Leseprobe 7: Farbsignalcodierung

Bei der Entwicklung der Farbfernsehgeräte bestand die Herausforderung darin, im Bereich der Standard-Definition-Auflösung dem BAS-Signal weitere Farbdifferenzsignale zuzufügen, ohne dass die Übertragungsbandbreite des BAS-Signals erhöht wird. Eine weitere Forderung war, dass ein Schwarz-Weiß-Empfänger ein übertragenes Farbbildsignal auch als fehlerfreies Schwarz-Weiß-Bild empfangen und wiedergeben kann (Kompatibilität). 

Andererseits sollte umgekehrt sichergestellt werden, dass auch ein Farbfernsehempfänger ein monochromes Videosignal als einwandfreies Schwarz-Weiß-Bild darstellen kann (Rekompatibilität).

Abbildung 90: Darstellung einer farbigen Bildvorlage

Für die zusätzlichen Farbinformationen muss nunmehr bei der Wiedergabe der farbigen Bildvorlage zum Luminanz-Signal (Leuchtdichte-Signal) ein sogenanntes Chrominanz-Signal (Farbart-Signal) übertragen werden. Neben der Helligkeits- beziehungsweise Leuchtdichteverteilung soll also die Übermittlung von Informationen über die Farbart der einzelnen Bildpunkte innerhalb des verfügbaren Frequenzbandes des BAS-Signals an den Empfänger erfolgen. Dieses Farbartsignal beinhaltet Informationen sowohl über den Farbton als auch die Farbsättigung (Abbildung 90).

Abbildung 91: Schema kompatible Farbbildübertragung (Rudolf Mäusl; R&S-Repetitorium Fernsehtechnik)

 

Auf eine fundierte mathematische Herleitung soll im Rahmen dieses Praxishandbuches verzichtet werden. Grundsätzlich ist jedoch festzustellen, dass  für das Luminanz-Signal (Y) die folgende Gleichung gilt, die eine der wichtigsten Beziehungen der Farbfernsehtechnik darstellt:

Y = 0,30 · R + 0,59 · G + 0,11 · B

In der folgend abgebildeten Tabelle werden die Signale dargestellt, die sich für eine sogenannte Normfarbbalkenfolge ergeben. Eine solche Bildvorlage mit acht Farbbalken besteht aus den drei Primärfarben und den dazugehörigen Komplementärfarben sowie den Unbunt-Stufen Weiß und Schwarz. Dabei steigen die Frequenzen von Gelb zu Blau - ähnlich wie die Wellenlängen im Farbspektrum.

Abbildung 93: Signale der Normfarbbalkenfolge

Voraussetzung für die Farbbildwiedergabe ist die Gewinnung der jeweiligen Farbinformationen aus der bunten Bildvorlage. Dazu werden zunächst die Farbdifferenzsignale zu einem Chrominanz-Signal zusammengefasst. Hierbei handelt es sich um Farbwertsignale, die aus den Primärfarben Rot (R), Grün (G) und  Blau (B) sowie aus dem Luminanz-Signal (Y) gebildet werden. Diese werden auch Farbdifferenzkomponenten (R-Y, G-Y, B-Y) genannt. Da es zu umständlich wäre, das Signal für die Farbe direkt aus den Farbwertsignalen zu gewinnen, wird es aus den um den Leuchtdichteanteil reduzierten Farbwertsignalen ermittelt, was gleichbedeutet mit den Farbdifferenzsignalen (R-Y, G-Y, B-Y) ist.

Zur Bildung des Farbartsignals, das die nötigen Informationen über den Farbton und die Farbsättigung enthält, genügen bereits zwei Farbdifferenzsignale R-Y (Rot) und B-Y (Blau), die durch Quadraturmodulation eines 4,43-MHz-Trägers zusammengefasst werden. Das Grün-Signal (G-Y) wird nicht übertragen, sondern auf der Empfängerseite rechnerisch durch eine Matrix rekonstruiert (PAL-System). Die beiden übertragenen Farbdifferenzsignale enthalten jeweils nur eine Information über die Farbart, während bei unbunten Bildvorlagen der Wert 0 erreicht wird.

