Wie funktionieren analoge Videosignale?

Ich habe mich immer gefragt, wie eine einzige Drahtleitung (Signal und Masse) ein ganzes Farbbild auf einem Bildschirm mit Tausenden von Pixeln erscheinen lassen kann. Wie genau funktionieren diese Signale und welche Eigenschaften lassen Fernsehgeräte unterschiedliche Dinge zeigen?

Ich habe bei Panasonic an ihren Bordunterhaltungssystemen gearbeitet, daher weiß ich ein bisschen über solche Dinge Bescheid. Diese Beschreibung ist technisch nicht 100% korrekt (einige Namen könnten etwas abweichen), aber ich versuche sie zu schreiben, damit jeder sie verstehen kann. Hoffentlich hilft diese Erklärung ...

Die "Magie" dahinter kann eine Kombination der folgenden Dinge sein: Signalamplitude, Frequenz und Modulation. Verschiedene Arten von Fernsehgeräten und Signalen funktionieren unterschiedlich. Aus diesem Grund mussten alte Fernseher eine Konverterbox haben, um die neuen digitalen Signale zu akzeptieren, wenn sie nur einen analogen Tuner hatten. Das beschreibt aber wirklich nur, wie die Daten im Signal dargestellt werden. Grundsätzlich werden die Farbdaten für jedes Pixel Zeile für Zeile, Pixel für Pixel an das Fernsehgerät gesendet, und das Fernsehgerät aktualisiert den Bildschirm so oft pro Sekunde mit den neuen Daten. Obwohl das Video wirklich nur aus vielen Standbildern besteht, die auf dem Bildschirm aktualisiert werden, ändern sie sich schnell genug, damit wir sie als bewegend wahrnehmen können, daher der alte Begriff "Bewegtbild".

Schauen Sie sich ein typisches "Farbbalken" -Signal an, mit dem Videosysteme von Wikipedia getestet werden .

Das Bild selbst ist in "Linien" von Pixeln unterteilt. Jeder Bildschirm hat so viele Spalten und Zeilen, dass sich die gesamte Bildschirmauflösung ergibt. Jede Farbe in diesem Bild ist auf mehrere Pixel derselben Linie verteilt. Die zugehörige Oszilloskop-Wellenform hilft zu beschreiben, was hier vor sich geht (Dieses Bild stammt von Tektronix ):

Dieses Bild zeigt die Daten für zwei Pixelzeilen. Jede Zeile beginnt mit einem "Synchronisationsimpuls", um den Bildschirm und das Signal auszurichten. Diesem Impuls (dem negativen Teil der Wellenform) folgen Daten für jedes Pixel der Linie. Dies ist eigentlich ein analoges Video: Die Pixeldaten werden durch die Amplitude und Phase des Signals dargestellt. Sie können die verschiedenen Farben als analoge Spannung mit unterschiedlichen maximalen und minimalen Spannungen sehen. Wenn eine Zeile fertig ist, signalisiert ein anderer Synchronisationsimpuls den Beginn der nächsten Zeile. Das Videosignal und der Bildschirm müssen eine passende Auflösung haben (Anzahl der Pixel pro Zeile). Wenn zusätzliche Daten vorhanden sind, werden diese gelöscht. Wenn nicht genügend Daten vorhanden sind, teilen sich die Pixel die Daten (wodurch das Bild blockiert wird).

Vielen Dank an Pete B für die Erwähnung :

Um ein Detail bezüglich Farbsignalen zu verdeutlichen, wird die Luminanz (Helligkeit) eines Pixels durch die Amplitude des Signals bestimmt; während die Chrominanz (Farbton) durch die Phase des Chroma-Subträgersignals bestimmt wird.

Digitale Signale unterscheiden sich etwas darin, dass das Signal entweder HI oder LO ist. Der Wert von HI kann zwischen den Systemen variieren. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, wie dies funktioniert. Manchmal bildet eine bekannte Anzahl von Datenbits ein Paket, das alle Pixeldaten enthält (ähnlich wie bei der Netzwerkkommunikation). Eine andere Möglichkeit besteht darin, das Signal auf HI zu setzen, während es LO ist, um einen anderen Pixelwert darzustellen. So funktionieren IR-TV-Fernbedienungen, obwohl sie "Steuercodes" anstelle von Pixelinformationen senden.

Wie Sie sich vorstellen können, geschieht dies alles sehr, sehr schnell. Ein in den USA übliches Fernsehgerät wird 60 Mal pro Sekunde (60 Hz) oder 30 Hz für Interlaced-Videos aktualisiert (Bildschirmaktualisierung). Obwohl moderne und HD-Fernseher in der Regel noch häufiger aktualisiert werden (ab 240 Hz). Diese Aktualisierungsrate bedeutet, dass jedes Pixel auf dem gesamten Bildschirm so oft pro Sekunde aktualisiert wird. Je mehr es aktualisiert wird, desto mehr Details sind im Bild verfügbar, insbesondere wenn das Video viele sich schnell bewegende Bilder enthält (wie eine Verfolgungsjagd).

Verschiedene Fernsehkanäle (AIR oder Kabel) werden auf dieselbe Weise mit unterschiedlichen Basisfrequenzen an das Fernsehgerät geliefert. Der TV-Tuner wählt eine dieser anzuzeigenden Basisfrequenzen aus (Auswahl eines Kanals) und aktualisiert die Pixel basierend auf den modulierten Frequenzen innerhalb des Basisträgers. Die Frequenzen, die die Pixelfarbdaten darstellen, sind viel, viel schneller als die tatsächliche Aktualisierungsrate des Bildschirms, da jede Pixeldaten so oft pro Sekunde aktualisiert werden muss und es, wie Sie sagten, Tausende von Pixeln gibt.

Da Menschen nur Ton in einem Spektrum von 20 Hz bis 20 kHz hören, können die Tondaten leicht zu dem Signal über dem Video hinzugefügt und vom Fernseher herausgefiltert werden, obwohl für "hochauflösenden Ton" das Tonsignal durchgesendet wird Ein separates Kabel zum Fernsehgerät passt in alle Daten.

Um wirklich zu verstehen, was los ist, müssen Sie Signalfrequenzen, Amplitude, Zeitteilung, Modulation und Spektrumanalyse verstehen. Aber ich hoffe, diese Art erklärt einiges davon ...

Alle analogen TV-Standards (NTSC, PAL, SECAM usw.) sind Variationen eines Themas, die eine sorgfältige Mischung aus Zeitmultiplex (Synchronisations- und Videoinformationen) und Frequenzmultiplex (Luminanz, Chroma und Ton) beinhalten.

Die Details sind zu aufwendig, um hier näher darauf einzugehen, aber es gibt viele gute Referenzen im Internet, beginnend mit dem Wikipedia-Artikel über NTSC .