Fernsehnorm
Eine Fernsehnorm legt fest, auf welche Weise unterschiedliche Informationen, wie Bild- und Tondaten beim Fernsehen während der Übertragung vom Sender zum Empfänger übertragen werden. Dabei ist es sinnvoll, zwischen drei verschiedenen Stufen der Übertragung zu unterscheiden:
- Festlegung der Bild- und Tonparameter
- Elektrische Signalübertragung im Basisband: entweder als analoges Bild- und Tonsignal oder digital codiert
- Fernübertragung: Analoge oder digitale HF-Modulationsarten
Geschichte
Erste Normen
Ähnlich wie schon bei der weltweiten Ausbreitung des Hörfunk bestand auch für das Fernsehen der Bedarf nach internationaler Regulierung. Allerdings war beim Fernsehen wesentlich mehr festzulegen als nur Bandbreite, Senderabstand und die zu vergebenen Sendefrequenzen, denn Hörfunksender übertrugen ja lediglich Töne. Beim Fernsehfunk kommt zum Ton- das Bildsignal hinzu.
Fast gleichzeitig mit der Entwicklung des Schwarz-Weiß-Fernsehens wurde auch schon mit dem Farbfernsehen experimentiert. Bei den ersten Versuchen wurden mehrere Varianten entwickelt. Beispielsweise probierte der Fernsehpionier John Logie Baird für sein mechanisches Fernsehen ein System mit zwei Farben. Andere experimentierten entweder mit drei Kanälen (in jedem Kanal wurde jeweils ein Teilbild in einer der drei Grundfarben übertragen) oder der Übertragung über einen Kanal und synchronisiert rotierender Farbfilter vor Kamera und Empfänger. Hierbei musste allerdings eine wesentlich höhere Anzahl von Einzelbildern übertragen werden, damit der Eindruck eines flimmerfreien Bildes entsteht. Der amerikanische Fernsehsender CBS stellte 1943 ein Farbfernsehsystem mit schnell rotierenden Farbfiltern vor.
Übertragen wurden Bilder bei diesen frühen Versuchen des CBS-Farbfernsehen mit der Übertragungsnorm von 405 Zeilen und 144 Bildern pro Sekunde. Das Bild war zwar sehr gut, jedoch waren beispielsweise die Farbempfänger mit den Farbfilterscheiben durch diese sehr viel größeren Scheiben vor dem kleinen Bildschirm sehr klobig, laut und nicht kompatibel mit dem inzwischen eingeführten System mit 525 Zeilen und 60 Halbbildern pro Sekunde. 1941 führte die US-amerikanische Behörde Federal Communications Commission (FCC) ihre erste Schwarz-Weiß-Norm mit einem 525 Zeilenbild und dem Ton-Bild-Abstand von 4,5 MHz ein. (siehe auch → National Television Systems Committee)
In Deutschland wurden 1935, zur Einführung des Fernsehens, 180 Zeilen bei 25 Vollbildern pro Sekunde als Norm verwendet, jedoch schon ein Jahr später durch 441 Zeilen mit 50 Halbbildern ersetzt. In Großbritannien wurden bei der Einführung des Fernsehens zunächst mit 240 Zeilen bei 25 Vollbildern und 405 Zeilen mit 50 Halbbildern (ausgestrahlt im wöchentlichen Wechsel) experimentiert. Auch dort entschied man sich nach nur einem Jahr für die Norm mit 405 Zeilen, später „Norm A“ genannt. In Frankreich wurde das Fernsehen mit 453 Zeilen offiziell eingeführt, während der Deutschen Besatzung Frankreichs wurde die Norm auf 441 Zeilen geändert und auch nach Kriegsende vorläufig beibehalten, zeitweise im Parallelbetrieb mit der neuen 819 Zeilen Norm.
Nachkriegsnormen
Frankreich führte 1948 einen neuen Sendestandard mit 819 Zeilen pro Bild ein.
