Bildübertragung

  • Satellite News Gathering

    Satellitenschüssel

    Satellitenschüssel

    Seit der digitalen ISDN-Vernetzung sind live-Tonübertragungen in ordentlicher Qualität in erschwingliche Preisregionen gefallen. Auch ein Rückkanal für die Gegensprechverbindung zu Technik oder Redakteur/-in im Studio ist dabei kein Problem.

     

    Bei Fernsehsignalen ist das etwas aufwändiger. Hochwertige TV-Signale transportiert man am besten über Glasfaser oder Satellit. In Deutschland etwa existieren in allen Großstädten zahlreiche Glasfaseranschaltpunkte. Glasfaser-Übertragung hat viele Vorteile, etwa die Unanfälligkeit gegenüber Störsignalen. Doch was tun, wenn kein Anschaltpunkt in der Nähe ist?

     

    Satelliten-Übertragung

    Eine besonders aktuelle und von der Örtlichkeit ungebundene Art der Informationsgewinnung nennt sich SNG (Satellite News Gathering). Ein aktuelles Team dreht weitab von der Fernsehstation und sendet entweder live oder das rasch geschnittene Material unmittelbar vor Ort (Uplink) per Satellit an den Heimatsender (Downlink).

     

    Das Prinzip der Satelliten-Übertragung ist einfach: Ein starker Sender schickt über die angeschlossene Parabolantenne (Schüssel) die TV-Signale hoch zum Satelliten. Dieser verstärkt und demoduliert das Signal, um es auf einer anderen Frequenz in Kegelform (gerichtet) zum Empfänger zu senden. Der Bereich, in dem man das Signal dann auf der Erde empfangen kann, wird als „Footprint“, also Fußabdruck, des Satelliten bezeichnet. Geostationäre Satelliten schweben in 36.000 km Höhe. In dieser Höhe hat ein (Kommunikations-)Satellit bei korrekter Ausrichtung die selbe Winkelgeschwindigkeit wie die Erde, mit der Folge, dass er immer über der selben Stelle „schwebt“. Das erleichtert es, eine direkte Verbindung mit den Antennen auf der Erde zu halten.

     

    Analog und digital

    Wie auch in der Fernsehwelt, unterscheidet man bei der Satellitenübertragung analoge (SNG) und digitale  (dSNG) Übertragung. Die digitale Übertragung arbeitet fast immer mit datenreduzierten komprimierten Signalen. Das hat den Vorteil, dass man eine Frequenz nicht vollständig belegt, was den Preis für die Übertragung verringert. Wenn mehrere TV-Signale parallel übertragen werden sollen, kann die MCPC-Technik (Multiple Channel Per Carrier) zum Einsatz kommen, bei der bis zu 6 Fernsehsignale mit je 7,5 Megabit/Sek  gleichzeitig über einen Träger (=Trägerfrequenz) laufen.

     

    Welche Übertragungsqualität im Endeffekt erreicht wird, hängt aber nur zum Teil von der verfügbaren Bandbreite bzw. Datenrate ab. Auch die Qualität der Funkstrecke, welche durch das Wetter (z. B. durch starken Regen, Graupel oder Schnee) empfindlich gestört werden kann, und der damit verbundene Störabstand des Signals sind wichtige Faktoren. Soll zudem von beweglichen Objekten, wie Flugzeugen oder Schiffen gesendet werden, müssen eventuell spezielle Sender angeschafft werden. So gibt es omnidirektionale Sender, die weniger gerichtet und dafür mit höherer Sendeleistung arbeiten.

     

    Systeme

    Auf alle Fälle muss das Signal vor dem Versand durch einen Sendeverstärker aufbereitet werden. Bei Bedarf wird das Signal vorher komprimiert (MPEG2 bei digitaler Übertragung). Dabei wird eine Datenreduktion und -kompression angewandt und die Fehlerkorrektur erzeugt. Bei der Datenreduktion werden übrigens, ähnlich wie beim jpg-Bild- oder beim mp3-Audioformat, Signalanteile die der Mensch kaum wahrnimmt aus dem Signal herausgerechnet, für die Datenkompression werden Redundanzen (Informations-Wiederholungen) nur einfach übertragen, indem bei Fernsehsignalen zum Beispiel nur die Bildinhalte übertragen werden, die sich gegenüber dem vorhergehenden Bild ändern.

