Farbfernsehen

Die USA waren zwar der Vorreiter beim Farbfernsehen, die besseren Farben kamen aber später aus Europa. In Japan wurde es schließlich hochauflösend.


Beim analogen Farbfernsehen in Standard-Auflösung (Standard Definition) wurden bzw. werden weltweit drei verschiedene Verfahren der Farbübertragung angewendet: NTSC, PAL und SECAM. Alle drei bauen auf dem gleichen Grundprinzip auf, indem sowohl ein Helligkeitssignal übertragen wird (ähnlich dem Signal beim Schwarz-Weiß-Fernsehen) als auch ein ein Farbsignal. Sie unterscheiden sich jedoch dabei, wie die Farbinformation übertragen wird. Für analoges Fernsehen mit hoher Auflösung (High Definition) wurde hingegen das MUSE-Verfahren verwendet. Noch vor NTSC gab es mit CBS-color ein Farbfernsehsystem, das gänzlich anders arbeitete, und mit dem wir beginnen wollen.


USA

CBS-color
Peter Goldmark führte bei CBS (Columbia Broadcasting System) 1940 ein elektro-mechanisches Farbfernsehsystem vor, das mit einem Farbrad (mit Segmenten in Rot, Grün und Blau) zwischen Linse und Aufnahmeröhre der Kamera sowie einem weiteren vor der Bildröhre arbeitete. Es war allerdings inkompatibel zum schwarzweißen NTSC-Standard, auf Schwarzweiß-Fernsehern konnte es also auch nicht in schwarzweiß dargestellt werden.
Trotzdem gab die FCC (Federal Communications Commission) am 10. Oktober 1950 Ausstrahlungen mit dem CBS-System frei. Es hatte 405 Zeilen (davon 377 sichtbare), wegen des Farbrads mit 144 Halbbildern pro Sekunde (jedes Bild musste 3 mal gezeigt werden: einmal durch das rote Segment des Farbrades, einmal durch das grüne, und einmal durch das blaue, um den Eindruck eines vollfarbigen Bildes entstehen zu lassen; tatsächlich gab es also nur 48 Halbbilder pro Sekunde). Wegen der Inkompatibilität mit dem NTSC (National Television System Committee)-Standard klagten RCA (Radio Corporation of America) und andere dagegen, der Supreme Court erlaubte jedoch am 28. Mai 1951 die Ausstrahlung. Am 25. Juni 1951 begann CBS in Farbe zu senden, endete aber schon am 20. Oktober 1951 wieder, da die Regierung wegen des Koreakrieges die Produktion von mit dem CBS-System kompatiblen Fernsehern untersagte. Damit sollten Ressourcen gespart werden. Das CBS-color-System setzte sich schließlich nicht durch.

NTSC-color
RCA stellte 1950 ein Farbfernsehsystem vor, das mit 3 Röhren in der Kamera (das Licht wird, nachdem es die Linse passiert hat, in Rot, Grün und Blau getrennt, und so an die 3 Röhren weitergeleitet), und 3 Elektronenkanonen im Fernsehgerät (wiederum für Rot, Grün und Blau) arbeitet.
Es ist kompatibel mit dem schwarzweißen NTSC-Standard, da das Farbbild nicht als RGB-Signal (bestehend aus roten, grünen und blauen Farbinformationen) übertragen wird, sondern aus einem Helligkeitssignal und einem Farbsignal besteht. Dies ist möglich, da sich jede Farbe über drei Werte eindeutig bestimmen lässt: ihren Farbton, ihre Farbsättigung und ihre Helligkeit. Das Farbsignal besteht aus 2 Farbdifferenzsignalen, Blau minus Helligkeit und Rot minus Helligkeit, woraus sich dann zusammen mit dem Helligkeitssignal auch das grüne errechnen lässt. Anfangs wurden statt Blau und Rot die Farbachsen Orange-Cyan und Grün-Violett verwendet.
Für die Helligkeit werden die RGB-Signale der Kamera kombiniert und die Amplitude eines Helligkeitsträgers (d.h. einer elektromagnetischen Welle, nämlich einer Radiowelle) mit dem so entstandenen Helligkeitssignal moduliert.
Bei der Modulation wird eine Eigenschaft der Radiowelle, z.B. ihre Amplitude oder ihre Phase, verändert.
Die Amplitude der Radiowelle ist ihr maximale Abstand von der Ruhelage (ihre sogenannte Auslenkung), sozusagen ihre Größe. Wird eine hohe Helligkeit übertragen, ist die Auslenkung der Schwingung groß; wird eine niedrige Helligkeit übertragen, ist die Auslenkung klein. Das sieht dann z.B. so aus:


Große Auslenkung, kleine Auslenkung

Für die Übertragung der Farbe werden die Amplituden eines Farbträgers (d.h. abermals einer Radiowelle) sowie eines zweiten, um 90 Grad phasenverschobenen Farbträgers mit den beiden Farbdifferenzsignalen moduliert und dann addiert. Die Amplitude des entstehenden Signals entspricht dabei der Farbsättigung, die Phase dem Farbton.
Die Phase ist eine Größe, die den Schwingungszustand einer Welle zu jeder Zeit und an jedem Ort bestimmt. Stellt man sich eine komplette Periode einer Welle als Kreis vor, so lässt sich die Phase in Grad angeben. Der Beginn der Periode, ihr Nullpunkt, liegt bei 0 Grad, ein Viertel, ihr höchster Punkt, ist bei 90 Grad erreicht, die Hälfte, das Durchschreiten des Nullpunktes, bei 180 Grad, drei Viertel, ihr tiefster Punkt, bei 270 Grad, und die ganze Periode, abermals am Nullpunkt, bei 360 Grad. Das sieht dann so aus:


Periode einer Schwingung mit Gradangaben, korrespondierend zu einem Kreis mit Gradangaben

Sind zwei Schwingungen zueinander phasenverschoben, dann durchschreiten sie den Nullpunkt zu unterschiedlichen Zeiten bzw. aus unterschiedlichen Richtungen kommend. Eine um 90 Grad phasenverschobene Schwingung durchschreitet den Nullpunkt, wenn die erste bereits bei 90 Grad ihres Kreises angekommen ist. Eine um 180 Grad verschobene durchschreitet ihn, wenn die erste bereits bei 180 Grad ihres Kreises angekommen ist, also zur gleichen Zeit, aber aus der entgegengesetzten Richtung. Das sieht dann so aus:


Um 90 Grad phasenverschobene Schwingungen, um 180 Grad phasenverschobene Schwingungen

Der Farbträger wird nun dem bereits helligkeitsmodulierten Helligkeitsträger aufmoduliert, d.h seine Amplitude wird sowohl durch die Helligkeit als auch durch die Farbsättigung moduliert, seine Phase durch den Farbton.

Das Farb-Signal wird von Schwarzweiß-Fernsehern nicht verarbeitet, nur Farbfernseher nutzen es zur Farberzeugung. Durch Störeinflüsse bei der Übertragung können dabei aber häufig Farbfehler auftreten, da sich die Phasenverschiebung, und somit der Farbton, verändern können. Empfangen Farbfernseher ein Schwarzweiß-Signal, feueren alle 3 Kanonen gleichstark.
1954 gingen Farbfernseher nach diesem System in den Verkauf, da der Standard von der FCC am 17. Dezember 1953 als NTSC-color zur Ausstrahlung freigegeben wurde. Zuvor war 1951 abermals das National Television System Committee einberufen worden, um den Standard zu definieren. Die Bilder haben 525 Zeilen (486 sichtbar) in 59,94 Halbbildern pro Sekunde (59,94 Hz), das Bildformat ist 4:3. NTSC bezieht sich hierbei jedoch nur auf die Art der Farbübertragung, nicht auf die Auflösung und die Bildwiederholfrequenz (auch wenn NTSC häufig als Bezeichnung für die Kombination aller drei Parameter gebraucht wird). Am 1. Januar 1954 begann die kommerzielle Ausstrahlung von Farbfernsehen durch NBC (National Broadcasting Company), zunächst im kleinen Rahmen. Bis Ende der 1960er-Jahre wurden wenig Farbfernseher verkauft, und wenig Farbfernsehen ausgestrahlt.

