mini|Testbild, sogenannter „Farbbalken“ Analoge Fernsehsignale sind die ersten großflächig eingesetzten Verfahren zur analogen Bild- und Tonübertragung, die unter anderem im Bereich des Fernsehrundfunks eingesetzt wurden. Seit Mitte der 1990er Jahre werden analoge Fernsehübertragungsverfahren zunehmend durch das digitale Fernsehen abgelöst, welches verschiedene Bildkompressionsverfahren und digitale Modulationsverfahren im Rahmen von Normen wie DVB-T verwendet.
Dieser Artikel behandelt ausschließlich die analogen Varianten der Fernsehsignalübertragung.
Videosignale Videosignale (Videotechnik) sind keine echte Teilmenge des Fernsehsignals, weil sie anwendungsbezogen sind und deshalb dem Fernsehstandard nicht entsprechen müssen. Es besteht jedoch ein ökonomischer Anreiz zur Kompatibilität mit den in großer Stückzahl gefertigten und deshalb preiswerten Geräten des Systems Fernsehrundfunk (landesbezogene Fernsehtechnik) oder mit der in neuerer Zeit verfügbaren Computertechnik.
Die klassische Bildaufnahmeröhre liefert ein B-Signal (Bildsignal, nicht zu verwechseln mit dem Blausignal). Dieses B-Signal wird in der Fernsehkamera ausgetastet und ergibt das BA-Signal. BA bedeutet Bild mit Austastung.
Der Austastpegel ist jene Gleichspannung, die dem Signalverlauf während der Austastdauer entspricht. Dieser Austastpegel ist der Bezugspegel für die weitere Signalverarbeitung und -übertragung. Das BA-Signal kann als Multiplikation des B-Signals mit dem logischen Austastsignal (A-Signal) verstanden werden. Es war üblich, das A-Signal dem BA-Signal auch additiv beizumengen. Dieser Signalanteil wird als Abhebung bezeichnet und vereinfachte die Unterdrückung sichtbarer Bild- und Zeilenrückläufe.
Innerhalb des Studios wurden BA-Signale (0,7 V) verarbeitet und angezeigt. Die für den synchronen Betrieb erforderlichen Impulssignale lieferte ein Taktgeber über Impulsverteilerverstärker. Typisch war die Impulsgruppe H, V, A, S (Horizontal-, Vertikal-, Austast- und Synchronimpulse mit Uss = 4 V).
Das Ausgangssignal eines Studios der Schwarzweißtechnik wurde aus dem BA-Signal durch Hinzufügung des S-Signals (0,3 V) gebildet und als BAS-Signal bezeichnet.
Die Impulssignale gelten nicht als Videosignale, obwohl das S-Signal durchaus als Schwarzbild (BAS) interpretiert werden kann. In dem gleichen Sinne ist das A-Signal ein Weißbild (BA-Signal, also ohne S-Anteil). Mit dem Übergang zur Transistortechnik, der zeitlich weitgehend dem Übergang zum Farbfernsehen entsprach, wurde die Impulsgruppe zunehmend durch ein voreilendes Schwarzbild ersetzt. Dieses Schwarzbild enthielt dann auch jene Impulssignale, die wegen der Einführung der Farbe zusätzlich notwendig wurden.
Die beim Farbfernsehen verwendeten Signale Y, R, G, B (Leuchtdichtesignal und Farbwertkanäle) sind BA-Signale, die oft auch den S-Anteil enthalten und dann BAS-Signale sind. Der modulierte Farbträger ergab den weiteren Buchstaben F und das vollständige Farbbildsignal wurde als FBAS-Signal oder gegebenenfalls als FBA-Signal bezeichnet. In die Austastlücken des FBAS-Signals wurden Datensignale (Videotext, ggf. Ton, Steuersignale für die Taktgeneratoren) und Prüfzeilen eingebettet.
Der Signalbegriff Die Ausführungen über Videosignale zeigen, dass der übliche Signalbegriff der Physik den Anforderungen kaum gerecht wird. Bei einem Signal geht es immer um die relativ willkürliche Interpretation, die der Empfänger vornimmt. Ein Signal ist eine nichtleere Menge von Größen. In den hier betrachteten Fällen sind die Größen vorzugsweise elektrische Spannungen, die insbesondere Bild und Ton entsprechen.
Bereits im Jahr 1865 wurde mit dem Pantelegraphen eine Einrichtung betrieben, die zwei in Zeilen zerlegte Bilder zeilenweise zeitmultiplex übertrug, wobei das Signal wertediskret („ein“ – „aus“), aber bezüglich der Zeit kontinuierlich war. Die Bildquelle waren keine Ladungsbilder, wie in den üblichen Aufnahmeröhren, sondern Leitfähigkeitsbilder, die mit isolierender Tinte auf eine leitfähige Folie gemalt oder geschrieben wurden. Dieses frühe Fax-Gerät schrieb elektrochemisch und benutzte synchronisiert schwingende Pendel mit elektrischen Haltemagneten. Das Bildsignal und die Synchronsignale unterschieden sich nur in ihren Parametern von den moderneren Signalen BA, V und H.