     

    Die kleinsten Einheiten, so genannte Fly-Away Anlagen, lassen sich in Flight-Cases praktisch überall hin transportieren. Die kleinsten von ihnen passen sogar ins Flugzeug-Handgepäck. Sie senden wegen der schwachen Sendeleistung ausschließlich komprimiert im so genannten Ku-Band zwischen 11 und 12 GHz. Die Parabolantennen lassen sich auf kleinen Stativen befestigen und präzise in Richtung des Übertragungssatelliten justieren. Die aktuelle Berichterstattung aus Krisengebieten arbeitet mit solchen kleinen Einheiten.

     

    Kompakte Übertragungswagen bilden die nächstgrößere Stufe. Sie haben auf dem Autodach eine Satellitenantenne mit etwa 1-2 Meter Größe montiert. Passende Sendeverstärker funken mit 300-500 Watt, erlauben beispielsweise auch die unkomprimierte Signalübertragung und die Signale sind weniger störanfällig.

    Noch größere Leistung erlauben Antennen mit fast 6 Quadratmetern Fläche, die etwa bei Großereignissen wie den Olympischen Spielen eingesetzt werden. Hier kommen häufig noch Satelliten im C-Band zum Einsatz. Diese arbeiten zwischen 3,7 und 4,2 GHz und von 5,9 bis 6,4 GHz. Das C-Band ist durch die niedrigere Trägerfrequenz unanfälliger gegen Störungen, erfordert aber große Sendeantennen. Die großen Fernsehübertragungen von Lkw aus werden meist auf diesem Band übertragen und sind damit auch bei Regenwetter störungssicher.

     

  • Analoge Bildübertragung

    Graubalken

    Testbild Graubalken

    Das Video- oder Fernsehsignal transportiert die Informationen der Helligkeits- und Farbimpulse in elektronischer Form. Bei vielen Fernsehgeräten, Monitoren und den meisten Videogeräten geschieht dies in analoger Form. Dabei werden bei der analogen Bildübertragung die hellsten Bildpunkte mit der höchsten elektrischen Spannung (ca. 0,7 Volt) und die dunkelsten entsprechend mit der niedrigsten, also 0 Volt, codiert. Das bedeutet konkret, dass für die Darstellung von Schwarz über diverse Graustufen bis hin zu Weiß genau 700 mV zur Verfügung stehen.

     

    Die Definition über Spannungswerte stammt noch aus den Zeiten der analogen Videosignale und Röhrenfernseher, grundsätzlich sind aber die Prinzipien dahinter auch heute noch gültig. Auch in der digitalen Welt sind Grau- und Farbbalken verbreitet, um Geräte einzumessen, den richtigen Gamma und Kontrastwert einzustellen etc.

     

    Graubalken

    Spannungskurve

    Spannungskurve des Graubalken

    Der für Messzwecke sehr hilfreiche Graubalken, der in verschiedenen Varianten Verwendung findet, hilft uns, dieses Prinzip zu erläutern. Eine einzelne Zeile unseres Fernsehbildes sieht auf einem Oszillograf (Messgerät für schnell variierende Spannungen) dargestellt wie eine Treppe aus. Allerdings gibt es außer den reinen Bildinformationen auch noch Signale, die der Synchronisation des Bildes dienen. So ist der unterste Impuls, der auf dem Oszillograf zweimal knapp unterhalb der mittleren 0-Volt-Linie auftaucht, der so genannte Austastimpuls (H). Danach folgt ein so genannter Burst, das Farbreferenzsignal.

     

    Diese Austast- und Synchronimpulse haben einen negativen Spannungswert, der liegt also unterhalb der 0 Volt bei -300 mV im sogenannten Superschwarz. Dann saust der Elektronenstrahl nach oben (oberste orange Linie) und beginnt, unsere Treppe darzustellen: Die Breite der Stufen repräsentiert die Breite des jeweiligen Balkens, die Höhe, auf der sich die Stufe befindet, repräsentiert ihre Helligkeit. Die oberste Stufe steht für das Weiß des linken Balkens unseres Fernsehbildes, die unterste Stufe für das Schwarz. Ja, und dann ist schon eine Zeile vorüber. Es folgt wieder der Austastimpuls, dann der Burst, und die nächste Zeile wird geschrieben. Und wie wir wissen, besitzt unser PAL- Fernsehbild 625 Zeilen. So viele Zeilen müssen geschrieben werden, um ein Bild darzustellen. Und da wir pro Sekunde 25 Bilder (bzw. 50 Halbbilder) zu sehen bekommen, ist eine ganze Menge los in so einem Videosignal.

