Digitale Fernseh- und Hörfunktechnikin Theorie und Praxis

Walter Fischer

Digitale Fernseh-und Hörfunktechnikin Theorie und Praxis

MPEG-Basisbandcodierung, DVB-, DAB-,ATSC-, ISDB-T-Übertragungstechnik,Messtechnik

2. Auflage

123

Dipl.-Ing. (FH) Walter FischerRohde & Schwarz GmbH & Co. KGGeschäftsbereich MeßtechnikMühldorfstr. 1581671, Münchenwalter.fischer@rohde-schwarz.com

ISBN 978-3-540-88187-2

DOI 10.1007/978-3-540-88195-7

e-ISBN 978-3-540-88195-7

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Vorwort

Mittlerweile sind seit dem Erscheinen der ersten deutschen Auflage einige Jahre vergangen. Digitales Fernsehen ist nun in vielen Ländern Gegenwart geworden, sei es über Satellit, Kabel oder über die Terrestrik. Es gibt nun sogar einen vierten Verteilweg, nämlich IPTV, Fernsehen über Internet. Auch Mobile TV ist ein Schlagwort, das in der Werbung auch immer häu-figer auftaucht.

Das Buch wurde deshalb in einigen Kapiteln modernisiert und erweitert, aber es kamen auch einige ganz neue Kapitel hinzu, wie DRM, Praxis digi-tal terrestrischer Netze, sowie DVB-SH, DVB-T2 usw. Auch im Bereich modernerer Quellencodierungsverfahren wie MPEG-4 wurden Ergänzun-gen vorgenommen. Anregungen von Lesern und Seminarteilnehmern wur-den gerne aufgenommen.

Die bisherigen Werke „Digital Television – A Practical Guide for Engi-neers“ und „Digitale Fernsehtechnik in Theorie und Praxis“ sind von ei-nem großen Publikum sehr gut angenommen worden. Beide Bücher wur-den auch in zahlreichen Seminaren als gern gelesene Seminarunterlage eingesetzt. Nachdem nun auch der Bereich Digitaler Hörfunk einen doch beträchtlichen Anteil im Buch einnimmt, wurde der Titel umbenannt in „Digitale Fernseh- und Hörfunktechnik in Theorie und Praxis“ in Anleh-nung an die ebenfalls erweiterte zweite englische Auflage.

Auch gibt mir mein Lehrauftrag im Wahlfach „Fernsehtechnik“ an der Fachhochschule München, jetzt Hochschule München für angewandte Wissenschaften (Munich University of Applied Sciences), den ich im Sin-ne von Prof. Mäusl fortführe, neue Impulse bei der Art der Stoffvermitt-lung und der Auswahl von Inhalten und mir selber eine sehr schöne Berei-cherung.

Seit der letzten Auflage gab es viele neue praktische Erkenntnisse und Erlebnisse in vielen weiteren Seminaren weltweit, aber auch beim prakti-schen Live-Miterleben von Einschaltungen von DVB-T-Netzen in Bayern. Teile davon sind wieder in dieses Buch eingeflossen. Analog geht – digital kommt – das konnte ich, der sich ich seit dem Studium der Elektrotechnik vor über 25 Jahren mit der Fernsehtechnik beschäftigt, zum ersten Mal auf dem Sender Wendelstein miterleben. Mittlerweile viele Besuche auf „dem Berg“ haben mich fast zu einem „Wendelsteiner“ gemacht. Umso mehr

VI Vorwort

freut es mich, dass die Sendestation Wendelstein des Bayerischen Rund-funks Titelbild der zweiten Auflage dieses Buchs geworden ist. Ich bedan-ke mich für die tolle Unterstützung und Rückmeldung der mittlerweile hochgerechnet weltweit etwa 4000 Seminarteilnehmer. Des weiteren be-danke ich mich für die sehr gute Zusammenarbeit mit dem Springer Ver-lag, bei Hr. Dr. Merkle, Hr. Dr. Baumann, Frau Jantzen und Frau Wolf.

Moosburg an der Isar bei München, im Juli 2008 Walter Fischer

Vorwort zur ersten deutschen Auflage

Die Welt der Rundfunk- und Fernsehtechnik hat mich schon recht früh fasziniert und seit meiner Diplomarbeit zum Thema "Prüfzeilenerzeugung" an der Fachhochschule München im Jahre 1983 bei Prof. Rudolf Mäusl nicht mehr losgelassen. Im Rahmen dieser Diplomarbeit entstanden Ver-bindungen zur Fa. Rohde&Schwarz, die mein späterer Arbeitgeber werden sollte. Bis 1999 war ich dort als Entwicklungsingenieur immer im Bereich Videomesstechnik, aber dort in verschiedenen Produkt- und Tätigkeitsfel-dern tätig. Analoge Videomesstechnik, v.a. Prüfzeilenmesstechnik beglei-tete mich über lange Jahre. Ab Mitte der 90er Jahre wurde dann Digital Video Broadcasting (DVB) immer mehr mein Hauptgebiet. Während mei-ner Entwicklertätigkeit war ich natürlich auch intensiv in das Gebiet der Firm- und Softwareentwicklung eingebunden. Intensive Auseinanderset-zung mit der Programmiersprache C und C++ führten mich in den Bereich von Softwareschulungen, die ich seit Anfang der 90er Jahre firmenintern verstärkt durchführte. Ich weiß nicht mehr wie viele Seminare und Semi-narteilnehmer mir die Freude an dieser Art "Arbeit" vermittelt hatten. Je-denfalls entstand während dieser etwa 40 Seminare die Liebe zum Trai-ning, das ich dann im Jahre 1999 zum Hauptberuf wählte. Seit März 1999 bin ich im Trainingszentrum von Rohde&Schwarz als Trainer im Bereich Rundfunk- und Fernsehtechnik mit Hauptgebiet Digital Video Broad-casting (DVB) tätig. Seit dieser Zeit habe ich weltweit viele Hunderttau-sende von Flugkilometern zurückgelegt, um das neue Gebiet "Digitales Fernsehen" mit dem Praxisschwerpunkt Messtechnik zu lehren. Ich war unterwegs zwischen Stockholm und Sydney.

Wichtige Impulse entstanden während dieser bis heute 9 Australienrei-sen. Ich habe große praktische Erfahrung während meiner Seminare in "Down Under" gesammelt und ich weiß nicht, ob dieses Buch zustande gekommen wäre, wenn ich nicht all diese praktischen Erfahrungen dort gemacht hätte. Besonderer Dank gebührt meinem australischen Kollegen von Rohde&Schwarz Australien Simon Haynes, der mich intensivst unter-stützt hat. Wir haben oft über die Publizierung der Seminarinhalte gespro-chen. Den Aufwand hatte ich jedoch unterschätzt. Die ursprünglichen Se-minarunterlagen waren nur geringfügig direkt für das Buch geeignet. Praktisch alle Texte entstanden komplett neu. Es entstand die erste engli-

VIII Vorwort

sche Auflage meines Buches „Digital Television – A practical Guide for Engineers“. Die Leserschaft, die ich ansprechen will, sind Leute, die mit dem neuen Thema "Digitales Fernsehen, " bzw. „Digitale Rundfunktech-nik“ in der Praxis zu tun haben. Dies ist ein Buch für Techniker und Inge-nieure, die sich in dieses Gebiet einarbeiten wollen. Ich habe so wenig wie möglich mathematischen Ballast eingebaut, obwohl mich selber das Gebiet der Mathematik immer sehr interessiert und fasziniert hat. Aber wo es nicht notwendig ist, da soll und muss es auch nicht sein.

Herzlichen Dank an Professor Rudolf Mäusl. Er hat mir die Welt der Fernsehtechnik nahegebracht hat wie kein anderer. Seine Vorlesungen an der Fachhochschule und seine Art der Wissensvermittlung waren mir im-mer ein Vorbild und haben auch die Art und Weise dieses Buches hoffent-lich positiv beeinflusst. Seine vielen Veröffentlichungen und Bücher sind als Literatur nur zu empfehlen. Der Kontakt zu ihm ist nie abgerissen. Vie-len Dank für die vielen Gespräche und Anregungen.