Insofern gibt die Amplitude der Farbdifferenzsignale die jeweilige Abweichung der Farbart vom Unbunt-Wert an. Sie ist somit das Maß für die Farbsättigung. Hingegen wird der Farbton durch das Verhältnis der Amplituden sowie das entsprechende Vorzeichen der Farbdifferenzsignale bestimmt. Hierbei ist eine Übermodulation bis zum Wert 133 Prozent beziehungsweise -33 Prozent zulässig, die besonders im Zusammenhang mit der Darstellung der Farben Gelb und Cyan Anwendung findet, da ihre jeweiligen Chrominanz-Amplituden zu den höchsten Luminanz-Pegeln addiert werden (Abbildung 93). 

Im Rahmen der Amplituden-Modulation (AM), das heißt im Modulationsverfahren, bei dem das Informationssignal auf die Amplitude einer Trägerfrequenz moduliert wird, gilt für 100 % Gelb:

(Luminanz-Signal) Y = 0,3 R + 0,59 G = 0,89
(Farbdifferenzsignale) R - Y = 1 - 0,89 = 0,11 sowie B - Y = - 0,89

und für 100 % Cyan:

(Luminanz-Signal) Y = 0,59 G + 0,11 B = 0,70
(Farbdifferenzsignale) R - Y = - 0,70 = sowie B - Y = 1 - 0,70 = 0,30.

Diese Übermodulation der Farben Gelb und Cyan wird in der Praxis häufig durch eine Verminderung des Farbpegels kompensiert. Bei der Signalprüfung wird deshalb anstelle eines 100/100-Farbbalkens ein 100/75-Farbbalken verwendet, bei dem alle RGB-Farbsignale maximal 75 Prozent Pegel aufweisen und damit unterhalb der Maximalwerte (im FBAS-Signal) liegen. Das unbunte Weiß bildet hier eine Ausnahme, da dieses Signal dem höchsten Helligkeitswert entspricht (Weißwert = 100 Prozent). Da Schwarz einen Signalpegel von knapp 0 Prozent erreicht, spielt der Schwarzwert im Kontext der Modulation ebenfalls keine Rolle.

Abbildung 94: Farbwertsignale, Leuchtdichtesignale, Farbdifferenzsignale bei der Normfarbbal-ken-Bildvorlage (Rudolf Mäusl; R&S-Repetitorium Fernsehtechnik)

Im Kapitel über die Wahrnehmung wurde bereits beschrieben, dass das menschliche Auge für farbige Bilddetails über ein weitaus geringeres Auflösungsvermögen verfügt, als dies bei Helligkeitsänderungen der Fall ist. Deshalb genügt es, die Bandbreite für das Farbart- beziehungsweise Chrominanz-Signal auf einen Wert von 1,5 MHz zu begrenzen, während das Luminanz-Signal bei der vollen Bandbreite von 5 MHz übertragen wird.

Für die Einhaltung der zu Beginn dieses Kapitels beschriebenen Übertragungsbandbreite werden darüber hinaus die Lücken im Spektrum des BAS-Signals genutzt, da die Zeilenstruktur des Luminanz-Signals (Y) in etwa dem des Chrominanz-Signals (C) entspricht und damit beide Signale über ähnliche Lücken im Amplitudenspektrum verfügen. Dadurch können die Spektren der Y- und C-Signale gerade ineinander „verkämmt“ werden (Abbildung 95).

Abbildung 95: Spektrale Verkämmung von Y- und C-Signalen


FBAS-Signal

Die Zusammenfassung der Farbdifferenzsignale mit dem BAS-Signal wird Farb-Bild-Austast-Synchronsignal (FBAS-Signal) oder auch Farb-BAS-Signal beziehungsweise CVBS (Color Video Blanking Sync) genannt. Beim umgangssprachlich oft als „Fernsehsignal“ bezeichneten FBAS-Signal werden also die Y- und C-Amplitudenwerte zu einem Y-Signal addiert beziehungsweise überlagert. Damit wird unter anderem die zuvor erwähnte Forderung nach Kompatibilität erreicht, die das Schwarz-Weiß-Sehen auf einem Farbfernsehgerät ermöglicht. Das FBAS-Signal ist das Standardvideosignal (Composite-Signal) und benötigt lediglich eine Leitung.

