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IKS
                               Broadcast Systems




                                    Kapitel 2
                Analoge Fernsehtechnik - Grundlagen




Dipl.-Ing. Peter Schrotter            Broadcast Systems, SS 2011           1




                                    Bildzeilen                            IKS


• Prinzip: Zerlegung des Bildes in Zeilen
• geringe Zeilenzahl in den ursprünglichen Systemen
• Fernsehnormen nach Standard Definition:
       – NTSC: 525 Zeilen (480 sichtbar)
       – PAL, SECAM: 625 Zeilen (576 sichtbar)
• Fernsehnormen nach High-Definition:
       – nahezu einheitlich: 1080 Zeilen
       – Ausnahme: ATSC-Varianten
• Beschränkungen der analogen Standard-Definition Verfahren:
       –   geringe Zeilenzahl und Horizontalauflösung: Detailwiedergabe
       –   Großflächenflimmern (50 Hz)
       –   Zeilenflackern (25 Hz)
       –   Luminanz/Chrominanz-Übersprechen (Cross-Colour-Effekt)

Dipl.-Ing. Peter Schrotter            Broadcast Systems, SS 2011           2
Bildaufbau                           IKS


• Repräsentation durch örtliche Verteilung von Leuchtdichtewerten
       – Zeilenweise und zeitdiskrete Abtastung möglich (Trägheit des Auges)




• Qualität: Auflösung bzw. Zeilenzahl
• Betrachtungsabstand entscheidend

Dipl.-Ing. Peter Schrotter            Broadcast Systems, SS 2011            3




                             Berechnung der Zeilenzahl                   IKS


• optimaler Betrachtungs-
  abstand:
       – 5fache Bildhöhe
         d=5h

       – Zeilenstruktur gerade
         nicht mehr sichtbar
         (Auflösungsgrenze
         des Auges)
                                                                   h
                             1                       h
• Grenzwinkel des Auges:     tan   z 
                            40                  d dz
                                                 h          1
                           Zeilenzahl z                          500
                                            d  tan  5  4 10  4
• in Europa: 576 sichtbare Zeilen

Dipl.-Ing. Peter Schrotter            Broadcast Systems, SS 2011            4
Bewegungsauflösung                       IKS


•    min. 15 - 20 Bilder/s erforderlich
•    Film: 24 Bilder/s
•    Fernsehen: 25 Bilder/s (Europa) bzw. 30 Bilder/s (USA)
       – Bildwiederholrate vom üblichen Wechselstromnetz abhängig
                                                    1
                                      Bilddauer:       s = 40 ms
                                                    25

                                                           1 / 25
                                      Zeilendauer: Th             64 µs
                                                            625
                               horizontale Zeilenfrequenz: fh = 15625 Hz
•    Telecine: optische Filmabtastung -> analoger / digitaler Videosignale
       – PAL Speedup: etwas schneller abspielen, kürzere Spielzeit (96%)
       – 3:2 Pull-Down bei NTSC: aus 4 Bildern werden 5 Bilder gemacht, Probleme
         bei Inverse Telecine (LCD, Plasma, 100 Hz)

Dipl.-Ing. Peter Schrotter                      Broadcast Systems, SS 2011         5




                             Zeilensprungverfahren (Interlacing)              IKS


• Bewegungsauflösung: 25 Bilder/s
• Bei hohen Leuchtdichten stören Leuchtdichteänderungen
                     -> Großflächenflimmern
• Wäre Nachleuchtdauer der Schirmbeschichtung länger:
       – Schleier bei Bewegungen (Röhrengeräte)
       – kein Problem bei LCDs
• Statt 25 Bilder/s (frames/s):
  50 Halbbilder/s (fields/s)
       – 1. Halbbild: ungerade Zeilen
       – 2. Halbbild: gerade Zeilen
       – 625/2 nicht ganzzahlig
         erleichtert Wiedergabe bei
         konstant durchlaufendem
         Oszillator
Dipl.-Ing. Peter Schrotter                      Broadcast Systems, SS 2011         6
Bildflimmern                                 IKS


