Die Urzeit: Fernseher

Der direkte Vorgänger des Computermonitors ist der Farbfernseher. Viele Heimcomputer der 1980er Jahre gaben hierauf ihr Bild aus, codiert als NTSC- oder PAL-Signal. Trotz verschiedener Namen - NTSC steht für National Television System Committee (hier wurde der Standard entwickelt), PAL für Phase Alternating Line - sind diese verwandt.

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Beide Signalformate - eine umfassende Beschreibung findet sich hier (PDF) - wurden als Erweiterung eines Schwarz-Weiß-Vorgängers entwickelt. Dadurch konnten Farbprogramme weiterhin mit alten Schwarz-Weiß-Fernsehern angesehen werden. Bei PAL und NTSC sind die Anzahl an Bildzeilen und die Bildwiederholrate festgelegt, verschiedene Auflösungen gibt es also nicht. PAL sendet 625 Zeilen in Form von 50 Halbbildern pro Sekunde, NTSC nur 525 Zeilen, dafür aber in jeder Sekunde knapp 60 Halbbilder. Beide Formate übertragen Bilder im sogenannten Interlaced-Format - zuerst alle Zeilen mit ungerader Nummer, dann alle mit gerader.

Wer nachrechnet, merkt, dass die Übertragung einer Bildzeile bei PAL und NTSC annähernd gleich lang dauert - bei PAL exakt 64 μs, bei NTSC etwas weniger. Auch der Aufbau der horizontalen und vertikalen Austastlücke (die geläufige Übersetzung von Blank) ist annähernd gleich. Deren Strukturen sind deutlich komplizierter als bei VGA, wo ein einfacher Spannungsimpuls genügt.

Funkhaus an alle Geräte: Strahlrücklauf!

Die Austastlücke ist zudem mehr als nur ein Synchronisationspuls zum Auslösen des entsprechenden Strahlrücklaufs. Dieser Puls ist von einer vorderen und hinteren sogenannten Schwarzschulter, auf Englisch front und back porch, umgeben. Während dieser Zeiten werden keine Bilddaten übertragen, stattdessen liegt der Schwarzpegel an - daher der deutsche Name.

  • Die Grafikkarte überträgt mehr als nur die Bilddaten - damit ergibt sich eine höhere Anzahl an Zeilen und Spalten. (Bild: Johannes Hiltscher/Golem.de)
  • Am Anfang einer Bildzeile befindet sich der Colour Burst, hier bei PAL. Der Empfänger synchronisiert damit seinen Farbträger-Oszillator. (Bild: Johannes Hiltscher/Golem.de)
  • Die verschiedenen Synchronisationspulse von PAL dauern unterschiedlich lang - bei NTSC sind sie fast identisch. (Bild: Johannes Hiltscher/Golem.de)
  • Der Übergang zwischen zwei Halbbildern bei PAL: Fünf Serration Pulses werden von jeweils fünf Equalizing Pulses eingerahmt. (Bild: Johannes Hiltscher/Golem.de)
Die verschiedenen Synchronisationspulse von PAL dauern unterschiedlich lang - bei NTSC sind sie fast identisch. (Bild: Johannes Hiltscher/Golem.de)
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Die Schwarzschultern haben mehrere Gründe: Der Empfänger kann den Schwarzpegel erkennen, sie geben ausreichend Zeit für den horizontalen Strahlrücklauf und vermeiden große Spannungssprünge. Bei den Fernsehformaten existieren nämlich keine Synchronisationsleitungen. Bei PAL muss daher der Sender die anliegende Spannung auf 0,3 Volt unter den Schwarzpegel absenken. Weiß, also maximale Leuchtstärke, liegt übrigens bei 0,7 Volt über dem Schwarzpegel.

Der vertikale Strahlrücklauf hat ebenfalls eine komplexere Struktur. Zwar gibt es keine Schwarzschultern, dafür müssen feste Folgen von Synchronisationssymbolen übertragen werden. Davon gibt es zwei: die Equalizing- und Serration-(Verzahnungs-)Pulse. Die Synchronisationssequenz besteht bei PAL und NTSC aus fünf Equalizing-, fünf Serration- und noch einmal fünf Equalizing-Pulsen. Die unterschiedlichen Synchronisationspulse bei beiden Formaten sowie halbe Zeilen machen die Erzeugung der Signale komplizierter als bei VGA.