Weitere Farbvideosignale

Es gibt allerdings verschiedene Möglichkeiten, das Farbvideosignal zu übertragen. Bei einem analogen Komponentensignal, das aus drei getrennten Informationen (Luminanz-Signal und zwei Farbdifferenz-Signalen) besteht und mithilfe von drei gleichlangen Videokabeln übertragen wird, ist die Bandbreite – vor allem im Vergleich zum FBAS-Signal - außerordentlich hoch. Wichtig zu wissen ist in diesem Zusammenhang, dass man ein Komponentensignal zwar zu einem FBAS-Signal qualitätsreduzierend codieren kann, allerdings der umgekehrte Weg nicht möglich ist. Die einmal reduzierte Frequenzbandbreite ist nicht wiederherstellbar und kann auch als solche nicht erkannt werden. Denn leider ist einem vermeintlichen Komponentensignal der eigentliche Ursprung aus einem FBAS-Signal nicht anzusehen (PAL Footprint). Insofern sollte auf eine solche Codierung nach Möglichkeit verzichtet werden.

Bei dem RGB-Signal-Verfahren hingegen, das auf die drei Grundfarben (Rot, Grün, Blau) zurückzuführen ist, werden allein für die Farbinformationen drei Übertragungskanäle beansprucht. Für das Synchronisationssignal wird in der Regel noch eine vierte Signalleitung benötigt, was insgesamt ein hohes Maß an Bandbreite (drei Mal so viel) und Leitungsvolumen nach sich zieht. Insofern kann dieses Verfahren nur für kurze Übertragungsstrecken verwendet werden, jedoch gewährleistet die RGB-Übertragung grundsätzlich eine sehr gute Bildqualität. Die Übertragung vom Computer zum Farbmonitor ist wohl die gängigste Anwendung in der Praxis.

Werden die Y- und C-Signale auf separaten Leitungen übertragen, spricht man auch von einem sogenannten Y/C-Signal, das insbesondere bei hochwertigen analogen Heimsystemen und semiprofessionellen Geräten (S-VHS, Hi8, Computerschnittsysteme) Anwendung findet oder fand. Im Zusammenhang mit diesem Y/C-Signal wird diese Form der Signalübertragung auch als S-Video bezeichnet, die die Farbauflösung und damit seinerzeit die Bildqualität erheblich verbesserte.

Farbsignalhierarchie

Zusammenfassend stellt die folgende Übersicht (Abbildung 96) die verschiedenen Farbsignalcodierungen in ihrer qualitativen Hierarchie dar. Wie bereits ausgeführt, bietet das RGB-System die höchste Farbsignalqualität, nicht zuletzt weil alle drei Signale getrennt und mit hohen Spannungswerten übertragen werden (3 x 0,7 V). Beim Komponentensignal ist die Bandbreite etwas geringer (zirka 2 MHz), allerdings ist visuell kaum ein Unterschied zum RGB-System zu erkennen. Bei allen weiteren Varianten werden die Komponenten zusammengefasst, das heißt, die Farbdifferenzsignale werden moduliert und dabei die Bandbreite auf etwa 1,3 MHz reduziert, was weitere Qualitätseinbußen nach sich zieht. Aufgrund der anschließenden Demodulation (Decodierung), die insbesondere bei PAL und NTSC die weiter unten beschriebenen Cross-Color- und Cross-Luminanz-Störungen mit sich bringen, muss mit weiteren Qualitätsverlusten gerechnet werden.

Abbildung 96: Farbsignalhierarchie


Auszug aus dem BUROSCH-Praxishandbuch: "Medientechnik"