Fernsehtechnik

1  Grundlagen der Bildübertragung

Die Bildübertragung der heutigen, analogen Fernsehtechnik beruht auf der Umwandlung der Farb- und Helligkeitsinformationen eines Bildes in entsprechende elektrische Signale. Dazu werden auf der Sendeseite, durch ein optisch-elektrisches Wandlersystem, die Eigenschaften jedes Bildpunktes in ein zugehöriges elektrisches Signal gewandelt und an den Empfänger übertragen. Dort wird das Signal ausgewertet, d.h. es erfolgt die Umwandlung der elektrischen in optische Informationen und damit die Darstellung des Bildes mittels der Bildröhre.
In Abbildung 1 ist der prinzipielle Ablauf dargestellt. Auf die Zusammenhänge wird in den folgenden Punkten noch genauer eingegangen.

Für die Darstellung von S/W-Fernsehen ist dabei nur die Übertragung von Helligkeitsinformationen notwendig. Das Videosignal ohne entsprechende Farbkomponente wird somit als BAS-Signal (Bild-Austast-Synchron-Signal), dass für Farbfernsehen dem entsprechend als FBAS-Signal (Farb-Bild-Austast-Synchron-Signal) bezeichnet.
Die Helligkeitswerte eines BAS-Signals werden dabei über den Pegel der Signalspannung kodiert. Dieser bewegt sich im Bereich von 0V für schwarz, bis zu 700mV für weiß.

1.1 Bildabtastung

Um ein zweidimensionales Bild mittels eines elektrischen Signals übertragen zu können, muss dieses zeilenweise in einzelne Bildpunkte zerlegt werden. Die Abtastung des zu sendenden Bildes durch den Abtaststrahl erfolgt zeilenweise von links nach rechts sowie von oben nach unten. Dazu muss dieser horizontal bzw. vertikal abgelenkt werden. Vom Ende der letzten Zeile wird der Abtast- und der Schreibstrahl entweder in die obere linke Ecke oder in die obere Bildmitte zurückgeführt.
Damit sich der Abtaststrahl auf der Sendeseite und der Schreibstrahl auf der Empfangsseite am selben Punkt der Bildfläche befinden, werden geeignete Synchronsignale mit übertragen.

1.2 Bildwechselfrequenz

Um bei der Wiedergabe von schnellen Szenen eine flüssige Bewegung vorzutäuschen, sind gewisse physiologische Eigenschaften des menschlichen Auges zu berücksichtigen, ein Wert von 16 Bildern pro Sekunde stellt hier die unterste Grenze dar.
Für die Darstellung eines in der Helligkeit periodisch schwankenden Bildinhaltes ist jedoch eine wesentlich höhere Bildwechselfrequenz nötig, damit die subjektiv empfundene Flimmerstörung nur noch minimal ist. Bei einer Bildschirm-Leuchtdichte von 60...80 cd/m² liegt die Flimmergrenzfrequenz zwischen 50 und 60 Hz. Es besteht somit ein deutlicher Unterschied zwischen der unteren Grenze der Bildwechselfrequenz und der Flimmergrenzfrequenz.
Beim Kinofilm wurde dieses Problem durch den Einsatz einer so genannten Flimmerblende gelöst, d.h. das jedes der eigentlichen 24 Teilbilder pro Sekunde während der Projektion ein- oder zweimal unterbrochen wird und mit dieser Maßnahme der Eindruck der doppelten bzw. dreifachen Bildwechselfrequenz entsteht. Bei einer Wiedergabe über den Fernseher verstärkt sich der Effekt der Helligkeitsschwankungen sogar noch weiter, die Ursache hierfür liegt in der zeilenweisen Darstellung des Bildes. Aus diesem Grund ist hier eine minimale Bildwechselfrequenz von 50 Hz nötig. Dieses Problem wird mit Zeilensprungverfahren gelöst.
Die Ursache, dass die Bildwechselfrequenz in Europa bei 50 Hz und in den USA bei 60 Hz liegt hat hauptsächlich technische Gründe. Bei der Einführung des Fernsehens konnte nämlich eine mögliche Verkopplung mit der Frequenz des Stromnetzes nicht ausgeschlossen werden, was sich z.B. in einer Streifenbildung niederschlägt, auch wenn diese Trennung aus heutiger Sicht kein Problem mehr darstellt.

1.3 Zeilensprungverfahren

Um das Flimmern bei der Bilddarstellung zu vermindern, wäre eine Möglichkeit die Bildwechselfrequenz zu verdoppeln. Dieses Vorgehen hätte aber gleichzeitig eine Verdopplung der notwendigen Übertragungsbandbreite zur Folge. Um dieses Problem zu vermeiden wird das Zeilensprungverfahren bei der Bildübertragung eingesetzt.
Nach dem Zeilensprungverfahren werden die 625 Zeilen eines Bildes auf zwei Halbbilder aufgeteilt, d.h. das während des ersten Halbbildes die ungeraden (1, 3, 5, ...) und während des zweiten Bildes die geraden Zeilen (2, 4, 6, ...) geschrieben werden.  Dieser Sachverhalt ist in Abbildung 2 sowie in einer Animation dargestellt .

Durch dieses Vorgehen werden anstelle von 25 Vollbildern 50 Halbbilder pro Sekunde übertragen, wodurch bei gleicher Übertragungsbandbreite das Flimmern deutlich reduziert wird. Die Vertikalfrequenz f_v beträgt deshalb f_v = 50 Hz. Ein Halbbild enthält somit 312 1/2 Zeilen, dadurch erfolgt der Wechsel vom ersten zum zweiten Halbbild nach dem Durchlaufen einer halben Zeile. Aus diesem Grund wird auch kein zusätzliches Signal zum periodischen Versatz der beiden Halbbilder benötigt und das zweite Halbbild liegt automatisch in den Zwischenräumen des Ersten.
Nach der ITU-Norm (ehemalig CCIR - Comité Consultatif International des Radiocommunications) und den Standards B und G ergibt sich bei 312 1/2 Zeilen je Halbbild eine Zeilenwechsel- oder Horizontalfrequenz von f_h = 312,5 • 50 Hz = 15625 Hz und somit eine Periodendauer von T_h = 64 μs. Die Horizontal- und Vertikalfrequenz müssen dabei synchron und phasenstarr miteinander verkoppelt sein, um das zu erreichen leitet man diese beiden Frequenzen aus der doppelten Horizontalfrequenz ab (Abbildung 3).

Obwohl durch die Anwendung des Zeilensprungverfahrens die Rasterwechselfrequenz 50 Hz beträgt, ergibt sich dennoch in Bildteilen mit mit großer Helligkeit ein 50 Hz Flächenflimmern, weil das Auge gerade Helligkeitsschwankungen sehr genau wahrnimmt. Ein anderer Effekt ist das 25 Hz Kantenflimmern, welches an horizontalen Kanten mit hohem Kontrast auftritt. Die Beseitigung dieser Flimmereffekte kann nur durch eine Erhöhung der Vertikalfrequenz auf Werte von über 75 Hz erfolgen, wie es bei modernen 100 Hz Geräten der Fall ist.