• Zwei Flimmerstörungen:
       – 50 Hz Großflächenflimmern
       – 25 Hz Kantenflackern: waagrechte helle Linien, nur in einem Halbbild


                                   Reduktion des Bildflimmerns:
• Erhöhung der Bildwiederholrate
       – Auge kann durch Trägheit Einzelbilder integrieren
       – 100 Hz Bildwiedergabe: 50 Vollbilder/s dargestellt
       – 200 Hz Bildwiedergabe: 100 Vollbilder/s dargestellt
• Verdopplung der Zeilenzahl
       – Projektionstechnik: Linedoubler, De-Interlacer
       – Prinzipien: Line Insert, Interpolation, Field Insert

Dipl.-Ing. Peter Schrotter                    Broadcast Systems, SS 2011                   7




                    Funktionsweise: 100 Hz Bildwiedergabe                                IKS


• Beispiel: Bewegung von
  links nach rechts:
• 2 aufeinander folgende
  Bilder A, B mit Halb-
  bildern ,A1, A2, B1, B2




    100 Hz-                  Großflächen-    Kanten-              Speicher-    Bewegungs-
   Verfahren                   flimmern      flackern              bedarf      tauglichkeit
       Typ a                   beseitigt      bleibt             1 Halbbild         Ok
       Typ b                   beseitigt     beseitigt            1 Vollbild   Schmiereffekt
Dipl.-Ing. Peter Schrotter                    Broadcast Systems, SS 2011                   8
Synchronisation                                IKS


• Gleichlauf von Abtaststrahl (Kamera) und Schreibstrahl (Fernseh.)
• Bild- und Synchronisationsimpulse zur H- und V-Ablenkung nötig




Dipl.-Ing. Peter Schrotter           Broadcast Systems, SS 2011                9




                              H- und V-Impulse                                IKS


• Strahlrücklauf muß beim Empfänger unsichtbar bleiben
       – während Strahlrücklauf: keine Bild-Information übertragen, da dies
         der Empfänger nicht darstellen könnte
• Nach Abtastung: Bildsignal mit vorläufiger Austastlücke > B-Signal
• Videoverstärker des Bildgebers: normgerechte Austastung (0 V)
  => BA-Signal




Dipl.-Ing. Peter Schrotter           Broadcast Systems, SS 2011               10
Bild-Austast-Synchron-Signal (BAS)                    IKS


• Synchronimpulse H+V mit neg. Potential in Austastlücke gelegt ->
  BAS-Signal




Dipl.-Ing. Peter Schrotter            Broadcast Systems, SS 2011               11




                             BAS = Schwarz-Weiß-Signal                         IKS


• Bildsignal
       – Zeilenweise Informationen über die Helligkeitsverteilung der
         Bildvorlage
       – Analoge Spannung 0 – 0,7 V, Schwarz: 0 V, Weiß: 0,7 V
• Austastsignal
       – während Strahlenrücklauf
         (Signalpegel wird auf definiertem Austastwert gehalten)
       – Austastsignal wird unterhalb des Schwarzpegels gesendet
         => Elektronenstrahl wird in Dunkelphase zurückgeführt
       – horizontal: Zeilenrücklauf | vertikal: Rücklauf nach jedem Halbbild
• Synchronisationssignal
       – Synchronisation der Darstellung des Zeilenrasters
       – Synchronisationssignal für jede Bildschirmzeile
       – Übertragung während horizontaler Austastung, -0,3 V während 4,7 µs
Dipl.-Ing. Peter Schrotter            Broadcast Systems, SS 2011               12
H- und V-Synchronsignale                        IKS


• Kameraaussteuerung: Schwarzwert 2 - 3% über 0 V, damit
  Austastwert von Schwarz unterscheidbar




                        Bildvorlage mit zugehörigem H- und V-Oszillogramm

Dipl.-Ing. Peter Schrotter                    Broadcast Systems, SS 2011         13




                                              Zeiten                             IKS


                                    ganze Bildzeile:              Th = 64 µs
                                    Bildinhalt:                     tb = 52 µs
                             horizontale Austastlücke:            ta,h = 12 µs