Europa

PAL
Walter Bruch entwickelte bei Telefunken in Deutschland den PAL (Phase Alternation Line, Phasenwechsel-Zeile)-Standard. Das erste Patent für das System wurde 1962 angemeldet. Auch hier steht PAL eigentlich nur für die Art der Farbübertragung, wird jedoch meist für das Gesamtsystem aus Farbübertragungsnorm, Bildauflösung (625 Zeilen, 576 sichtbar, Bildformat 4:3) und Bildwiederholfrequenz (50 Halbbilder pro Sekunde, 50 Hz) verwendet.
Auch bei PAL wird sowohl ein Helligkeits- als auch ein zweigeteiltes Farbsignal übertragen. Einer der beiden Farbträger wird dabei in jeder Zeile um 180 Grad phasenverschoben, also sozusagen „umgekehrt“, zur vorigen Zeile ausgestrahlt und empfangen (deswegen Phase Alternation Line).
Eventuelle Farbtonfehler lassen sich dann durch Mittelung zwischen den Farbinformationen zweier Zeilen aufheben – da sich eine Störung ja durch die 180-Grad-Phasenverschiebung zur vorherigen Zeile in jeder Zeile umgekehrt zur vorigen auswirkt – und in kaum wahrnehmbare Farbsättigungsfehler umwandeln. Die Farbinformation jeder Zeile wird also immer aus dem Mittelwert der aktuellen und der vorherigen, zu diesem Zweck noch gespeicherten, Zeile gewonnen. Zwar wird die vertikale Farbauflösung damit halbiert, dies fällt aber nicht weiter auf, da das menschliche Auge weit weniger farb- als helligkeitsempfindlich ist.
Die Speicherung ist dabei eigentlich eine Verzögerung: Das elektrische Signal wird in eine Ultraschallwelle umgewandelt, welche dann durch eine sogenannte Glasverzögerungsleitung geschickt wird; an deren Ende wird die Ultraschallwelle wieder in ein elektrisches Signal umgewandelt. Dieses steht durch die Zeitdauer, die es zur Durchqueren der Verzögerungsleitung braucht, genau zu dem Zeitpunkt zur Verfügung, zu dem das Signal der nächsten Zeile empfangen wird.
In Deutschland begann die Farbausstrahlung am 25. August 1967.

In Großbritannien begannen bereits am 1. Juli vereinzelte Farbausstrahlungen im PAL-System, am 2. Dezember 1967 startete das reguläre Farbprogramm auf BBC 2.

Frankreich, UdSSR

SECAM
Henri de France meldete schon 1956 ein Farbübertragungsverfahren zum Patent an, das nach Weiterentwicklungen schließlich als SECAM (Séquentiel couleur à mémoire, sequentielle Farbe mit Speicherung) bezeichnet wurde. Abermals werden ein Helligkeits- und ein zweigeteiltes Farbsignal übertragen. Die beiden Farbdifferenzsignale werden jedoch abwechselnd statt gleichzeitig übertragen und jeweils kurzzeitig gespeichert (deswegen Séquentiel couleur à mémoire), um dann für jede Zeile gemeinsam dargestellt zu werden. Eine der beiden Informationen stammt also auch hier immer aus der vorherigen Zeile.