Herzlichen Dank auch an den Springer Verlag, Hr. Dr. Merkle und Frau Jantzen, für die tatkräftige Unterstützung und die Möglichkeit beim Sprin-ger Verlag dieses Buch herausgeben zu können.

Und vielen Dank für die Unterstützung weltweit von Schweden, Grön-land, Australien, Türkei, Dänemark, Frankreich, Deutschland, Österreich, Schweiz, USA, Kanada, UK, Neuseeland, Russland, Lettland, Italien, Spa-nien, Portugal, Niederlande, Belgien, Luxemburg, Singapur und all die an-deren Länder in denen ich war oder aus denen Seminarteilnehmer nach München oder an einen der vielen Seminarorte weltweit kamen, um mit mir das komplexe Thema Digitales Fernsehen bzw. Digitaler Rundfunk zu erfahren.

Es waren nun bisher an die 600 Seminartage weltweit zum Thema ana-loges und digitales Fernsehen, sowie Digital Audio Broadcasting mit mehr als 2500 Teilnehmern aus der ganzen Welt. Die internationalen Seminare waren und sind eine reiche persönliche Erfahrung. Ich blicke mit großem Dank auf die vielen geknüpften Kontakte, die teils per Email immer noch bestehen.

Die englische Auflage dieses Buches ist Anfang 2004 erschienen. Im Vergleich zur englischen sind in dieser deutschen Version aber nun auch schon einige neue Kapitel und Ergänzungen, sowie auch der verwandte Bereich „Digital Audio Braodcasting – DAB“ enthalten. Außerdem gab es einige Erweiterungen in den Standards, neue Standards, aber auch neue Erkenntnisse für mich.

Moosburg an der Isar, bei München, im März 2006 Walter Fischer

Geleitwort zur ersten deutschen Auflage

Über mehr als 20 Jahre hat Walter Fischer die Entwicklung der Fernseh-technik praktisch miterlebt. Ich kenne den Autor dieses Buches seit An-fang der 80er Jahre, als er bei mir Vorlesungen an der Fachhochschule München, unter anderem auch die „Fernsehtechnik“, besuchte und mit ei-ner hervorragenden Diplomarbeit sein Studium zum Abschluss brachte.

Schon damals ist er durch exzellentes Wissen und die Fähigkeit, sich mit komplexen Problemen auseinander zu setzen, aufgefallen. Als Ent-wicklungsingenieur im Hause Rohde&Schwarz hat er umfangreiche prak-tische Erfahrungen gesammelt.

Seine didaktischen Fähigkeiten hat Walter Fischer schon sehr bald und zwischenzeitlich langjährig in Vorträgen und Seminaren nicht nur im Hau-se Rohde&Schwarz, sondern darüber hinaus in verschiedenen Ländern und Kontinenten der Erde bewiesen.

Nach dem großen Erfolg seines Buches „Digital Television“ in engli-scher Sprache erscheint nun die aktualisierte und erweiterte Version in deutscher Sprache. Auch dazu wünsche ich Walter Fischer viel Erfolg mit diesem Standardwerk der Fernsehtechnik.

Aschheim bei München, im Januar 2006 Rudolf Mäusl

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung.................................................................................................1

2 Analoges Fernsehen ................................................................................7 2.1 Abtastung einer Schwarz-Weiß-Bildvorlage ..................................11 2.2 Horizontal- und Vertikal-Synchronimpuls .....................................12 2.3 Hinzunehmen der Farbinformation.................................................14 2.4 Übertragungsverfahren ...................................................................17 2.5 Verzerrungen und Störungen ..........................................................19 2.6 Signale in der Vertikalaustastlücke.................................................21 2.7 Messungen an analogen Videosignalen..........................................25

3 Der MPEG-2-Datenstrom ....................................................................31 3.1 Der Packetized Elementary Stream (PES)......................................34 3.2 Das MPEG-2-Transportstrompaket ................................................38 3.3 Informationen für den Empfänger ..................................................42

3.3.1 Synchronisierung auf den Transportstrom...............................43 3.3.2 Auslesen der aktuellen Programmstruktur...............................44 3.3.3 Der Zugriff auf ein Programm.................................................46 3.3.4 Zugriff auf verschlüsselte Programme.....................................47 3.3.5 Programmsynchronisation (PCR, DTS, PTS) .........................49 3.3.6 Zusatz-Informationen im Transportstrom (PSI / SI / PSIP) ....52 3.3.7 Nicht-private und private Sections und Tabellen ....................52 3.3.8 Die Service Information gemäß DVB (SI) ..............................62

3.4 PSIP gemäß ATSC .........................................................................76 3.5 ARIB-Tabellen gemäss ISDB-T.....................................................78 3.6 DMB-T (China) Tabellen ...............................................................80 3.7 Weitere wichtige Details des MPEG-2 Transportstromes ..............80

3.7.1 Die Transport Priority..............................................................81 3.7.2 Die Transport Scrambling Control Bits...................................81 3.7.3 Die Adaptation Field Control Bits...........................................82 3.7.4 Der Continuity Counter ...........................................................82

4 Digitales Videosignal gemäß ITU-BT.R601 (CCIR601)....................83

XII Inhaltsverzeichnis

5 High Definition Television – HDTV ....................................................89

6 Transformationen vom Zeitbereich in den Frequenzbereich und zurück .......................................................................................................95

6.1 Die Fouriertransformation ..............................................................96 6.2 Die Diskrete Fouriertransformation (DFT).....................................99 6.3 Die Fast Fouriertransformation (FFT) ..........................................101 6.4 Praktische Realisierung und Anwendung der DFT und FFT........102 6.5 Die Diskrete Cosinustransformation (DCT) .................................103 6.6 Signale im Zeitbereich und deren Transformierte im Frequenzbereich..................................................................................106 6.7 Systemfehler der DFT bzw. FFT und deren Vermeidung ............109 6.8 Fensterfunktionen .........................................................................112

7 Videocodierung gemäß MPEG-2 und MPEG-4...............................115 7.1 Videokomprimierung....................................................................115

7.1.1 Zurücknahme der der Quantisierung von 10 auf 8 Bit ..........119 7.1.2 Weglassen der H- und V-Lücke ............................................119 7.1.3 Reduktion der Farbauflösung auch in vertikaler Richtung (4:2:0) .............................................................................................121 7.1.4 Weitere Schritte zur Datenreduktion .....................................121 7.1.5 Differenz-Plus-Code-Modulation von Bewegtbildern...........122 7.1.6 Diskrete Cosinustransformation mit nachfolgender Quantisierung..................................................................................128 7.1.7 Zig-Zag-Scan und Lauflängencodierung von Null-Sequenzen ... ........................................................................................................135 7.1.8 Huffmann-Codierung.............................................................136

7.2 Zusammenfassung ........................................................................136 7.3 Aufbau des Videoelementarstroms...............................................139 7.4 Modernere Videokomprimierungsverfahren ................................142 7.5 MPEG-4 Advanced Video Coding ..............................................142

8. Komprimierung von Audiosignalen gemäß MPEG und Dolby Digital......................................................................................................153

8.1 Das digitale Audioquellensignal...................................................153 8.2 Geschichte der Audiokomprimierung...........................................155 8.3 Das psychoakustische Modell des menschlichen Ohres...............156 8.4 Grundprinzip der Audiocodierung................................................161 8.5 Teilbandcodierung bei MPEG Layer I, II .....................................164 8.6 Transformationscodierung bei MPEG Layer III und Dolby Digital ............................................................................................................166 8.7 Mehrkanalton................................................................................168

Inhaltsverzeichnis XIII

8.8 Neue Entwicklungen – MPEG-4 ..................................................168

9 Videotext, Untertitel und VPS gemäß DVB......................................171 9.1 Videotext und Untertitel ...............................................................172 9.2 Video Program System (VPS) ......................................................175