Im September 1948 beschloss in Westdeutschland eine 34-köpfige Expertengruppe zur Festlegung einer zukünftigen Sendenorm unter der Leitung des Technischen Direktors des NWDR Werner Nestel eine Zeilennorm von 625 Zeilen mit einem 2:1-Zeilensprungverfahren und einer Bildaufbaufrequenz von 50 Hz vor, das bedeutet: 25 mal in der Sekunde wird je ein aufeinanderfolgendes Filmbild elektronisch in 625 Zeilen zerlegt, wobei in den ungeraden 50stel Sekunden jeweils nur die Zeilen mit den ungeraden Zeilennummern 1, 3, 5 usw. des jeweiligen Bildes und in den geraden 50stel Sekunden anschließend die Zeilen mit den geraden Zeilennummern 2, 4, 6 usw., also 2·25 = 50 Halbbilder pro Sekunde, übertragen werden. Die zwei Halbbilder eines Bildes werden auf dem Bildschirm exakt zu einem Vollbild zusammengesetzt bzw. verzahnt (siehe Animation unten). Diese Parameter ergaben sich einerseits aus der traditionellen Frequenz des Netzwechselstromes in Europa von 50 Hz, andererseits entsprach die Festlegung auf 625 Zeilen einer annähernden Umrechnung des US-amerikanischen Standards NTSC auf diese gewachsenen europäischen technischen Gegebenheiten: 30 Bilder · 525 Zeilen ergeben insgesamt 15750 zu bildende Zeilen in der Sekunde. 25 Bilder · 625 Zeilen entsprechen 15625 Zeilen pro Sekunde. Die Zeilenfrequenz beträgt also 15625 Hz. Dieser Normenvorschlag wurde dann von dem zuständigen Gremium CCIR (Comité Consultatif International des Radiocommunications) der Genfer Internationalen Fernmeldeunion (ITU) als Grundlage für eine einheitliche west- und südeuropäische Fernsehsendenorm behandelt.
1961 wurde diese dann in Stockholm mit gewissen Abänderungen (insbesondere die Festlegung der Kanalbandbreite auf 7 MHz und einem Abstand der Ton- und Bild-Trägerfrequenz von 5,5 MHz) zum offiziellen Normenvorschlag, der sogenannten „Gerber-Norm“ des CCIR, erklärt (benannt nach dem Vorsitzenden der CCIR-Arbeitsgruppe Walter Gerber). Dagegen verwendeten einige mitteleuropäische Länder (wie bis 1956/57 auch die DDR) und die Mehrzahl der osteuropäischen Länder die auf 8 MHz erweiterten Frequenzbänder und einen Ton- / Bildträger-Abstand von 6,5 MHz, allerdings wie die CCIR-Norm eine Zeilenzahl von 625. Sie wird als OIRT-Norm bezeichnet. Einige der OIRT-Länder wechselten im 21. Jahrhundert zur CCIR-Norm.[1]
Analoge Fernsehnormen
Schwarz-Weiß
In der Anfangszeit des Fernsehens (1930er bis 1950er Jahre) erfolgte die Übertragung lediglich schwarz-weiß. Bereits in dieser Zeit entwickelten sich die technischen Normen in verschiedenen Ländern auseinander. Während des Zweiten Weltkrieges unterbrachen viele Länder ihre Fernsehaktivitäten und stiegen bei der Wiederaufnahme zum Teil auf eine andere Norm um.[2]
Die nach dieser Umbruchphase noch gebräuchlichen Normen wurden von der ITU mit Römischen Zahlen und aktuell mit Großbuchstaben bezeichnet und wie folgt klassifiziert:
| Norm-Code | Zeilen | Bildrate (Hz) | Ton/Bild-Abstand (MHz) | Farbhilfsträger (MHz) | Kanalbreite (MHz) | Bildsignal (MHz) | Restseitenband (MHz) | Polarität der Bildmodulation | Tonmodulation | Band | überwiegendes Farbsystem |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 405 | 25 | −3,50 | 2,66 | 5,00 | 3,0 | 0,75 | positiv | AM | VHF | ||
