Auge aber nicht zu trennen, wodurch sich die beiden Phasenfehler von +10 Grad in der 1. und -10 Grad in der 2. Zeile komplett aufheben und sich dem Auge die Farbe Orange zeigt. Es tritt lediglich eine etwas blassere Farbe ein, aber der Farbton stimmt.


farbkreis4.jpg

Phasenfehler mit +10 Grad bei der Übertragung


Die Abkürzung PAL bedeutet Phase Alternating Line, also Zeilen-Phasenwechsel.



Die Übertragung der Farbwerte

Nachdem aus den beiden Farbdifferenzsignale R-Y und U-Y die Signale V und U erzeugt wurden, müssen sie zusätzlich zum Leuchtdichte- oder Luminanzsignal Y übertragen werden. Dazu müssen sie genau wie das Y-Signal auf eine Trägerfrequenz moduliert werden, wobei hier die Amplitudenmodulation zum Einsatz kommt. Weil man kompatibel zum Schwarzweissfernsehen bleiben wollte, ist die Bandbreite auf 5 MHz begrenzt.

Die beiden Signale V und U können aber nicht auf eine einzige Trägerfrequenz moduliert werden. Durch die Bandbreitenbegrenzung auf 5 MHz ist aber auch kein Platz für eine zweite Trägerfrequenz. Was kann man hier tun?

Es wurde eine Lösung gefunden: Man erzeugt zweimal exakt die gleiche Trägerfrequenz, wobei die zweite um genau 90 Grad phasenverschoben zur ersten ist. Man spricht auch von der Quadratur-Amplitudenmodulation (QAM). Die Trägerfrequenz selbst liegt bei 4,43 MHz und wird unterdrückt. Sie wird später im Empfänger mit einem Oszillator wieder neu erzeugt.

Das Signal U moduliert die normale Trägerfrequenz - daraus ergibt sich das Signal Fu. Das Signal V moduliert die andere um 90 Grad phasenverschobene Trägerfrequenz - daraus ergibt sich das Signal Fv. Anschließend werden die beiden modulierten Signale Fu und Fv addiert, woraus sich das Signal Fc ergibt. Man spricht beim Signal Fc auch vom Chromasignal.

Das Chromasignal (Fc) und das Luminanzsignal (Y) werden addiert und noch einige Synchronsignale hinzugefügt. Daraus ergibt sich dann das FBAS-Signal (Farbbild-Austast-Synchronsignal), das auf eine Hochfrequenz moduliert und so übertragen wird. Dieses wird von einem Röhrenfernseher empfangen, dort demoduliert und die einzelnen Signale aufgetrennt.

Beim Schwarzweissfernsehen, wo die beiden Farbdifferenzsignale fehlen und nur das Y-Signal übertragen wird, spricht man vom BAS-Signal (Bild-Austast-Synchronsignal).



Das Zeilensprungverfahren

Das Fernsehbild baut sich zeilenweise auf. Es werden pro Sekunde 25 Vollbilder gesendet. Um das Flimmern des Bildes zu verringern, wird auf dem Fernsehempfänger zunächst ein sogenanntes Halbbild erzeugt. Ein Halbbild besteht nur aus den geraden oder ungeraden Zeilennummern. In einem Halbbild fehlt also jede 2. Zeile.

Das erste Halbbild besteht aus den geraden Zeilennummern, also 2, 4, 6, 8 usw. Ist dieses Bild übertragen, bleibt es auf dem Bildschirm stehen und anschließend wird das 2. Halbbild aus den ungeraden Zeilen 1, 3, 5, 7 usw. geschrieben. Anschließend folgt das 3. Halbbild wieder mit den geraden Zeilen. Man spricht hier auch vom Zeilensprungverfahren.

Pro Sekunde werden 50 Halbbilder = 25 Vollbilder übertragen. Daraus ergibt sich die bekannte Bildwiederholfrequenz von 50 Hz.

Bei der deutschen Norm PAL werden pro Vollbild 625 Zeilen übertragen. Das ergibt bei 25 Vollbildern:

25 * 625 = 15.625 Hz

Das ist die bekannte Zeilenfrequenz, die vom Zeilentrafo im Röhrenfernsehern erzeugt wird. Junge Ohren können diese Frequenz auch hören. Es werden bei der deutschen PAL-Norm also in einer Sekunde 15.625 Bildzeilen übertragen.

Am Ende eines jeden Halbbildes gibt eine sogenannte vertikale Austastlücke, so daß auf dem Fernseher nur etwa 575 Zeilen zu sehen sind, meist sogar noch etwas weniger, weil sie durch den Bildrand verdeckt werden.



Das BAS-Signal

Das BAS-Signal (Bild-Austast-Synchronsignal) enthält das gesamte Signal für das Schwarzweissfernsehen. Es besteht aus dem Bildsignal, das in diesem keine Farbinformationen enthält, dem Austastsignal und dem Synchronsignal.

Damit der Empfänger überhaupt erkennt, wo eine neue Zeile beginnt, muß vor jeder Zeile ein Synchronsignal übertragen werden. Die folgenden Grafik zeigt das BAS-Signal einer Bildzeile, mit der eine vierstufige Grautreppe dargestellt wird:


bas.gif

Das BAS-Signal einer vierstufigen Grautreppe


Ganz links sieht man, wie der Spannungspegel, der noch von der vorhergehenden Zeile stammt, von 1 Volt auf 0,3 Volt absinkt. Dort beginnt ein neuer Zeilenimpuls. Die Spannung bleibt kurz auf 0,3 Volt. Diesen Bereich nennt man vordere Schwarzschulter. Er ist nötig, weil die Spannung nicht in einer beliebig kurzen Zeit auf 0 Volt fallen kann.

Dahinter sinkt die Spannung auf 0 Volt. Das ist der Zeilensynchronimpuls, der eine Länge von 4,7 Mikrosekunden hat.

Nach dem Zeilensynchronimpuls folgt die hintere Schwarzschulter. Nach dieser beginnt die eigentliche Bildinformation. Den Bereich zwischen der vorderen Schwarzschulter und der hinteren Schwarzschulter mit dem dazwischenliegenden Zeilensynchronimpuls nennt man auch Austastlücke.



Das FBAS-Signal

Das FBAS-Signal (Farbbild-Austast-Synchronsignal) enthält addiert das Chromasignal und das Luminanzsignal (Y), sowie zusätzlich einige Synchronsignale der PAL-Norm. Dieses FBAS-Signal wird auf eine Hochfrequenz moduliert zum Empfänger übertragen. Im Empfänger wird es demoduliert und wieder in die einzelnen Signale aufgetrennt.

Bis auf die Farbinformationen ist das FBAS-Signal wie das BAS-Signal aufgebaut, womit es auch auf einem Schwarzweiss-Fernseher wiedergegeben werden kann.


fbas.gif

Das FBAS-Signal des Normfarbbalkentestbildes
Die grauen Balken sind das aufaddierte Chromasignal


Zusätzlich enthält das FBAS-Signal in der hinteren Schwarzschulter ein etwa 2,3 Mikrosekunden langes Burstsignal mit einer Frequenz von 4,43 MHz. Dieses als Color-Burst bekannte Signal besteht aus etwa 10 Sinusschwingungen. Es dient dazu, um das im Fernsehempfänger neu erzeugte Farbträgerfrequenzsignal mit dem des Fernsehsenders zu synchronisieren.


Bitte beachten Sie unbedingt die Warnhinweise!

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