Zudem werden die Farbträger nicht wie bei NTSC und PAL in ihrer Amplitude moduliert, sondern in ihrer Frequenz. Die Frequenz der Radiowelle ist die Anzahl ihrer Schwingungen pro Zeiteinheit. Je nach Stärke der Farbsättigung ändert sich die Anzahl der Schwingungen. Wie kann das aussehen? So:


Hohe Frequenz, niedrige Frequenz

Während also die Auslenkung der Radiowelle stets gleich bleibt, verändert sich die Anzahl der Schwingungen pro Zeiteinheit, die Frequenz, je nachdem, ob eine hohe oder niedrige Farbsättigung vorliegt.

Dieses Verfahren vermeidet wie PAL das Auftreten von Farbfehlern und halbiert ebenso die vertikale Farbauflösung. SECAM wird wie PAL kombiniert mit 625 Zeilen (576 sichtbar, Bildformat 4:3) in 50 Halbbildern (50 Hz) pro Sekunde, ist zu PAL aber nur in Schwarzweiß kompatibel: PAL-Fernseher zeigen ein SECAM-Signal in schwarzweiß, und umgekehrt.
Frankreich (ab 1. Oktober 1967), die UdSSR sowie der Ostblock benutzten SECAM, der Rest von Europa PAL.


Japan

Hi-Vision
Analoges hochauflösendes Fernsehen im Hi-Vision-Format mit MUSE (Multiple sub-Nyquist sampling encoding)-Komprimierung hat 1125 Zeilen (1035 sichtbar) und eine Bildwiederholfrequenz von 59,94 Hz, also 59,94 Halbbildern pro Sekunde. Das Bildformat beträgt 16:9.
Lediglich in Japan wurde in diesem Format ausgestrahlt. Seit 1981 wurde in diesem Format produziert, jedoch zunächst nur unregelmäßig gesendet, z. B. anlässlich Olympischer Spiele oder von Fußball-Weltmeisterschaften. Etwas regelmäßiger wurde in Hi-Vision seit dem 25. November 1991 gesendet.
Seit 2000 wird Hi-Vision in Japan regelmäßig digital per Satellit ausgestrahlt.


Die wesentlichen Bestandteile des Farb-Röhrenfernsehers sind eine Kathode, eine Anode (zusammen ergeben sie eine Elektronenkanone), ein Bildschirm mit einer Leuchtschicht sowie eine Loch- bzw. Streifenmaske.
Eine Kathode wird erhitzt und sendet so Elektronen aus, die, zu einem Strahl gebündelt, zu einer Anode gelangen. Dort wird der Strahl in Richtung eines Schirms beschleunigt, der eine Leuchtschicht hat. Der Elektronenstrahl wird durch elektrische bzw. magnetische Felder horizontal bzw. vertikal abgelenkt, er bewegt sich dadurch zeilenweise über den Leuchtschirm, von oben nach unten. Wo er den Schirm trifft, leuchtet dieser; umso heller, je stärker der Elektronenstrahl ist.
Beim Farbfernseher gibt es 3 Elektronenkanonen, eine für Rot, eine für Grün, eine für Blau. Die Leuchtschicht besteht aus einzelnen Bildpunkten mit jeweils drei Unterpunkten: einem in Rot, einem in Grün und einem in Blau. Die Elektronenstrahlen werden durch eine Loch- oder eine Streifenmaske gelenkt, wodurch jeder Strahl nur Bildpunkte in seiner Farbe trifft. Aus der Mischung von rot, grün und blau leuchtenden Bildpunkten ergibt sich das vollfarbige Bild. Da die Beschichtung eine kurze Zeit nachleuchtet, und durch die Beschaffenheit der menschlichen optischen Wahrnehmung, fügen sich die aus Punkten bestehenden einzelnen Zeilen für den Betrachter zu einem Bild zusammen.

Aktualisiert am 28.2.2013: Einleitung hinzugefügt, NTSC- und SECAM-Abschnitte präzisiert.