                                 Amplitudenverhältnisse:

                             0,7 VSS (BA) + 0,3 VSS (S) = 1 VSS (BAS)




Dipl.-Ing. Peter Schrotter                    Broadcast Systems, SS 2011         14
Auflösung in horizontaler Richtung                IKS


• max. Auflösung in V-Richtung: 576 sichtbare Zeilen (SW-Streifen)
• Bildseitenverhältnis: 4:3
                                        4
           horizontale Auflösung : 576   768 Bildpunkte pro Zeile
                                        3
• horizontales Schwarz-Weiß-Punktemuster:
         max. Frequenz: 768 / 2 = 384 Grundschwingungen pro Zeile
                             52 µs Bildinhalt pro Zeile
                       768 1
                f              7,4 MHz horizontale Auflösung
                         2 52 s
    Aber: 576 Zeilen zu optimistisch. Realistisch ist max. Auflösung 400 Zeilen
       Aufgrund von Leitungseigenschaften und endlicher Ausdehnung des
             Abtaststrahls bzw. CCD-Sensors (siehe Kell-Experimente)
            übertragbare Zeilenzahl 4 1
      f                                   5 MHz  520 Grundschwingungen
                      2             3 52 s
Dipl.-Ing. Peter Schrotter                Broadcast Systems, SS 2011              15




                               Modulation des BAS-Signals                      IKS


•     Bild ist amplitudenmoduliert (AM), allerdings negativ, da:
       1. Impulsstörungen weniger sichtbar (schwarz)
       2. Synchronimpulse mit voller Sendeleistung abgestrahlt, damit auch
          bei stark verrauschtem Signal noch Synchronisation möglich
          (Synchronisation wichtiger als Inhalt)
       3. Negativmodulation: günstige Leistungsbilanz, da Spitzenleistung nur
          kurzfristig für Synch-Impulse benötigt.




Dipl.-Ing. Peter Schrotter                Broadcast Systems, SS 2011              16
Auflösungen                      IKS




•     3 Dimensionen der Auflösung:
       •     Horizontal: 5 MHz
       •     Vertikal: 576 Zeilen
       •     Zeitlich:
              •    25 Vollbilder (Frames) pro Sekunde
              •    50 Halbbilder (Fields) pro Sekunde




