Grundlagen des analogen Videosignals und seiner Messung

Synchronisationssignale

Unterhalb des Schwarzwertes eines Videosignals befinden sich die Synchronisationsimpulse. Es gibt zwei grundlegende Arten:

• Horizontale Synchronisationsimpulse: Diese werden während des Zeilenrücklaufs gesendet und signalisieren den Übergang zwischen zwei Fernsehzeilen.
• Vertikale Synchronisationsimpulse: Diese werden während des Bildrücklaufs gesendet und identifizieren den Zeitpunkt, an dem ein Halbbild (Field) beginnt und endet.

Aufbau des analogen Videosignals

Zeilenaufbau und Bildraster

Da der Elektronenstrahl horizontal schneller als vertikal abgelenkt wird, zeichnet er eine Reihe von horizontalen Linien auf dem Bildschirm, die als Ablenk- oder Rasterzeilen bezeichnet werden. Eine vollständige horizontale Ablenkung (von links nach rechts) wird als Zeilenhinlauf bezeichnet, während die Rückkehr (von rechts nach links) als Zeilenrücklauf erfolgt. Die vertikale Rückkehr vom unteren zum oberen Bildrand wird als Bildrücklauf bezeichnet. Im PAL-System besteht ein Vollbild aus 625 Zeilen, von denen 575 sichtbare Bildinformationen enthalten. Die restlichen Zeilen fallen in die Austastlücke und werden für die Synchronisationsimpulse verwendet.

Signalpegel und Gamma-Korrektur

Das Videosignal ist ein elektrisches Signal mit einem Pegel von 1 Volt Spitze-Spitze. Die Bildinformationen liegen zwischen dem Schwarzwert (ca. 0,3 V) und dem Weißwert (1,0 V). Pegel außerhalb dieser Grenzen werden elektronisch beschnitten und als reines Schwarz oder reines Weiß dargestellt.

Die Beziehung zwischen der Helligkeit im Bild und der Signalspannung wird durch die Gamma-Korrektur bestimmt. Ein Gammawert von 1 bedeutet eine lineare Beziehung. Ein niedrigerer Gammawert (z. B. 0,65) erzeugt einen weicheren Tonwertkontrast, während ein höherer Wert (z. B. 2,2) zu einem abrupten, übertriebenen Kontrast führt.

Luminanz und Chrominanz

Das Luminanzsignal (Y), also das Helligkeitssignal, wird in analogen Farbfernsehsystemen aus den drei Grundfarben Rot, Grün und Blau (RGB) gewonnen. Da das menschliche Auge Farben unterschiedlich wahrnimmt, werden die Anteile gewichtet:

Y = 0,299 R + 0,587 G + 0,114 B

Dieses Y-Signal kann auch von Schwarz-Weiß-Fernsehern dargestellt werden, was die Kompatibilität sicherstellt.

Um Bandbreite zu sparen, werden nicht die vollen RGB-Signale übertragen. Stattdessen werden Chrominanzsignale (Farbsignale) aus der Differenz zwischen den Farbsignalen und dem Luminanzsignal gebildet. Man benötigt nur zwei dieser Farbdifferenzsignale, da das dritte daraus berechnet werden kann:

• U-Signal: B-Y (Blau minus Helligkeit)
• V-Signal: R-Y (Rot minus Helligkeit)

Diese beiden Signale werden zu einem einzigen Chrominanzsignal kombiniert. Tatsächlich werden sie zur Pegelreduzierung skaliert: U = 0,493 (B-Y) und V = 0,877 (R-Y).

In den Farbsystemen NTSC, PAL und SECAM werden Luminanz- und Chrominanzsignale zu einem kompletten Videosignal (Composite-Signal) zusammengefügt, wobei sich die Systeme in der Art der Verarbeitung des Chrominanzsignals unterscheiden.

Kontrolle und Anpassung des Videosignals

Messgeräte zur Signalanalyse

Die wichtigsten Messgeräte zur Analyse des Videosignals sind die folgenden:

• Wellenformmonitor (WFM): Ein WFM ist ein spezielles Oszilloskop, das zur Messung eines Videosignals kalibriert ist. Während ein normales Oszilloskop zeitlich veränderliche Spannungen grafisch darstellt, ist die Zeitbasis eines WFM an die Zeitintervalle eines Videosignals angepasst. Der Bildschirm verfügt über Markierungen für Signalamplitude und Zeit, die es ermöglichen, die allgemeinen Luminanzwerte (Helligkeit) eines Bildes zu visualisieren und zu messen.
• Vektorskop: Ein Vektorskop ist ein Oszilloskop, das auf die Messung und Visualisierung der Chrominanzparameter spezialisiert ist. Es stellt die Vektoren der verschiedenen Farben dar, die in der Videoinformation enthalten sind, wobei der Synchronisationsimpuls als Phasenreferenz dient. Die Anzeige erfolgt auf einem kreisförmigen Raster mit Markierungen für die Bereiche, in denen die Vektoren der Referenzfarben erscheinen müssen, um deren Phase und Amplitude exakt zu bestimmen.
• Spektrumanalysator: Ein Spektrumanalysator kann Signale im Frequenzbereich analysieren. Er ist nützlich, um ein auf einen Hochfrequenzkanal moduliertes TV-Signal zu untersuchen und die Verteilung von Luminanz, Chrominanz und dem begleitenden Rauschen zu kontrollieren.

Kamerasteuerung (CCU)

Ein wichtiges Element zur Anpassung des Videosignals in TV-Studios ist die Kamerasteuereinheit (Camera Control Unit, CCU). Die CCU dient als Fernsteuerung für die Kameras und ermöglicht die Einstellung zahlreicher Parameter, darunter:

• Phase des Farbhilfsträgers (zur Synchronisation der Kamera mit anderen Geräten)
• Iris (Blendenöffnung)
• Master-Schwarzpegel sowie separater R-, G- und B-Schwarzpegel
• Separate R-, G- und B-Verstärkung
• Master-Verstärkung (z. B. 0, 9, 18 Dezibel)
• Automatischer Weiß- und Schwarzabgleich
• Speichern und Abrufen von Kameraeinstellungen
• Generierung von Farbbalken

Videokabel und Steckverbinder

Koaxialkabel

Die meisten professionellen Videokabel sind Koaxialkabel. Sie sind für die Übertragung hochfrequenter elektrischer Signale ausgelegt und bestehen aus zwei konzentrischen Leitern: einem zentralen Innenleiter (meist ein massiver oder geflochtener Kupferdraht) und einem äußeren Leiter in Form eines Rohrs oder Kupfergeflechts, der als Abschirmung und Massebezug dient. Die beiden Leiter sind durch eine Isolierschicht (Dielektrikum) voneinander getrennt und werden von einem Schutzmantel umschlossen.

Gängige Steckertypen

Die gebräuchlichsten Arten von Videosteckverbindern sind:

• BNC-Anschluss: Ein Stecker mit Bajonettverschluss für eine schnelle und sichere Verbindung. Er wird hauptsächlich für analoge Signale wie das Composite-Videosignal (Luminanz und Chrominanz kombiniert) oder für getrennte Komponenten (YUV) verwendet. Geräte haben in der Regel BNC-Buchsen, sodass die Kabel an beiden Enden mit BNC-Steckern ausgestattet sind.
• Y/C-Anschluss (S-Video): Ein 4-poliger Stecker, der Luminanz- (Y) und Chrominanzsignale (C) getrennt überträgt. Dies führt zu einer höheren Bildqualität durch eine größere Bandbreite und die Vermeidung von Farbinterferenzen.
• Cinch-Anschluss (RCA): Ein im Heimbereich weit verbreiteter Steckertyp für Audio- und Video-Verbindungen. Im Videobereich wird er oft als Alternative zum BNC-Anschluss für Composite-Video verwendet.
• Eurostecker (SCART): Ein 21-poliger Stecker aus dem Heimbereich, der eine Vielzahl von Audio- und Videosignalen übertragen kann, einschließlich Composite-Video, S-Video (getrennte Luminanz und Chrominanz) und RGB-Signale.
• HF-Steckverbinder (Koaxialstecker): Auch als Antennenstecker bekannt, werden diese für hochfrequente Ein- und Ausgänge an Geräten verwendet. Typischerweise sind die Ausgänge Stecker und die Eingänge Buchsen.
• Multicore-Kabel (Multipin): Ein Kabel, das mehrere (14 oder mehr) einzelne Leitungen in einem gemeinsamen Mantel bündelt. Es wird häufig zur Verbindung von Studiokameras mit ihrer CCU verwendet und überträgt Audio, Video, Tally, Stromversorgung und Steuersignale. Sie sind komplex und oft herstellerspezifisch.
• Triax-Kabel: Ein Kabel mit einem Innenleiter und zwei konzentrischen Außenleitern. Es ist eine wirtschaftlichere und funktionellere Alternative zum Multicore-Kabel. Obwohl die Technologie in den Kameras teurer ist, ist das Kabel selbst universeller, leichter zu reparieren und daher kostengünstiger. Es wird hauptsächlich bei hochwertigem Equipment eingesetzt.