10 Digitale Videostandards und Schnittstellen im Vergleich.............179 10.1 MPEG-1 und MPEG-2, Video-CD und DVD, M-JPEG und MiniDV...............................................................................................179 10.2 MPEG-3, MPEG-4, MPEG-7 und MPEG-21.............................182 10.3 Physikalische Schnittstellen für digitale Videosignale ...............186

10.3.1 "CCIR601" Parallel und Seriell ...........................................187 10.3.2 Synchrone, parallele Transportstromschnittstelle (TS PARALLEL) ...........................................................................188 10.3.3 Asynchrone serielle Transportstromschnittstelle (TS- ASI) 191 10.3.4 DVI-Schnittstelle .................................................................192 10.3.5 HDMI-Schnittstelle .............................................................193 10.3.6 HD-SDI-Schnittstelle...........................................................193 10.3.7 Gigabit-Ethernet-Schnittstelle als Transportstromverteiler .193

11 Messungen am MPEG-2-Transportstrom......................................195 11.1 Verlust der Synchronisation (TS-Sync-Loss) .............................196 11.2 Fehlerhafte Sync-Bytes (Sync_Byte_Error) ...............................198 11.3 Fehlende oder fehlerhafte Program Association Table (PAT) (PAT_Error)........................................................................................198 11.4 Fehlende oder fehlerhafte Program Map Table (PMT) (PMT_Error) .......................................................................................199 11.5 Der PID_Error ............................................................................200 11.6 Der Continuity_Count_Error ......................................................201 11.7 Der Transport_Error ...................................................................203 11.8 Der Cyclic Redundancy Check-Fehler .......................................203 11.9 Fehler der Program Clock Reference (PCR_Error, PCR_accuracy) ............................................................................................................204 11.10 Der Presentation Time Stamp Fehler (PTS_Error)...................206 11.11 Fehlende oder fehlerhafte Conditional Access Table (CAT_Error) .......................................................................................207 11.12 Fehlerhafte Wiederholrate der Service Informationen (SI_Repetition_Error) .........................................................................208 11.13 Überwachung der Tabellen NIT, SDT, EIT, RST und TDT/TOT ............................................................................................................209 11.14 Nicht referenzierte PID (unreferenced_PID) ............................210

XIV Inhaltsverzeichnis

11.15 Fehler bei der Übertragung zusätzlicher Service Informationen SI_other_Error ....................................................................................210 11.16 Fehlerhafte Tabellen NIT_other, SDT_other_Error, EIT_other_Error) ................................................................................211 11.17 Überwachung eines ATSC-konformen MPEG-2-Transportstroms ............................................................................................................211

12 Bildqualitätsanalyse an digitalen TV-Signalen ..............................213 12.1 Methoden zur Bildqualitätsmessung...........................................215

12.1.1 Subjektive Bildqualitätsanalyse...........................................216 12.1.2 Double Stimulus Continual Quality Scale Method DSCQS 217 12.1.3 Single Stimulus Continual Quality Scale Method SSCQE..217

12.2 Objektive Bildqualitätsanalyse ...................................................217 12.3 Zusammenfassung und Ausblick ................................................223

13 Grundlagen der Digitalen Modulation............................................225 13.1 Einführung ..................................................................................225 13.2 Mischer .......................................................................................227 13.3 Amplitudenmodulation ...............................................................229 13.4 IQ-Modulator..............................................................................231 13.5 Der IQ-Demodulator...................................................................239 13.6 Anwendung der Hilbert-Transformation bei der IQ-Modulation244 13.7 Praktische Anwendungen der Hilbert-Transformation...............247 13.8 Kanalcodierung/Fehlerschutz .....................................................248 13.9 Analoge Modulationsverfahren im Vergleich ............................253

13.9.1 Amplitudenmodulation........................................................254 13.9.2 Varianten der Amplitudenmodulation .................................257 13.9.3 Frequenzmodulation ............................................................258 13.9.4 Phasenmodulation................................................................262

13.10 Bandbegrenzung modulierter Trägersignale.............................263 13.11 Zusammenfassung ....................................................................266

14 Übertragung von digitalen Fernsehsignalen über Satellit - DVB – S/S2..........................................................................................................267

14.1 Die DVB-S-Systemparameter.....................................................270 14.2 Der DVB-S-Modulator ...............................................................273 14.3 Faltungscodierung.......................................................................277 14.4 Signalverarbeitung im Satelliten.................................................283 14.5 Der DVB-S-Empfänger ..............................................................284 14.6 Einflüsse auf der Satellitenübertragungsstrecke .........................288 14.7 DVB-S2 ......................................................................................291

Inhaltsverzeichnis XV

15 DVB-S/S2 - Messtechnik...................................................................301 15.1 Einführung ..................................................................................301 15.2 Messung der Bitfehlerverhältnisse..............................................302 15.3 Messungen an DVB-S/S2-Signalen mit einem Spektrumanalyzer... ............................................................................................................304

15.3.1 Näherungsweise Ermittelung der Rauschleistung N ...........306 15.3.2 C/N, S/N und Eb/N0............................................................308 15.3.3 Ermittelung des EB/N0 .........................................................308

15.4 Modulation Error Ratio (MER) ..................................................311 15.5 Messung des Schulterabstands....................................................311 15.6 DVB-S-Empfänger-Test .............................................................312

16 Die Breitbandkabelübertragung gemäß DVB-C............................315 16.1 Der DVB-C-Standard .................................................................316 16.2 Der DVB-C-Modulator...............................................................318 16.3 Der DVB-C-Empfänger..............................................................319 16.4 Störeinflüsse auf der DVB-C-Übertragungsstrecke....................321

17 Die Breitbandkabelübertragung nach ITU-T J83B ......................325

18 Messungen an digitalen TV-Signalen im Breitbandkabel.............327 18.1 DVB-C/J83A, B, C-Messempfänger mit Konstellationsanalyse 328 18.2 Erfassung von Störeinflüssen mit Hilfe der Konstellationsanalyse ............................................................................................................332

18.2.1 Additives weißes gauß’sches Rauschen (AWGN) ..............332 18.2.2 Phasenjitter ..........................................................................335 18.2.3 Sinusförmiger Interferenzstörer...........................................336 18.2.4 Einflüsse des IQ-Modulators ...............................................336 18.2.5 Modulation Error Ratio (MER) - Modulationsfehler ..........339 18.2.6 Error Vector Magnitude (EVM) ..........................................341

18.3 Messung der Bitfehlerverhältnisse (BER) ..................................341 18.4 Messungen mit einem Spektrumanalyzer ...................................342 18.5 Messung des Schulterabstandes..................................................345 18.6 Messung der Welligkeit im Kanal bzw. Kanalschräglage ..........345 18.7 DVB-C/J83ABC-Empfänger-Test..............................................345

19 Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex (COFDM) ......347 19.1 Warum Mehrträgerverfahren? ....................................................349 19.2 Was ist COFDM? .......................................................................352 19.3 Erzeugung der COFDM-Symbole ..............................................357 19.4 Zusatzsignale im COFDM-Spektrum .........................................365 19.5 Hierarchische Modulation...........................................................367

XVI Inhaltsverzeichnis

19.6 Zusammenfassung ......................................................................368

20 Die terrestrische Übertragung von digitalen TV-Signalen über DVB-T.....................................................................................................369

20.1 Der DVB-T-Standard..................................................................372 20.2 Die DVB-T-Träger .....................................................................373 20.3 Hierarchische Modulation...........................................................379 20.4 DVB-T-Systemparameter des 8/7/6-MHz-Kanals......................381 20.5 DVB-T-Modulator und Sender...................................................391 20.6 Der DVB-T-Empfänger ..............................................................394 20.7 Störeinflüsse auf der DVB-T-Übertragungsstrecke....................399 20.8 DVB-T-Gleichwellennetze (SFN) ..............................................408 20.9 Mindestens notwendiger Empfängereingangspegel bei DVB-T 416