Dipl.-Ing. Peter Schrotter               Broadcast Systems, SS 2011   17




                                                                      IKS
                                   Broadcast Systems




                                        Kapitel 2
                                        ENDE




Dipl.-Ing. Peter Schrotter               Broadcast Systems, SS 2011   18

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  • 1. IKS Broadcast Systems Kapitel 2 Analoge Fernsehtechnik - Grundlagen Dipl.-Ing. Peter Schrotter Broadcast Systems, SS 2011 1 Bildzeilen IKS • Prinzip: Zerlegung des Bildes in Zeilen • geringe Zeilenzahl in den ursprünglichen Systemen • Fernsehnormen nach Standard Definition: – NTSC: 525 Zeilen (480 sichtbar) – PAL, SECAM: 625 Zeilen (576 sichtbar) • Fernsehnormen nach High-Definition: – nahezu einheitlich: 1080 Zeilen – Ausnahme: ATSC-Varianten • Beschränkungen der analogen Standard-Definition Verfahren: – geringe Zeilenzahl und Horizontalauflösung: Detailwiedergabe – Großflächenflimmern (50 Hz) – Zeilenflackern (25 Hz) – Luminanz/Chrominanz-Übersprechen (Cross-Colour-Effekt) Dipl.-Ing. Peter Schrotter Broadcast Systems, SS 2011 2
  • 2. Bildaufbau IKS • Repräsentation durch örtliche Verteilung von Leuchtdichtewerten – Zeilenweise und zeitdiskrete Abtastung möglich (Trägheit des Auges) • Qualität: Auflösung bzw. Zeilenzahl • Betrachtungsabstand entscheidend Dipl.-Ing. Peter Schrotter Broadcast Systems, SS 2011 3 Berechnung der Zeilenzahl IKS • optimaler Betrachtungs- abstand: – 5fache Bildhöhe d=5h – Zeilenstruktur gerade nicht mehr sichtbar (Auflösungsgrenze des Auges) h 1 h • Grenzwinkel des Auges:     tan   z  40 d dz h 1  Zeilenzahl z    500 d  tan  5  4 10  4 • in Europa: 576 sichtbare Zeilen Dipl.-Ing. Peter Schrotter Broadcast Systems, SS 2011 4
  • 3. Bewegungsauflösung IKS • min. 15 - 20 Bilder/s erforderlich • Film: 24 Bilder/s • Fernsehen: 25 Bilder/s (Europa) bzw. 30 Bilder/s (USA) – Bildwiederholrate vom üblichen Wechselstromnetz abhängig 1 Bilddauer: s = 40 ms 25 1 / 25 Zeilendauer: Th   64 µs 625 horizontale Zeilenfrequenz: fh = 15625 Hz • Telecine: optische Filmabtastung -> analoger / digitaler Videosignale – PAL Speedup: etwas schneller abspielen, kürzere Spielzeit (96%) – 3:2 Pull-Down bei NTSC: aus 4 Bildern werden 5 Bilder gemacht, Probleme bei Inverse Telecine (LCD, Plasma, 100 Hz) Dipl.-Ing. Peter Schrotter Broadcast Systems, SS 2011 5 Zeilensprungverfahren (Interlacing) IKS • Bewegungsauflösung: 25 Bilder/s • Bei hohen Leuchtdichten stören Leuchtdichteänderungen -> Großflächenflimmern • Wäre Nachleuchtdauer der Schirmbeschichtung länger: – Schleier bei Bewegungen (Röhrengeräte) – kein Problem bei LCDs • Statt 25 Bilder/s (frames/s): 50 Halbbilder/s (fields/s) – 1. Halbbild: ungerade Zeilen – 2. Halbbild: gerade Zeilen – 625/2 nicht ganzzahlig erleichtert Wiedergabe bei konstant durchlaufendem Oszillator Dipl.-Ing. Peter Schrotter Broadcast Systems, SS 2011 6
  • 4. Bildflimmern IKS • Zwei Flimmerstörungen: – 50 Hz Großflächenflimmern – 25 Hz Kantenflackern: waagrechte helle Linien, nur in einem Halbbild Reduktion des Bildflimmerns: • Erhöhung der Bildwiederholrate – Auge kann durch Trägheit Einzelbilder integrieren – 100 Hz Bildwiedergabe: 50 Vollbilder/s dargestellt – 200 Hz Bildwiedergabe: 100 Vollbilder/s dargestellt • Verdopplung der Zeilenzahl – Projektionstechnik: Linedoubler, De-Interlacer – Prinzipien: Line Insert, Interpolation, Field Insert Dipl.-Ing. Peter Schrotter Broadcast Systems, SS 2011 7 Funktionsweise: 100 Hz Bildwiedergabe IKS • Beispiel: Bewegung von links nach rechts: • 2 aufeinander folgende Bilder A, B mit Halb- bildern ,A1, A2, B1, B2 100 Hz- Großflächen- Kanten- Speicher- Bewegungs- Verfahren flimmern flackern bedarf tauglichkeit Typ a beseitigt bleibt 1 Halbbild Ok Typ b beseitigt beseitigt 1 Vollbild Schmiereffekt Dipl.-Ing. Peter Schrotter Broadcast Systems, SS 2011 8