Bildpunkte gab es, wenn man von einer zu Demonstrationszwecken 1936 aufgebauten Matrix mit 100 × 100 Lampen absieht, erst mit der Einführung der digitalen Speicherung. Real existiert haben bis dahin nur die kontinuierlich abgetasteten Zeilen (in vertikaler Richtung sind diese Bilder somit schon lange diskret).
Bei der Entwicklung der Fernsehtechnik in den 1920er Jahren musste eine Möglichkeit gefunden werden, das von der Kamera aufgenommene Bild zum Empfänger zu transportieren. Eine parallele Übertragung der einzelnen Bildpunkte ist nicht realisierbar, da auf diese Weise jeder zu übertragende Bildpunkt einen Sendekanal (z. B. ein Kabel) benötigen würde. Ein Fernsehbild mit heutiger PAL-Auflösung würde damit 414.000 Sendekanäle benötigen (575 Bildzeilen × beispielsweise 720 Punkte pro Zeile).
Somit wurde eine serielle Übertragung des Fernsehsignales gewählt, bei der das bewegte Fernsehbild in einzelne, schnell nacheinander gezeigte stehende Bilder zerlegt wird und diese stehenden Bilder wiederum in einzelne Zeilen geteilt werden, die nacheinander übertragen werden. Dafür wird nur ein einzelner Sendekanal benötigt. Um das zu realisieren, gab es verschiedene Ansätze, zum Beispiel die Nipkow-Scheibe. Durchgesetzt hatte sich schließlich die Abtastung mittels einer Videoröhre.
Heute werden Bilder in Fernsehkameras durch CCD-Chips oder einen CMOS-Sensor orts- und zeitdiskret abgetastet.
BAS-Signal BAS-Signal (Bild-Austast-Synchron) ist die deutsche Entsprechung für das sogenannte VBS (Video Blanking Sync). Unter dem BAS-Signal versteht man das komplette Fernsehsignal für die Schwarzweiß-Bildübertragung, das sich aus dem Bildsignal (B), dem Austastsignal (A) und dem Synchronisationssignal (S) zusammensetzt (siehe oben). In der Farbbildübertragung kommt entsprechend das FBAS-Signal (Farb-BAS) bzw. CVBS (Color Video Blanking Sync) zum Einsatz, das zusätzlich die Farbinformationen enthält. Die englischen Abkürzungen werden häufig auch als Video Baseband Signal (VBS) bzw. als Composite Video Baseband Signal (CVBS) gedeutet.
Zeilenweise Übertragung Aufeinanderfolgende Einzelbilder (Frames, englisch für „Rahmen“) bzw. Halbbilder (Fields, Bilder mit halbierter vertikaler Auflösung) werden nacheinander übertragen. Jedes dieser Bilder besteht aus mehreren Zeilen, die ebenfalls aufeinanderfolgend gesendet werden, das heißt im Grunde besteht das Fernsehsignal aus der Abfolge der einzelnen Zeilen.
Bestünde dieses Signal nun jedoch nur aus der Aneinanderreihung der Zeilen, könnte der Empfänger nicht erkennen, wo eine Zeile auf dem Bildschirm dargestellt werden soll. Ebenso wenig könnte der Empfänger erkennen, wo eine neue Zeile beginnt. Daher werden dem Fernsehsignal an den Stellen, an denen Zeilen zweier verschiedener (Halb-)Bilder aufeinandertreffen, und am Beginn jeder einzelnen Zeile bestimmte Spannungsmuster hinzugefügt, die der Empfänger auswerten muss. Dabei handelt es sich um die Synchronsignale, die in das Gesamtsignal eingebettet sind. Hierbei unterscheidet man zwischen dem Vertikalen und dem Horizontalen Synchronsignal. Alle Angaben zum Timing beziehen sich auf das PAL-System.
Horizontale Synchronisation Jeder Zeilenbeginn muss einzeln markiert werden, damit sich der Empfänger erneut synchronisieren kann. Dies soll anhand der Darstellung einer Bildzeile gezeigt werden.
gerahmt|zentriert|Unmoduliertes BA-Signal einer Zeile
Das Bild zeigt den zeitlichen Ablauf einer Zeile des Fernsehsignals. Als Beispiel dient hier eine vierstufige Grautreppe, das heißt, es sind vier vertikale Balken im Bild zu sehen. Von links nach rechts haben sie eine ansteigende Helligkeit, der linke Balken ist schwarz, die mittleren dunkel- und hellgrau, der rechte Balken ist weiß. Die Balken nehmen jeweils ein Viertel der Bildbreite ein. Nicht dargestellt sind die Flankendauern, die im Videobereich ca. 200 ns und im Synchronbereich ca. 300 ns betragen. Der als Zeilenlänge bezeichnete Bereich steht in dieser Lage nur im Studio zur Verfügung (vorlaufende Impulssignale). Auf der Empfängerseite liegen die Bezugszeitpunkte grundsätzlich in der Mitte der Vorderflanke des Synchronsignals.