21 Messungen an DVB-T-Signalen.......................................................423 21.1 Messung der Bitfehlerverhältnisse..............................................425 21.2 Messungen an DVB-T-Signalen mit einem Spektrumanalyzer..427 21.3 Konstellationsanalyse an DVB-T-Signalen ................................431

21.3.1 Weißes Rauschen (AWGN = Additive White Gaussian Noise) ........................................................................................................431 21.3.2 Phasenjitter ..........................................................................432 21.3.3 Interferenzstörer...................................................................433 21.3.4 Echos, Mehrwegeempfang ..................................................433 21.3.5 Dopplereffekt.......................................................................433 21.3.6 IQ-Fehler des Modulators....................................................433 21.3.7 Ursache und Auswirkung von IQ-Fehlern bei DVB-T........436

21.4 Messung des Crestfaktors ...........................................................446 21.5 Messung des Amplituden-, Phasen- und Gruppenlaufzeitganges..... ............................................................................................................446 21.6 Messung der Impulsantwort........................................................447 21.7 Messung des Schulterabstandes..................................................448

22 DVB-H – Digital Video Broadcasting for Handhelds ....................453 22.1 Einführung ..................................................................................453 22.2 Konvergenz zwischen Mobilfunk und Broadcast .......................455 22.3 DVB-H – die wesentlichen Parameter........................................457 22.4 DSM-CC Sections ......................................................................458 22.5 Multiprotocol Encapsulation (MPE)...........................................459 22.6 DVB-H – Standard .....................................................................460 22.7 Zusammenfassung ......................................................................464

23 Digitales Terrestrisches Fernsehen gemäß ATSC (Nordamerika)469

Inhaltsverzeichnis XVII

23.1 Der 8VSB-Modulator .................................................................474 23.2 8VSB-Brutto- und Nettodatenrate ..............................................483 23.3 Der ATSC-Empfänger ................................................................484 23.4 Störeinflüsse auf der ATSC-Übertragungsstrecke......................484

24 ATSC/8VSB-Messtechnik ................................................................487 24.1 Messung der Bitfehlerverhältnisse..............................................488 24.2 8VSB-Messungen mit Hilfe eines Spektrumanalysators............489 24.3 Konstellationsanalyse an 8VSB-Signalen ..................................490 24.4 Ermittelung des Amplituden- und Gruppenlaufzeitganges.........492

25 Digitales Terrestrisches Fernsehen gemäß ISDB-T (Japan).........495 25.1 Layer-Bildung.............................................................................498 25.2 Basisbandcodierung....................................................................499 25.3 Änderungen in der Transportstromstruktur ................................500 25.4 Kanaltabellen ..............................................................................502 25.5 Leistungsfähigkeit von ISDB-T..................................................502 25.6 Weitere ISDB-Standards ............................................................503 25.7 Zusammenfassung ......................................................................504

26 Digital Audio Broadcasting - DAB ..................................................505 26.1 Vergleich DAB und DVB...........................................................506 26.2 DAB im Überblick......................................................................510 26.3 Der physikalische Layer von DAB.............................................516 26.4 DAB – Forward Error Correction – FEC....................................528 26.5 DAB-Modulator und Sender.......................................................534 26.6 DAB-Datenstruktur.....................................................................537 26.7 DAB-Gleichwellennetze.............................................................543 26.8 DAB Data Broadcasting .............................................................544 26.9. DAB+.........................................................................................546 26.10. DAB-Messtechnik ...................................................................546

26.10.1 Test von DAB-Empfängern...............................................547 26.10.2 Messungen am DAB-Signal ..............................................547

27 DVB-Datendienste: MHP und SSU.................................................551 27.1 Data Broadcasting bei DVB .......................................................552 27.2 Object Carousels.........................................................................553 27.3 MHP = Multimedia Home Platform ...........................................555 27.4 System Software Update – SSU .................................................557

28 DMB-T/DTMB und T-DMB ............................................................559 28.1 DMB-T oder jetzt DTMB...........................................................559

XVIII Inhaltsverzeichnis

28.2 T-DMB .......................................................................................563

29 IPTV – Fernsehen über Internet .....................................................565 29.1 DVB-IP .......................................................................................567 29.2 IP-Schnittstelle ersetzt TS-ASI...................................................568 29.3 Zusammenfassung ......................................................................569

30 DRM – Digital Radio Mondiale .......................................................571 30.1 Audio-Quellencodierung ............................................................575 30.2 Fehlerschutz................................................................................575 30.3 Modulationsverfahren.................................................................576 30.4 Rahmenstruktur...........................................................................577 30.5 Störeinflüsse auf der Übertragungsstrecke .................................578 30.6 DRM-Datenraten ........................................................................579 30.7 DRM-Sendestationen und DRM-Receiver .................................580

31 Praxis digital-terrestrischer TV-Netze............................................583 31.1 Die DVB-T-Gleichwellennetze Süd- und Ostbayern .................583 31.2 Playout Center und Zuführungsnetzwerke .................................587 31.3 Technischer Aufbau der Senderstandorte ...................................587

31.3.1 Sender Wendelstein .............................................................588 31.3.2 Sender Olympiaturm München............................................603 31.3.3 Sender Brotjacklriegel .........................................................606

31.4 Messungen in DVB-T-Gleichwellennetzen................................608 31.4.1 Messparameter.....................................................................608 31.4.2 Praktische Beispiele.............................................................617 31.4.3 Verhalten von DVB-T-Receivern........................................623 31.4.4 Empfängertest und Simulation von Empfangsbedingungen in Gleichwellennetzen ........................................................................624 31.5 Netzplanung............................................................................628 31.6 Auffüllen von Versorgungslücken..........................................629 31.7 Fall-off-the-Cliff.....................................................................632 31.8 Zusammenfassung ..................................................................633

32 Weitere Übertragungsstandards .....................................................635 32.1 MediaFLO...................................................................................635 32.2 IBOC – HD-Radio ......................................................................636 32.3 DRM+.........................................................................................637 32.4 DAB+..........................................................................................637 32.5 FMextra.......................................................................................638 32.6 DVB-SH .....................................................................................638 32.7 A-VSB und MPH........................................................................640

Inhaltsverzeichnis XIX

32.8 DVB-T2 ......................................................................................640 32.9 DVB-C2......................................................................................649

33 Rückkanaltechniken .........................................................................651

34 Digitales Fernsehen und digitaler Hörfunk weltweit - Ausblick ..653

Literaturverzeichnis ..............................................................................657

Abkürzungsverzeichnis .........................................................................665

TV-Kanaltabellen...................................................................................681

Sachverzeichnis ......................................................................................687