     

    Farbbalken

    Farbbalken
    Farbbalken

    Auf unserem Fernsehschirm bilden wir jetzt einen Farbbalken ab. Dieser sollte übrigens auf keinem Masterband (Video) fehlen.

     

    Wie sind nun die Farbinformationen codiert? Da zuerst das Schwarzweiß-Fernsehen entwickelt und eingeführt war, musste man, als Jahrzehnte später die Entwicklung des Farbfernsehens anstand, auf die vielen Besitzer von S/W-Geräten Rücksicht nehmen. Man musste ein Verfahren finden, welches sowohl den Besitzern von S/W-Geräten als auch den Besitzern neuer Farbgeräte gleichzeitig das Fernsehen ermöglichen sollte. Deshalb überlagerte man das bestehende schwarzweiße Fernsehsignal mit einem Farbsignal (4,43 MHz). Es wird quasi auf das Schwarzweißsignal, welches aus unterschiedlichen Spannungswerten besteht, aufaddiert. Die Farbinformation wird in Form von Schwingungen hinzugefügt, über die Treppenstufen des Schwarzweißsignals lagert man also Schwingungen, welche mit ihrer Frequenz den Farbton definieren und mit ihrer Amplitude (also dem Pegelwert in mV) die Sättigung der Farbe festlegen.

     

    In unserem PAL-Fernsehsystem darf das Farbsignal nicht höher als 133 % des Videosignals betragen, also nicht höher als 931 mV liegen (wir erinnern uns: Das Weiß hat 700 mV). Im Negativ-Bereich darf das Farbsignal maximal bei -231 mV liegen.

     

    Spannungskurve des Farbbalken

    Spannungskurve des Farbbalken

    Auf unserem Oszillograf sind die Farben als schmale Balken erkennbar. Weiß und Schwarz sind genauso codiert, wie im Schwarzbild oben abgebildet. Die Länge der Balken gibt die Sättigung der jeweiligen Farbe wieder. Das bedeutet: Wären die Farben unseres Farbbalkens auf dem Fernsehschirm weniger intensiv, weniger gesättigt, so wären die entsprechenden Balken auf dem Oszillograf kürzer. Die angegebenen Werte markieren den erlaubten Rahmen innerhalb des PAL-FBAS-Signals, auch Composite genannt, weil hier die Farb- und Helligkeitsinformationen nicht getrennt, sondern zusammen aufgezeichnet oder übertragen werden. Man sollte also bei seinem Messgerät den höchsten Ausschlag bei 931 mV und den niedrigsten bei -231 mV festlegen.

     

    PAL

    Da die Farbsignale mit hoher Frequenz transportiert werden, sind sie sehr anfällig gegen Störungen. Damit eine sichere Farbwiedergabe möglich ist, wird jede zweite Zeile phasenverkehrt übertragen. Daher rührt auch der Name PAL (Phase-Alternate-Line). Dieses System verhindert, dass Farbstiche durch Phasenfehler entstehen können. Bei Empfang über Fernsehantenne kann so etwas schon durch die nächste Hausmauer, die Antenne des Nachbarn oder einen anderen TV-Sender verursacht werden. Hätte eine Zeile einen Farbstich (z. B. Rotstich) in Folge eines Phasenfehlers, so hätte die nächste Zeile den entgegengesetzten Farbstich (Grünstich). Gemeinsam betrachtet, neutralisieren sich dann die Farbstiche.

     

    Das amerikanische Fernsehsystem NTSC verfügt übrigens nicht über ein derartiges Korrekturverfahren. Daher können die Farben dort ganz schön schwanken. Diese Eigenheit hat dem System auch die eigenwillige Übersetzung zu „Never The Same Color“ eingebracht.

     

    Digitale Werte

    Bei der Digitalisierung wird übrigens der Spannungsbereich bis 700 mV durch digitale Werte zwischen 16 und 235 repräsentiert. Die digitalen Werte von 0 bis 15 entsprechen den Negativwerten in der analogen Welt unterhalb der 0 Volt, dem Superschwarz-Bereich, auch Footroom genannt. Werte, die über der 235 liegen, sind Weißwerte, die außerhalb des Normpegels liegen, vielleicht noch nicht klippen, aber bereits keine Differenzierung mehr zulassen. Camcorder, aber auch Codecs kennen zur Vermeidung des digitalen Klippens eine sogenannte Knee-Funktion, eine Art sanften Begrenzer bei zu hellen Bildanteilen.

     

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