  • Die Grafikkarte überträgt mehr als nur die Bilddaten - damit ergibt sich eine höhere Anzahl an Zeilen und Spalten. (Bild: Johannes Hiltscher/Golem.de)
  • Am Anfang einer Bildzeile befindet sich der Colour Burst, hier bei PAL. Der Empfänger synchronisiert damit seinen Farbträger-Oszillator. (Bild: Johannes Hiltscher/Golem.de)
  • Die verschiedenen Synchronisationspulse von PAL dauern unterschiedlich lang - bei NTSC sind sie fast identisch. (Bild: Johannes Hiltscher/Golem.de)
  • Der Übergang zwischen zwei Halbbildern bei PAL: Fünf Serration Pulses werden von jeweils fünf Equalizing Pulses eingerahmt. (Bild: Johannes Hiltscher/Golem.de)
Der Übergang zwischen zwei Halbbildern bei PAL: Fünf Serration Pulses werden von jeweils fünf Equalizing Pulses eingerahmt. (Bild: Johannes Hiltscher/Golem.de)

Und die Farbe?

Bislang kam Farbinformation noch gar nicht vor. Da PAL und NTSC für Rundfunk konzipiert waren, existieren natürlich keine separaten Leitungen für die Farbinformation. Sie wurde in das Vorgängerformat hineingebastelt. Die komplette Bildinformation wird über ein Medium - Funkwellen oder den Composite-Eingang - übertragen.

Da die bestehende Signalstruktur erhalten bleiben musste, wurde die Farbe über einen sogenannten Farbträger ergänzt. Dabei handelt es sich um eine Schwingung mit sehr genau vorgegebener Frequenz, die mit zwei Farbdifferenzsignalen moduliert wird. Da die Helligkeitsinformation bereits vorhanden ist, genügt die Übertragung eines Rot- und Blau-Differenzsignals. Die Umrechnung zwischen Helligkeits- und Farbdifferenzinformation (bezeichnet mit YUV) und RGB-Format erfolgt mit einfachen Formeln.

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Zwei Signale lassen sich mit einer Trägerwelle übertragen, wenn Quadratur-Amplituden-Modulation genutzt wird. Eines der Signale moduliert den Sinus, das andere den Cosinus der Welle, die Ergebnisse werden addiert. Das ergibt für jede Farbe eine charakteristische Phasenverschiebung des Farbträgers. Der Empfänger decodiert das eingehende Signal mithilfe eines Oszillators, der sehr genau mit der Trägerfrequenz schwingt.

Um den Oszillator mit dem gesendeten Trägersignal zu synchronisieren, werden während der hinteren Schwarzschulter einige Perioden der unmodulierten Trägerschwingung übertragen. PAL bedient sich zudem noch eines kleinen Tricks: Zur Minimierung von Übertragungsfehlern wird die Cosinus-Komponente des Farbträgers nach jeder Zeile um 180° phasenverschoben - daher der Name. Darüber hinaus ist die Frequenz des Farbträgers so gewählt, dass jede Zeile zu einer Verschiebung der Trägerphase um -90° führt - das macht die Erzeugung eines PAL-Signals (g+) recht herausfordernd.

  • Die Grafikkarte überträgt mehr als nur die Bilddaten - damit ergibt sich eine höhere Anzahl an Zeilen und Spalten. (Bild: Johannes Hiltscher/Golem.de)
  • Am Anfang einer Bildzeile befindet sich der Colour Burst, hier bei PAL. Der Empfänger synchronisiert damit seinen Farbträger-Oszillator. (Bild: Johannes Hiltscher/Golem.de)
  • Die verschiedenen Synchronisationspulse von PAL dauern unterschiedlich lang - bei NTSC sind sie fast identisch. (Bild: Johannes Hiltscher/Golem.de)
  • Der Übergang zwischen zwei Halbbildern bei PAL: Fünf Serration Pulses werden von jeweils fünf Equalizing Pulses eingerahmt. (Bild: Johannes Hiltscher/Golem.de)
Am Anfang einer Bildzeile befindet sich der Colour Burst, hier bei PAL. Der Empfänger synchronisiert damit seinen Farbträger-Oszillator. (Bild: Johannes Hiltscher/Golem.de)

Auch über die Anforderungen der Röhrentechnik hinaus haben die alten Fernsehformate ihre Nachfolger beeinflusst.

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Crass Spektakel 18. Aug 2022 / Themenstart

Nein weil die im Amiga nicht beschaltet sind. Das waren die normalen analogen Leitungen...

Gokux 17. Aug 2022 / Themenstart

Danke. "Umfassend" war keine Übertreibung :D

rubberduck09 17. Aug 2022 / Themenstart

Ganz so passiv sind diese Adapter aber nicht. Es befindet sich da ein (relativ simpler...

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