1 Einleitung

Fernsehtechnik und Datentechnik führten über viele Jahrzehnte parallele, jedoch völlig voneinander unabhängige Wege. Man benutzte zwar im Heimbereich in den achtziger Jahren des nun schon vergangenen Jahrhun-derts Fernsehempfänger als erste Computermonitore, mehr hatten aber beide Bereiche nicht miteinander zu tun. Heute tut man sich aber immer schwerer, klare Trennlinien zwischen dem Medium Fernsehen und Com-puter zu finden. Beide Bereiche wachsen im Zeitalter von Multimedia im-mer mehr zusammen. Es gibt mittlerweile hervorragende TV-Karten für Personal Computer, so dass teilweise der PC zum Zweitfernseher werden kann. Auf der anderen Seite wurde schon in den achtziger Jahren Teletext als frühes Medium von digitalen Zusatzinformationen im analogen TV-Bereich eingeführt. Die Jugend nimmt dieses Informationsmedium z.B. als elektronische Programmzeitschrift als so selbstverständlich wahr, als hätte es diesen Teletext schon seit Beginn des Fernsehens an gegeben. Und seit 1995 leben wir nun auch im Zeitalter des digitalen Fernsehens. Über den Weg dieses neuen Mediums verwischt sich der Bereich der Fernsehtechnik und der Datentechnik immer mehr. Hat man die Möglichkeit, weltweit die Entwicklungen auf diesem Gebiet zu verfolgen, was dem Autor aufgrund zahlreicher Seminarreisen möglich war, so wird man immer mehr Applika-tionen finden, die entweder beide Dienste - Fernsehen und Datendienste - gemeinsam in einem Datensignal beinhalten oder man findet manchmal gar nur reine Datendienste, z.B. schnellen Internetzugang über eigentlich für digitales Fernsehen vorgesehene Kanäle. Die hohe Datenrate ist es, die beide gemeinsam haben und die zur Verschmelzung führt. Das Verlangen nach Informationsvielfalt ist es, die die heutige Generation gewohnt ist, zu bekommen. Spricht man mit Telekommunikations-Spezialisten über Da-tenraten, so blicken sie ehrfürchtig auf die Datenraten, mit denen im digita-len TV-Bereich gearbeitet wird. So spricht man z.B. im GSM-Bereich von Datenraten von Netto 9600 bit/s, bzw. bei UMTS von maximal 2 Mbit/s unter günstigsten Bedingungen für z.B. Internetzugriffe. Ein ISDN-Telefonkanal weist eine Datenrate von 2 mal 64 kbit/s auf. Im Vergleich hierzu beträgt die Datenrate eines unkomprimierten digitalen Standard-TV-Signals schon 270 Mbit/s. High Definition Television (HDTV) liegt unkomprimiert jenseits von 1 Gbit/s. Nicht nur von den Datenraten her,

2 1 Einleitung

auch in Anbetracht der schon immer sehr breiten analogen TV-Kanäle spricht man hier im Fernsehbereich berechtigterweise von Breitbandtech-nik. Ein analoger und digitaler terrestrischer, also „erdgebundener“ TV-Kanal ist 6, 7 oder 8 MHz breit, über Satellit werden sogar bis zu 36 MHz breite Kanäle benutzt. Es ist kein Wunder, dass vor allem das Breitband-TV-Kabel nun einen neuen Boom erlebt, nämlich als Medium für einen Hochgeschwindigkeits-Internetzugang im Heimbereich im Mbit/s-Bereich über die sog. Rückkanaltechnik bei Verwendung von Kabelmodems.

Die Grundlagen für das analoge Fernsehen wurden schon 1883 von Paul Nipkow bei der Entwicklung der sog. Nipkow-Scheibe gelegt. Paul Nip-kow hatte die Idee, ein Bild durch zeilenweise Zerlegung zu übertragen. Erste wirkliche analoge TV-Übertragungen im eigentlichen Sinne gab es schon in den 30er Jahren. Einen wirklichen Startschuss für das analoge Fernsehen gab es jedoch, gebremst durch den 2. Weltkrieg, erst in den 50er Jahren zuerst als Schwarzweiß-Fernsehen. Farbig wurde der Fernseher dann gegen Ende der 60er Jahre und seit dieser Zeit wurde diese TV-Technik im wesentlichen nur noch sowohl im Studiobereich als auch im Heimbereich verfeinert. Am wesentlichen Prinzip hat sich nichts mehr ge-ändert. Oft sind die analogen TV-Übertragungen von der Bildqualität so perfekt, dass man sich schwer tut, jemandem ein Empfangsgerät für digita-les Fernsehen zu verkaufen.

In den 80er Jahren wurde mit D2MAC versucht, den traditionellen Weg des analogen Fernsehens zu verlassen. Dies ist aber aus verschiedensten Gründen nicht gelungen; D2MAC ist gescheitert. Vor allem in Japan und USA wurden parallel hierzu auch Bestrebungen für die Übertragungen von hochauflösendem Fernsehen angestrengt. Weltweite Verbreitung haben all diese Verfahren nicht gefunden. Einen kleinen Sprung hat in Europa das PAL-System 1991 durch die Einführung von PALplus erlebt. Dieser ist aber nur unwesentlich marktmäßig bis in den Endgerätebereich durchge-schlagen und ist heute wieder bedeutungslos.

Digitale Fernsehsignale gibt es im Studiobereich seit etwa Anfang der 90er Jahre und zwar als unkomprimierte digitale TV-Signale gemäß "CCIR 601". Diese Datensignale weisen eine Datenrate von 270 Mbit/s auf und sind für die Verteilung und Verarbeitung im Studiobereich bestens ge-eignet und heute sehr beliebt; sie eignen sich aber keinesfalls für die Aus-strahlung und Übertragung bis hin zum Endteilnehmer. Hierfür würden die Kanalkapazitäten über Kabel, terrestrische Kanäle und Satellit keinesfalls auch nur annähernd ausreichen. Bei HDTV-Signalen liegt die Datenrate unkomprimiert bei über 1 Gbit/s. Ohne Komprimierung besteht keine Chance solche Signale auszustrahlen.

Als Schlüsselereignis für den digitalen TV-Bereich kann man die Fixie-rung des JPEG-Standards ansehen. JPEG steht für Joint Photographics Ex-

3

pert Group, also Expertengruppe für Standbildkomprimierung. Bei JPEG wurde Ende der 80er Jahre erstmals die Diskrete Cosinus-Transformation (DCT) zur Standbildkomprimierung angewendet. Heute ist JPEG ein gän-giger Standard im Datenbereich und wird sehr erfolgreich im Bereich der digitalen Fotographie eingesetzt. Die digitalen Fotoapparate erlebten einen regelrechten Boom. Es ist jetzt schon so, dass dieses Medium die klassi-sche Fotographie in vielen Bereichen ersetzt hat.

Die DCT wurde auch für MPEG der Basisalgorithmus. Die Moving Pic-tures Expert Group hat bis 1993 den MPEG-1 und bis 1995 den MPEG-2-Standard entwickelt. MPEG-1 hatte als Ziel, bei Datenraten bis 1.44 Mbit/s Bewegtbild-Wiedergabe mit der CD als Datenträger zu realisieren. Das bei MPEG-2 gesteckte Ziel war höher, MPEG-2 sollte schließlich weltweit das Basisbandsignal für digitales Fernsehen werden. Zunächst war bei MPEG-2 nur Standard Definition Television (SDTV) vorgesehen, es wur-de aber auch High Definition Television (HDTV) realisiert, was ursprüng-lich angeblich als MPEG-3 vorgesehen war. MPEG-3 gibt es aber nicht und hat auch nichts mit den MP3-Files zu tun. Im Rahmen von MPEG-2 wurde sowohl die MPEG-Datenstruktur beschrieben (ISO/IEC 13818-1) als auch ein Verfahren zur Bewegtbild-Komprimierung (ISO/IEC 13818-2) und Verfahren zur Audiokomprimierung (ISO/IEC 13181-3) definiert. Diese Verfahren kommen nun weltweit zum Einsatz. MPEG-2 erlaubt es nun, diese digitalen TV-Signale von ursprünglich 270 Mbit/s auf etwa 2 ... 7 Mbit/s zu komprimieren. Auch die Datenrate eines Stereo-Audiosignals von unkomprimiert etwa 1.5 Mbit/s lässt sich auf etwa 100 ... 400 kbit/s reduzieren, typischerweise auf 192 kbit/s. Durch diese hohen Kompressi-onsfaktoren lassen sich jetzt sogar mehrere Programme zu einem Daten-signal zusammenfassen, das dann in einem z.B. 8 MHz breiten ursprüng-lich analogen TV-Kanal Platz hat.