Ganz links sieht man noch einen Teil der vorhergehenden Zeile (Weißpegel), danach folgt die vordere Schwarzschulter bei 0,3 Volt (Austastpegel), danach der 4,7 Mikrosekunden lange Zeilensynchronimpuls (Synchronpegel). In der Darstellung liegt der Synchronpegel bei 0 Volt. Hinter dem Zeilensynchronimpuls liegt die hintere Schwarzschulter, die 5,8 Mikrosekunden dauert. Ab hier beginnt das eigentliche Bildsignal, dessen Spannungswert der Helligkeit entspricht, wobei der Schwarzpegel bei einer Abhebung von 0,02 Volt bei 0,32 Volt liegt. Der Weißpegel liegt bei 1 Volt. Bei einer anderen Betrachtungsweise wird der Spannungspegel der Schwarzschultern als 0 V-Marke angenommen. Die Pegelwerte lauten dementsprechend −0,3 V für den Zeilensynchronimpuls und 0,7 V für den Weißwert, der nicht überschritten werden sollte (Tonstörungen wegen des Differenztonverfahrens).
An den Bildinhalt schließt die vordere Schwarzschulter des Austastbereiches zur nächsten Zeile an.
Der nominale Bezugszeitpunkt ist die Mitte der Vorderflanke des Synchronimpulses. Bei direkter Synchronisation löst diese Flanke den Zeilenablauf aus. Die direkte Synchronisation wurde von der Schwungradsynchronisation abgelöst, die für SECAM-Decoder praktisch unverzichtbar ist. Bei der Schwungradsynchronisation werden Fehler bei der Erkennung der Flanke über die Zeit ausgemittelt.
Der Elektronenstrahl des Empfängers zeichnet zuerst das erste Halbbild („ungerade Zeilen“ = Zeilen 1, 3, 5, 7,… usw.) und danach das zweite Halbbild („gerade Zeilen“ = Zeilen 2, 4, 6,… usw.). Ist die Darstellung des Zeileninhaltes beendet, löst die fallende Flanke des Zeilensynchronimpulses den Zeilenrücklauf aus, bei dem der Strahl wieder an den Anfang der nächsten Zeile springt. Dies geschieht sehr schnell, und der Elektronenstrahl wird dabei dunkelgetastet. Ist das erste Halbbild fertig, gibt es einen sogenannten Bildrücklauf (Vertikalrücklauf).
Vordere Schwarzschulter Ist das Zeilenende weiß (Pegel bei 1 Volt), müsste der Pegel sehr schnell auf 0 Volt abfallen, was aus technischen Gründen (Signalbandbreite) nicht möglich ist. In unserem Bild ist das der Fall, es käme hier also zu einem verzögerten Zeilenrücklauf. Das Ergebnis wäre eine falsche Synchronisation zwischen Sender und Fernsehgerät. Um das zu verhindern, fügt man die vordere Schwarzschulter mit einer Dauer von 1,5 Mikrosekunden ein. Das verkürzt aber die sichtbare Zeile um den gleichen Betrag.
Hintere Schwarzschulter Das Vorhandensein der hinteren Schwarzschulter hat eine schaltungstechnische Ursache. Nach dem besonders schnellen Zeilenrücklauf treten am Anfang des Zeileninhaltes (Hinlauf) Einschwingerscheinungen auf. Die hintere Schwarzschulter dient als Puffer, damit diese Schwingungen rechtzeitig bis zum Beginn des Bildinhaltes abgeklungen sind. Sie dient auch der Festlegung des Schwarzpegels (Klemmschaltung (Nachrichtentechnik)).
Zeilenaustastlücke Der Zeilensynchronimpuls, die vordere und die hintere Schwarzschulter bilden zusammen die Zeilenaustastlücke. Diese kann auf einem Monitor sichtbar gemacht werden, indem man das Fernsehbild nach links verschiebt und die Helligkeit auf ein Maximum erhöht. Dabei sind die vordere und hintere Schwarzschulter als graue senkrechte Balken und dazwischen der Zeilensynchronimpuls als schwarzer, senkrechter Balken zu erkennen. Bei professionellen Monitoren ist für diese Funktion ein eigener Schalter vorhanden.
Vertikale Synchronisation