| 441 | - | −2,8 | - | - | - | - | positiv | AM | VHF | ||
| 625 | 25 | +5,50 | 4,43 | 7,00 | 5,0 | 0,75 | negativ | FM | VHF | PAL | |
| C | 625 | 25 | +5,50 | 4,43 | 7,00 | 5,0 | 0,75 | positiv | AM | VHF | |
| 625 | 25 | +6,50 | 4,43 | 8,00 | 6,0 | 0,75 | negativ | FM | VHF | Secam | |
| 819 | 25 | +11,15 | 8,37 | 14,00 | 10,0 | 2,00 | positiv | AM | VHF | ||
| 819 | 25 | +5,50 | ./. | 7,00 | 5,0 | 0,75 | positiv | AM | VHF | ||
| G | 625 | 25 | +5,50 | 4,43 | 8,00 | 5,0 | 0,75 | negativ | FM | UHF | PAL |
| H | 625 | 25 | +5,50 | 4,43 | 8,00 | 5,0 | 1,25 | negativ | FM | UHF | PAL |
| I | 625 | 25 | +6,00 | 4,43 | 8,00 | 5,5 | 1,25 | negativ | FM | UHF | PAL |
| J | 525 | 30 | +4,50 | 6,00 | 4,2 | 0,75 | negativ | FM | UHF/VHF | NTSC | |
| K | 625 | 25 | +6,50 | 4,43 | 8,00 | 6,0 | 0,75 | negativ | FM | UHF | Secam |
| K'(K1) | 625 | 25 | +6,50 | 4,43 | 8,00 | 6,0 | 1,25 | negativ | FM | UHF | Secam |
| L | 625 | 25 | +6,50 | 4,43 | 8,00 | 6,0 | 1,25 | positiv | AM | UHF | Secam |
| 525 | 30 | +4,50 | 3,58 | 6,00 | 4,2 | 0,75 | negativ | FM | UHF/VHF | NTSC | |
| 625 | 25 | +4,50 | 3,58 | 6,00 | 4,2 | 0,75 | negativ | FM | UHF/VHF | PAL |
Terminologie und Parameter
Beispiele einer kombinierten Bezeichnung aus den ITU-Festlegungen mit den Großbuchstaben-Codes für Schwarz-Weiß-Normen und für eine verwendete und dem angewendeten Farbfernsehsystem lauten folgendermaßen:
- PAL J = PAL-System mit Schwarz-Weiß-Norm J
- NTSC M = NTSC-System mit Schwarz-Weiß-Norm M
- Secam L = Secam-System mit Schwarz-Weiß-Norm L
Die wichtigsten Parameter sind die Zeilenzahl, Bildwechsel pro Sekunde, Bild/Ton-Abstand, Ton-Modulation (FM oder AM) und Polarität der Bild-Modulation (positiv oder negativ). Die übrigen Spalten beziehen sich auf die spezielle Bandbreite, die ein TV-Kanal insgesamt zur Übertragung des Ton- und Bildsignales im Spektrum benötigt.
All diesen TV-Normen gemeinsam ist das Zeilensprungverfahren (Interlacing), d. h. jedes Vollbild wird in zwei aufeinanderfolgenden Halbbildern übertragen, so dass sich die doppelte Halbbildfrequenz ergibt.
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Kanalraster VHF
- System B: E-2…E-12 (CCIR außer F, Monaco, Italien)
- System M: A-2…A-13 (FCC)
- System D: R I…R XII (OIRT)
- System A: B-1…B-14 (UK alt)
- System I: I-B, I-D, I-F, I-H, I-J (Irland)
- System F: F-2, F-4…F-12, F-8 A (F)
- System B: A, B, C, D, E, F, G, H, H1 (Italien)
- System B’: 4…10 (Marokko)
- System B": 0…11, 5 A (Australien)
- System B: 1…9 (NZ)
- System M: J-1…J-12 (Japan)
Kanalraster UHF
- System G: E-21…E-72 (nicht FCC)
- System M: A-14…A-83 (FCC)
- System M: J-45…J-62 (Japan)
Farbe
Das Farbfernsehen kam später hinzu, für die USA und Japan in den 1950er Jahren und für die übrige Welt in den 1960er Jahren oder später. Da es abwärtskompatibel zum Schwarz-Weiß-Fernsehen bleiben sollte, wurden die bestehenden Normen beibehalten und lediglich ein Farbsignal in Form eines Hilfsträgers zur Colorierung hinzugefügt.