Mittlerweile gibt es MPEG-4, MPEG-7 und MPEG-21. Anfang der 90er Jahre wurde dann DVB - Digital Video Broadcasting

als europäisches Projekt gegründet. Im Rahmen dieser Arbeiten wurden mehrere Übertragungsverfahren entwickelt, nämlich DVB-S, DVB-C und DVB-T, sowie jetzt auch DVB-H und DVB-S2. Über Satellit wird das Übertragungsverfahren DVB-S schon seit etwa 1995 benutzt. Unter Ver-wendung des Modulationsverfahren QPSK bei etwa 33 MHz breiten Satel-litenkanälen ist hierbei eine Bruttodatenrate von 38 Mbit/s möglich. Bei ca. 6 Mbit/s pro Programm ist es hier möglich, bis zu 6, 8 oder gar 10 Pro-gramme je nach Datenrate und Inhalt nun in einem Kanal zu übertragen. Oft findet man über 20 Programme in einem Kanal, darunter dann jedoch auch sehr viele Hörfunk-Programme. Über Koax-Kabel wird bei DVB-C mit Hilfe von 64QAM-Modulation ebenfalls eine Datenrate von 38 Mbit/s bei nur 8 MHz Bandbreite zur Verfügung gestellt. Heutige HFC-Netze (=

4 1 Einleitung

Hybrid Fibre Coax) erlauben jetzt auch Datenraten von über 50 Mbit/s pro Kanal. Auch DVB-C ist seit etwa 1995 im Einsatz. Digitales terrestrisches Fernsehen DVB-T startete 1998 in Großbritannien im 2K-Mode flächen-deckend. Weltweit breitet sich dieser terrestrische Weg zur Ausstrahlung von digitalen TV-Signalen immer mehr aus. Bei DVB-T sind Datenraten zwischen 5...31 Mbit/s möglich. Üblicherweise liegt hier die tatsächlich verwendete Datenrate bei etwa 20 ... 22 Mbit/s, wenn ein DVB-T-Netz für Dachantennenempfang („fixed antenna reception“) ausgelegt worden ist oder bei ca. 13 ...15 Mbit/s bei „portable indoor“. In Deutschland wird momentan von Region zu Region komplett vom analogen terrestrischen Fernsehen auf DVB-T umgestellt. Dieser Umstieg wird in Deutschland Ende 2008 abgeschlossen sein.

In Nordamerika kommen andere Verfahren zum Einsatz. Anstelle von DVB-C wird für die Kabelübertragung hier ein sehr ähnliches Verfahren gemäß dem Standard ITU-J83B eingesetzt. Im terrestrischen Bereich wird dort das ATSC-Verfahren angewendet. ATSC steht für Advanced Televi-sion Systems Committee. Auch in Japan kommen eigene Übertragungsver-fahren zur Anwendung, nämlich im Kabelbereich ITU-J83C, ebenfalls sehr nach verwandt mit DVB-C (= ITU J83A) und im terrestrischen Be-reich wird der ISDB-T-Standard verwendet. In China ist ein weiteres ter-restrisches Übertragungsverfahren im Einsatz (DTMB). Gemeinsam haben alle diese Verfahren das MPEG-2-Basisbandsignal.

1999 ist dann auch der Startschuss für eine weitere Applikation gefallen, nämlich die DVD. Auf der DVD-Video, der Digital Versatile Disc wird ebenfalls MPEG-2-Datenstrom mit MPEG-Video, MPEG oder Dolby Di-gital Audio angewendet.

Mittlerweile wurde der Bereich des Digitalen Fernsehens auf den mobi-len Empfang erweitert; es wurden Standards für die Empfangbarkeit sol-cher Dienste auf Mobiltelefonen entwickelt. DVB-H – Digital Video Broadcasting for Handhelds und T-DMB – Terrestrial Digital Multimedia Broadcasting sind die Schlagwörter hierfür.

Dieses Buch beschäftigt sich mit allen gegenwärtigen digitalen TV-Übertragungsverfahren, also MPEG, DVB, ATSC und ISDB-T. In Ansät-zen wird auch die DVD-Video diskutiert. Den Schwerpunkt stellt die mög-lichst praxisnahe Behandlung dieser Themen dar. Mathematische Darstel-lungen werden zwar verwendet, aber meist nur zur Ergänzung eingesetzt. Der mathematische Ballast soll für den Praktiker so gering wie möglich gehalten werden. Dies hat nichts mit einer möglichen Abneigung des Au-tors mit dem Thema Mathematik zu tun, ganz im Gegenteil. Im Rahmen vieler Seminare mit zusammen Tausenden von Teilnehmern weltweit wur-den Präsentationsformen entwickelt, die zum besseren und leichteren Ver-ständnis dieser teilweise sehr komplexen Themen beigetragen haben. Zum

5

Teil sind auch Grundlagenkapitel wie Digitale Modulation oder Transfor-mationen in den Frequenzbereich im Buch enthalten, die dann vom einen oder anderen Leser teilweise übersprungen werden können. Erfahrungs-gemäß empfiehlt sich jedoch auch diese Lektüre, bevor mit dem eigentli-chen Thema „Digitales Fernsehen“ gestartet wird. Ein großer Schwerpunkt ist die Messtechnik an diesen verschiedenen digitalen TV-Signalen. Not-wendige und sinnvolle Messtechniken werden ausführlich besprochen und praktische Beispiele und Hinweise gegeben.

Table 1.1. Verfahren und Standards für digitales Fernsehen und digitalen Hörfunk

Verfahren/Standards Anwendung JPEG Standbildkomprimierung, Fotographie, Internet Motion-JPEG DVPRO, MiniDV, Digitale Heimvideokamera MPEG-1 Video auf CD MPEG-2 Basisbandsignal für digitales Fernsehen, DVD-Video DVB Digital Video Broadcasting DVB-S Digitales Fernsehen über Satellit DVB-S2 Neuer DVB-Satellitenstandard DVB-C Digitales Fernsehen über Breitbandkabel DVB-T Digitales terrestrisches Fernsehen MMDS Multipoint Microwave Distribution System, lokale ter-

restrische Multipunktausstrahlung von digitalem Fernse-hen als Ergänzung zum Breitbandkabel

J83A = DVB-C J83B Nordamerikanischer Kabelstandard J83C Japanischer Kabelstandard ATSC Nordamerikanischer Standard für digitales terrestrisches

Fernsehen (USA, Kanada) ISDB-T Japanischer Standard für digitales terrestrisches Fernse-

hen DTMB Chinesischer Standard für digitales terrestrisches Fern-

sehen (Digital Terrestrial Multimedia Broadcasting) DAB Digital Audio Broadcasting T-DMB Südkoreanischer Standard für mobile Übertragung von

MPEG-Video und Audio basierend auf DAB (Terrestrial Digital Multimedia Broadcasting)

DVB-H Digital Video Broadcasting for Handhelds MHP Multimedia Home Platform DRM Digital Radio Mondiale MediaFLO Media Forward Link Only – mobile TV Standard DVB-SH DVB for Handheld Terminals via Satellite and Terres-

trial DVB-T2 Second Generation Digital Terrestrial Video Broadcast-

ing

6 1 Einleitung

Praktische Erkenntnisse und Erlebnisse v.a. aus viele Seminarreisen des Autors wurden soweit wie möglich, immer wieder in die einzelnen Kapitel eingebaut. Vom Inhalt her ist dieses Buch so aufgebaut, dass beim analo-gen TV-Basisbandsignal gestartet wird, um dann den MPEG-2-Datenstrom, digitales Video, digitales Audio und die Komprimierungsver-fahren zu besprechen. Nach einem Ausflug in die digitalen Modulations-verfahren werden dann alle Übertragungsverfahren wie DVB-S, DVB-C, ITU-J83ABC, DVB-T, ATSC und ISDB-T z.T. bis ins Detail behandelt. Dazwischen finden sich dann die Kapitel zur jeweiligen Messtechnik. Es wird auch auf DAB – Digital Audio Broadcasting basierende Übertra-gungsverfahren eingegangen. Mit dem Hörfunk-Übertragungsstandard DRM – Digital Radio Mondiale, sowie den Möglichkeiten digitalen Hör-funk auch über DVB zu übertragen, beschäftigt sich dieses Buch nun auch deutlicher mit dem Thema „Digitaler Hörfunk“. Da eine Trennung der Themen Fernsehen, Hörfunk und auch Multimedia eh nicht mehr möglich ist, erfolgte eine Umbenennung des Titels in „Digitale Fernseh- und Hör-funktechnik in Theorie und Praxis“. Der Anteil der Fernsehtechnik nimmt aber den größeren Teil in Anspruch.