  • 5. Synchronisation IKS • Gleichlauf von Abtaststrahl (Kamera) und Schreibstrahl (Fernseh.) • Bild- und Synchronisationsimpulse zur H- und V-Ablenkung nötig Dipl.-Ing. Peter Schrotter Broadcast Systems, SS 2011 9 H- und V-Impulse IKS • Strahlrücklauf muß beim Empfänger unsichtbar bleiben – während Strahlrücklauf: keine Bild-Information übertragen, da dies der Empfänger nicht darstellen könnte • Nach Abtastung: Bildsignal mit vorläufiger Austastlücke > B-Signal • Videoverstärker des Bildgebers: normgerechte Austastung (0 V) => BA-Signal Dipl.-Ing. Peter Schrotter Broadcast Systems, SS 2011 10
  • 6. Bild-Austast-Synchron-Signal (BAS) IKS • Synchronimpulse H+V mit neg. Potential in Austastlücke gelegt -> BAS-Signal Dipl.-Ing. Peter Schrotter Broadcast Systems, SS 2011 11 BAS = Schwarz-Weiß-Signal IKS • Bildsignal – Zeilenweise Informationen über die Helligkeitsverteilung der Bildvorlage – Analoge Spannung 0 – 0,7 V, Schwarz: 0 V, Weiß: 0,7 V • Austastsignal – während Strahlenrücklauf (Signalpegel wird auf definiertem Austastwert gehalten) – Austastsignal wird unterhalb des Schwarzpegels gesendet => Elektronenstrahl wird in Dunkelphase zurückgeführt – horizontal: Zeilenrücklauf | vertikal: Rücklauf nach jedem Halbbild • Synchronisationssignal – Synchronisation der Darstellung des Zeilenrasters – Synchronisationssignal für jede Bildschirmzeile – Übertragung während horizontaler Austastung, -0,3 V während 4,7 µs Dipl.-Ing. Peter Schrotter Broadcast Systems, SS 2011 12
  • 7. H- und V-Synchronsignale IKS • Kameraaussteuerung: Schwarzwert 2 - 3% über 0 V, damit Austastwert von Schwarz unterscheidbar Bildvorlage mit zugehörigem H- und V-Oszillogramm Dipl.-Ing. Peter Schrotter Broadcast Systems, SS 2011 13 Zeiten IKS ganze Bildzeile: Th = 64 µs Bildinhalt: tb = 52 µs horizontale Austastlücke: ta,h = 12 µs Amplitudenverhältnisse: 0,7 VSS (BA) + 0,3 VSS (S) = 1 VSS (BAS) Dipl.-Ing. Peter Schrotter Broadcast Systems, SS 2011 14
  • 8. Auflösung in horizontaler Richtung IKS • max. Auflösung in V-Richtung: 576 sichtbare Zeilen (SW-Streifen) • Bildseitenverhältnis: 4:3 4 horizontale Auflösung : 576   768 Bildpunkte pro Zeile 3 • horizontales Schwarz-Weiß-Punktemuster: max. Frequenz: 768 / 2 = 384 Grundschwingungen pro Zeile 52 µs Bildinhalt pro Zeile 768 1  f    7,4 MHz horizontale Auflösung 2 52 s Aber: 576 Zeilen zu optimistisch. Realistisch ist max. Auflösung 400 Zeilen Aufgrund von Leitungseigenschaften und endlicher Ausdehnung des Abtaststrahls bzw. CCD-Sensors (siehe Kell-Experimente) übertragbare Zeilenzahl 4 1 f     5 MHz  520 Grundschwingungen 2 3 52 s Dipl.-Ing. Peter Schrotter Broadcast Systems, SS 2011 15 Modulation des BAS-Signals IKS • Bild ist amplitudenmoduliert (AM), allerdings negativ, da: 1. Impulsstörungen weniger sichtbar (schwarz) 2. Synchronimpulse mit voller Sendeleistung abgestrahlt, damit auch bei stark verrauschtem Signal noch Synchronisation möglich (Synchronisation wichtiger als Inhalt) 3. Negativmodulation: günstige Leistungsbilanz, da Spitzenleistung nur kurzfristig für Synch-Impulse benötigt. Dipl.-Ing. Peter Schrotter Broadcast Systems, SS 2011 16
  • 9. Auflösungen IKS • 3 Dimensionen der Auflösung: • Horizontal: 5 MHz • Vertikal: 576 Zeilen • Zeitlich: • 25 Vollbilder (Frames) pro Sekunde • 50 Halbbilder (Fields) pro Sekunde Dipl.-Ing. Peter Schrotter Broadcast Systems, SS 2011 17 IKS Broadcast Systems Kapitel 2 ENDE Dipl.-Ing. Peter Schrotter Broadcast Systems, SS 2011 18