Schwarz-Weiß-Empfänger können diesen Zusatzträger nicht dekodieren und empfangen Farbsendungen daher wie gewohnt in Schwarz-weiß; so wird die Kompatibilität hergestellt. Farbempfänger dekodieren Schwarz-weiß- und Farbsignal und generieren aus beiden zusammen das Farbbild. Dieses Verfahren ist allen terrestrischen Analog-Normen gemeinsam.
Das hinzugefügte Farbsignal kann auf drei verschiedene Arten moduliert werden: PAL, SECAM oder NTSC. Grundsätzlich kann jede der drei Farbnormen mit jeder der Schwarz-Weiß-Normen A–N kombiniert werden. Tatsächlich werden PAL und SECAM jedoch meistens mit einer der 625/25-Normen und NTSC ausschließlich mit Norm M verwendet. Es existieren allerdings auch „Hybride“ wie z. B. PAL auf Norm M in Brasilien.
HF-Übertragung (analog)
Unberücksichtigt bleiben bei dieser Betrachtung antennenspezifische Parameter, die zum Einfangen des Signals notwendig sind, wie Antennenrichtung, Polarisation, Antennenstandort.
Terrestrische Übertragung
Bei klassischer terrestrischer Übertragung sind die Parameter:
- Bildträgerfrequenz (es gibt festgelegte Kanalraster für jede Norm, auch wenn dies bei modernen Empfängern aufgrund der kontinuierlichen Durchstimmbarkeit nicht mehr von Belang ist),
- Größe des größeren und des kleineren Seitenbandes sowie die Lage des größeren Seitenbandes,
- Positiv- oder Negativmodulation, Schwarz- und Weißpegel,
- Abstand und Richtung des Tonträgers,
- Modulation des Tonträgers (AM oder FM), bei FM verwendete Preemphasis
- diverse Zweikanaltonverfahren zur Übertragung von mehreren Audiokanälen.
Kabelgebundene Übertragung
Kabel nutzt genau die gleichen Parameter wie die klassische terrestrische Übertragung. Es sind aber weitere Frequenzen zulässig, die bei der klassischen terrestrischen Übertragung für nicht-Fernseh-Zwecke reserviert sind; diese liegen
- zwischen Band II und Band III: Unterer Sonderkanalbereich,
- zwischen Band III und 300 MHz: Oberer Sonderkanalbereich,
- zwischen 300 MHz und Band IV: Erweiterter Sonderkanalbereich, auch Hyperband genannt.
HF-Übertragung (digital)
Digital terrestrisch
Digital Satellit
Digital Kabel
- DVB-C
- Es werden verschiedene Arten der Quadraturamplitudenmodulation verwendet (16QAM, 64QAM oder 256QAM), je nach gewünschter Robustheit.
- DVB-C2
- Es wird ein COFDM-Verfahren mit Quadraturamplitudenmodulation auf jedem Einzelträger verwendet (16QAM bis 4096QAM). DVB-C2 hat in der Praxis derzeit noch so gut wie keine Bedeutung (Stand 2019), da auch mit dem bisherigen DVB-C-Standard bereits eine Übertragung von HDTV-Kanälen möglich ist.