Die innerhalb dieses Buches diskutierten Verfahren und Standards zum Themenbereich "Digitales Fernsehen und Digitaler Hörfunk" sind in Ta-belle 1.1. aufgeführt. Mittlerweile sind neue Standards, wie DVB-SH, DVB-T2 erschienen; auch diese werden schon teilweise, soweit bekannt, beschrieben. Obwohl versucht wird, immer so aktuell wie möglich zu sein, muss doch auch bei einer neuen Auflage ein Schnitt gemacht werden; bis zur Erscheinung des Werks gäbe es schon wieder viele Dinge zu berichten. Literatur: [ISO13818-1], [ISO13818-2], [ISO13818-3], [ETS300421], [ETS300429], [ETS300744], [A53], [ITU205], [ETS300401], [ETS101980].

2 Analoges Fernsehen

Beim Analogen Fernsehen gibt es weltweit zwei Hauptstandards, nämlich das 625-Zeilensystem mit 50 Hz Bildwechselfrequenz und das 525-Zeilensystem mit 60 Hz Bildwechselfrequenz. Und bezüglich der Farb-übertragungsart beim Composite-Videosignal (FBAS=Farb-Bild-Austast-Synchron-Signal, CVBS=Color Video Blanking Signal) unterscheidet man zwischen

• PAL (= Phase Alternating Line) • SECAM (= Sequentielle a Memoire) • NTSC (= North American Television System Committee)

PAL, SECAM und NTSC-Farbübertragung ist in 625- und 525-

Zeilensystemen möglich. Es wurden aber nicht alle Kombinationen wirk-lich realisiert. Das geschlossen codierte Videosignal wird dann einem Trä-ger, dem Bildträger in den meisten Fällen negativ amplitudenmoduliert (AM) aufgeprägt. Lediglich beim Standard L (Frankreich) wird mit Posi-tiv-Modulation (Sync innen) gearbeitet. Der erste und zweite Tonträger ist üblicherweise ein frequenzmodulierter (FM) Träger. Es wird jedoch auch mit einem amplitudenmodulierten Tonträger gearbeitet (Std. M/Nordamerika). In Nordeuropa findet man beim 2. Tonträger einen digi-tal modulierten NICAM-Träger. Die Unterschiede zwischen den in den einzelnen Ländern verwendeten Verfahren liegen zwar meist nur im De-tail, ergeben aber in Summe eine Vielzahl von unterschiedlichen nicht un-tereinander kompatiblen Standards. Die Standards des analogen Fernse-hens sind alphabetisch von A...Z durchnummeriert und beschreiben im wesentlichen die Kanalfrequenzen und Bandbreiten in den Frequenzbän-dern VHF Band I, III (47...68 MHz, 174 ... 230 MHz), sowie UHF Band IV und V (470 ... 862 MHz); Beispiel: Standard B, G Deutschland: B = 7 MHz VHF, G = 8 MHz UHF.

In der Videokamera wird jedes Teilbild in eine Zeilenstruktur zerlegt (Abb. 2.1.), in 625 bzw. 525 Zeilen. Wegen der endlichen Strahlrücklauf-zeit im Fernsehempfänger wurde jedoch eine Vertikal- und Horizontalaus-tastlücke notwendig. Somit sind nicht alle Zeilen sichtbare Zeilen, sondern

8 2 Analoges Fernsehen

Zeilen der Vertikalaustastlücke. Auch innerhalb einer Zeile ist nur ein be-stimmter Teil tatsächlich sichtbar. Beim 625-Zeilensystem sind 50 Zeilen nicht sichtbar, die Anzahl der sichtbaren Zeilen beträgt hier 575. Beim 525-Zeilensystem fallen zwischen 38 und 42 Zeilen in den Bereich der Vertikalaustastlücke.

Zur Reduzierung des Flimmereffektes wird jedes Vollbild in zwei Halb-bilder eingeteilt. Zu Halbbildern sind die geradzahligen bzw. die ungerad-zahligen Zeilen zusammengefasst. Die Halbbilder werden abwechselnd übertragen und ergeben zusammen eine Halbbildwechselfrequenz, die dop-pelt so groß ist, wie die Bildwechselfrequenz. Der Beginn einer Zeile ist durch den Horizontal-Synchronimpuls markiert, einem Impuls, der im Vi-deosignal unter Null Volt zu liegen kommt und -300 mV groß ist. Jeder Zeitpunkt im Videosignal ist auf die Sync-Vorderflanke und dort exakt auf den 50%-Wert bezogen. 10 μs nach der Sync-Vorderflanke beginnt beim 625-Zeilensystem der aktive Bildbereich in der Zeile. Der aktive Bildbe-reich ist hier 52 μs lang.

Abb. 2.1. Einteilung eines Bildes in Zeilen

Zunächst wird in der Matrix in der Videokamera das Luminanzsignal (=

Y-Signal oder Schwarzweißsignal), das Helligkeitsdichtesignal gewonnen und in ein Signal umgesetzt, das einen Spannungsbereich zwischen 0 Volt (entspricht hierbei Schwarz) und 700 mV (entspricht 100% Weiß) auf-weist. Ebenfalls in der Matrix in der Videokamera werden aus Rot, Grün und Blau die Farbdifferenzsignale gewonnen. Man hat sich für Farbdiffe-renzsignale entschieden, da zum einen die Luminanz aus Kompatibilitäts-gründen zum Schwarz-Weiß-Fernsehen getrennt übertragen muss und man

A B C SichtbareZeilen

SichtbarerTeil derZeilen

Vertikal-austastlücke

Horizontal-austastlücke

A B C SichtbareZeilen

SichtbarerTeil derZeilen

A B C SichtbareZeilen

SichtbarerTeil derZeilen

Vertikal-austastlücke

Horizontal-austastlücke

2.1 Abtastung einer Schwarz-Weiß-Bildvorlage 9

anderseits eine möglichst effektive bandbreitensparende Farbübertragung wählen wollte. Aufgrund des reduzierten Farbauflösungsvermögens des menschlichen Auges kann man nämlich die Bandbreite der Farbinfor-mation reduzieren.

Abb. 2.2. Analoges FBAS-Signal oder Composite-Video Signal (PAL)

Abb. 2.3. Vektordiagramm eines Composite-Videosignals (PAL)

10 2 Analoges Fernsehen

Tatsächlich wird die Farbbandbreite gegenüber der Luminanzbandbreite deutlich reduziert. Die Luminanzbandbreite liegt zwischen 4.2 MHz (Std. M), 5 MHz (Std. B/G) und 6 MHz (Std. D/K, L), die Chrominanzbandbrei-te ist hingegen meist nur 1.3 MHz.

Im Studiobereich arbeitet man noch direkt mit den Farbdifferenzsigna-len U=B-Y und V=R-Y. Zur Übertragung werden U und V, die Farbdiffe-renzsignale aber einem Farbträger vektor-moduliert (IQ-moduliert, Abb. 2.3.) aufgeprägt im Falle von PAL und NTSC. Bei SECAM wird die Farb-information frequenzmoduliert übertragen. PAL, SECAM und NTSC ha-ben aber alle gemeinsam, dass die Farbbinformation einem höherfrequen-ten Farbträger aufmoduliert wird, der im oberen Ende des Videofrequenzbereiches zum Liegen kommt und dem Luminanzsignal ein-fach durch Addition zugesetzt wird (Abb. 2.2.). Die Frequenz des Farbträ-gers wurde dabei jeweils so gewählt, dass sie den Luminanzkanal mög-lichst wenig stört. Oft ist jedoch ein Übersprechen zwischen Luminanz- und Chrominanz und umgekehrt nicht vermeidbar, z.B. wenn ein Nach-richtensprecher einen Nadelstreifenanzug gewählt hat. Die dann sichtbaren farbigen Effekte am Nadelstreifenmuster entstehen durch dieses Überspre-chen (Cross-Color-, Cross-Luminanz-Effekte).