Signalübertragung im Basisband (analog)
Bei analoger Übertragung im Basisband kommt jetzt noch als Bildparameter dazu:
Signalübertragung im Basisband (digital)
Für die digitale Übertragung des Bildes wird MPEG-2 (H.262) oder MPEG-4 (H.264, H.265) verwendet (selten auch MPEG-1), für Ton kommt sowohl MPEG-1 und MPEG-2 Audio (Layer 2 oder AAC) als auch Dolby Digital (AC-3 bzw. E-AC3) zum Einsatz, wobei MPEG Audio obligatorisch ist. Üblicherweise gibt es aber Einschränkungen:
- bestimmte Bildformate
- maximale Datenrate
- GOP-Länge
- zeitlicher Bild-Ton-Offset
Bildparameter
Folgende Parameter sind dann die eigentlichen Bildparameter:
- Bildfrequenz
- Verwendung von Zeilensprung oder progressiver Abtastung
- Zeilenanzahl
- Lage der Primärfarben im CIElab-Farbraum
- Gammawert für die Zuordnung zwischen Wert und Helligkeit
- Bei analoger Übertragung: horizontale Auflösung
- Bei digitaler Übertragung: horizontale Pixelanzahl
- Pixelgeometrie bzw. Verhältnis von Bildhöhe und Bildbreite
Terminologie
Oft wird auch im digitalen Bereich „PAL“ als Abkürzung für „625 Zeilen/25 Bildwechsel pro Sekunde mit PAL-Farbträger“ und „NTSC“ als Abkürzung für „525 Zeilen/30 Bildwechsel pro Sekunde mit NTSC-Farbträger“ verwendet. Dies ist jedoch falsch, weil im Digitalen fast ausschließlich Komponentensignale zum Einsatz kommen[5], und die genaue Angabe der TV-Norm eines Landes Schwarz-weiß-Norm + Farbnorm ist. So verwenden z. B. die USA die Norm M mit NTSC, der größte Teil Westeuropas Norm B/G mit PAL, die frühere DDR Norm B/G mit SECAM, der größte Teil Osteuropas Norm D/K mit SECAM oder PAL, Frankreich Norm L mit SECAM. Viele ehemalige SECAM-Länder sind inzwischen zu PAL migriert, behalten jedoch in der Regel die unterliegende Schwarz-weiß-Norm bei.
(Teil-)Digital
- PALplus: eine Erweiterung von PAL, abwärtskompatibel
- D2-MAC: brachte vor allem durch getrennte (Zeitmultiplexte) Übertragung des Bildsignals, des Farbsignals und des Digitalen Tonsignales eine Qualitätsverbesserung, wurde hauptsächlich über Satellit übertragen, konnte sich nicht durchsetzen.
- HDTV: Sammelbegriff für Fernsehnormen mit höheren Auflösungen
- DVB: Digital Video Broadcasting, Sammelbegriff für verschiedene digitale Fernsehnormen
Die digitalen Fernsehnormen orientieren sich an einigen Kenndaten der analogen Fernsehnormen, wie Zeilenzahl und Bildfrequenz. Zur Komprimierung der Daten wird in der Regel der MPEG-2-Standard verwendet.
Im Unterschied zu analogen Fernsehnormen existiert bei digitalen Fernsehnormen als weiteres Merkmal die Anzahl Spalten eines Bildes. Zusammen mit der Anzahl Bildzeilen erhält man so die so genannte Bildauflösung in Bildpunkten (Pixel). Die Spaltenzahl wird dabei idealerweise so gewählt, dass sich bei der Bilddarstellung die Höhe der einzelnen Pixel nicht wesentlich von ihrer Breite unterscheidet. Statt des traditionellen Bildverhältnisses von 4:3 wird wegen der veränderten Anzeigegeräte (Flachbildfernseher und Videoprojektoren) verstärkt 16:9 eingesetzt.
Siehe auch
Literatur
- Charles Poynton: Digital Video and HDTV Algorithms and Interfaces, Morgan Kaufmann Publishers, 2003. ISBN 1-55860-792-7
- Autorenkollektiv Werner und Barth, Fernsehreparaturpraxis. VEB Verlag Technik. Berlin, 1962.
Einzelnachweise
- Lit.: Bischoff, Jürgen: Die politische Ökonomie von HDTV. Frankfurt am Main, 1993
- http://www.sptv.demon.co.uk/tvstandards.html
- Veröffentlichungen von Transdiffusion.org
- Veröffentlichungen von SPTV
- Ulrich Schmidt: Professionelle Videotechnik. 5. Auflage. Springer, Berlin 2009, ISBN 978-3-642-02506-8, S. 103.