Endgeräte können folgende Videoschnittstellen aufweisen:

• FBAS/CCVS 75 0hm, 1Vss (geschlossen kodiertes Videosignal, Abb. 2.2.)

• RGB-Komponenten (Scart) • Y/C (Luminanz und Chrominanz getrennt geführt zur Vermeidung

von Cross-Color/Cross-Luminanz). Beim digitalen Fernsehen ist bei der Verdrahtung zwischen den Recei-

vern und dem TV-Monitor möglichst eine RGB (Scart) - Verbindung oder eine Y/C - Verbindung zu wählen, um eine optimale Bildqualität zu errei-chen.

Beim digitalen Fernsehen werden nur noch Vollbilder übertragen, keine Halbbilder mehr. Erst am Ende der Übertragungsstrecke findet wieder eine Generierung von Halbbildern in der Settop-Box statt. Aber das ursprüngli-che Quellmaterial liegt im Zeilensprungverfahren vor. Bei der Kompressi-on muss dies entsprechend berücksichtigt werden (Halbbild-Codierung, Field-Codierung).

2.1 Abtastung einer Schwarz-Weiß-Bildvorlage 11

2.1 Abtastung einer Schwarz-Weiß-Bildvorlage

Zu Beginn des Zeitalters der Fernsehtechnik war diese nur „Schwarz-Weiß“. Die damals in den 50er Jahren verfügbare Schaltungstechnik be-stand aus Röhrenschaltungen, die relativ groß, anfällig und auch ziemlich energieintensiv waren. Der damalige Fernsehtechniker war wirklich noch Reparaturfachmann und kam im Falle einer Störung mit seinem „Röhren-koffer“ auf Kundenbesuch.

Betrachten wir zunächst, wie sich ein solches Schwarz-Weiß-Signal, ein sog. Luminanzsignal zusammensetzt, bzw. entsteht. Als beispielhafte Bildvorlage soll der Buchstabe „A“ dienen (siehe Abb. 2.4.). Das Bild wird mit einer TV-Kamera gefilmt und dabei zeilenförmig von dieser ab-getastet. In früheren Zeiten geschah dies durch eine Röhrenkamera, bei der ein Lesestrahl (Elektronenstrahl) eine lichtempfindliche Schicht in der Röhre, auf die das Bild durch eine Optik projiziert wurde, zeilenförmig abgetastet hat. Die Ablenkung des Elektronenstrahles erfolgte durch hori-zontale und vertikale Magnetfelder.

Abb. 2.4. Abtastung einer Schwarz-Weiß-Bildvorlage

Heute werden jedoch ausnahmslos CCD-Chips (Charge Coupled Devi-

ces = Eimerkettenspeicher) in den Kameras verwendet. Lediglich in den TV-Empfängern ist uns das Prinzip des abgelenkten Elektronenstrahles noch erhalten geblieben, auch wenn sich hier die Technik wandelt (Plas-ma- und LCD-Empfänger).

Beim Abtasten der Bildvorlage entsteht das sogenannte Leuchtdichte-signal oder Luminanz-Signal. 100% Schwarz entsprechen hierbei 0 mV

123456789101112

700mV = Weiß

0mV = SchwarzZeile 3

12 2 Analoges Fernsehen

und 100% Weiß 700 mV. Die Bildvorlage wird zeilenförmig von oben nach unten abgetastet. Es entstehen die sog. Videozeilen, entweder 625 oder 525 je nach TV-Standard. Es sind aber nicht alle Zeilen sichtbar. We-gen der endlichen Strahlrücklaufzeit musste eine Vertikalaustastlücke von bis zu 50 Zeilen gewählt werden. Auch innerhalb einer Zeile ist nur ein be-stimmter Teil ein sichtbarer Bildinhalt. Grund hierfür ist die endliche Strahlrücklaufzeit vom rechten zum linken Bildrand, die Horizontalaustastlücke. Abb. 2.4. zeigt die Beispielvorlage und Abb. 2.5. das zugehörige Videosignal.

2.2 Horizontal- und Vertikal-Synchronimpuls

Nun ist es jedoch notwendig, in einem Videosignal den linken und rechten Bildrand, aber auch den oberen und unteren in irgendeiner Form zu mar-kieren. Dies geschieht mit Hilfe der Horizontal- und Vertikal-Synchronimpulse. Beide Impulsarten wurden zu Beginn des Fernsehzeital-ters so geschaffen, dass sie vom Empfänger leicht zu erkennen und zu un-terscheiden waren – sie liegen im ultraschwarzen, nicht sichtbaren Bereich unter Null Volt.

Abb. 2.5. Einfügen des Horizontal-Synchronimpulses

Der Horizontal-Synchronimpuls (Abb. 2.5.) markiert den Beginn einer

Zeile. Als Zeilenbeginn gilt der 50%-Wert der Synchronimpuls-Vorderflanke (-150 mV nominal). Auf diesen Zeitpunkt sind alle Zeiten innerhalb einer Zeile bezogen. 10 μs nach der Sync-Vorderflanke beginnt per Definition die aktive Zeile, die 52 μs lang ist. Der Sync-Impuls selbst ist 4.7 μs lang und verharrt während dieser Zeit auf –300 mV.

700mV = Weiß

0mV = Schwarz

sichtbarerBereich

H-Sync-300mV

Aus-tast-lücke

2.2 Horizontal- und Vertikal-Synchronimpuls 13

Zu Beginn der Fernsehtechnik musste man mit den Möglichkeiten der damaligen eingeschränkten, aber immerhin schon erstaunlichen Impuls-Verarbeitungstechnik zurecht kommen. Das spiegelt sich auch in der Be-schaffenheit der Synchronimpulse wieder. Der Horizontal-Synchronimpuls (H-Sync) ist als relativ kurzer Impuls (ca. 5 μs) ausgelegt worden. Der Vertikal-Synchronimpuls (V-Sync) ist dagegen 2.5 Zeilen lang (ca. 160 μs). Die Länge einer Zeile inclusive H-Sync beträgt in einem 625-Zeilensystem 64 μs. Der V-Sync lässt sich deswegen leicht vom H-Sync unterscheiden. Der V-Sync (Abb. 2.6.) liegt ebenfalls im ultraschwarzen Bereich unter Null Volt und markiert den Beginn eines Bildes bzw. Halb-bildes.

Abb. 2.6. Vertikal-Synchronimpuls

Wie schon erwähnt, wird ein Bild, das in einem 625-Zeilensystem eine

Bildwechselfrequenz von 25 Hz = 25 Bilder pro Sekunde aufweist, in 2 Halbbilder (Fields) unterteilt. Dies geschieht deswegen, weil man dann damit die Trägheit des menschlichen Auges überlisten kann und Flimmer-effekte weitestgehend unsichtbar machen kann. Ein Halbbild besteht aus den ungeradzahligen Zeilen, das andere aus geradzahligen Zeilen. Die Halbbilder werden abwechselnd übertragen, es ergibt sich somit in einem 625-Zeilensystem eine Halbbildwechselfrequenz von 50 Hz. Ein Vollbild (Beginn des 1. Halbbildes) beginnt dann, wenn genau zu Beginn einer Zei-le der V-Sync 2.5 Zeilen lang auf –300 mV Pegel geht. Das 2. Halbbild beginnt, wenn der V-Sync in der Mitte einer Zeile genau gesagt bei Zeile 313 zweieinhalb Zeilen lang auf –300 mV Pegel sinkt.

1 Zeilenlänge

Beginn Zeile 1 des 1. Halbbildes

Mitte Zeile 313 des 2. Halbbildes

Vertikal-Synchronimpuls

2.5 Zeilenlängen