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c) Für die Speicherung von digitalen Signalen in einer Anordnung
mit Speicherzellen sollte die Abtastfrequenz eine feste Verkopplung zum Fernsehbild
haben. Dies ist gegeben, wenn die Abtastfrequenz
ein Vielfaches
der Horizontalfrequenz ist. Dies ist nicht gegeben für die PAL-Farbträgerfrequenz
als Abtastfrequenz, für die doppelte PAL-Frequenz und für die dreifache PAL-Frequenz.
Zum Einspeichern von Signalen mit diesen Abtastfrequenzen können unter Umständen
sehr komplizierte Logikschaltungen notwendig werden. Dies erkennt man z. B. aus
der DE-OS 26 28 816, bei der durch mehrfache Phasenumschaltl.ngen in einer vom PAL-Farbträger
abgeleiteten Abtastfrequenz die feste Verkopplung zum Fernsehbild erreicht wird.
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Aus diesem Grund wird häufig die vierfache Farbträgerfrequenz als
Abtastfrequenz vorgeschlagen, die bei PAL-Signalen ein Vielfaches der Horizontalfrequenz
ist. Für PAL-Signale ergibt sich die sehr hohe Abtastfrequenz von 17,7 MHz und damit
eine Bitrate von 142 MBit/s.
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d) Für die Fernübertragung, z. B. zwischen Städten, gibt es zahlreiche
Weitverkehrsverbindungen, die nur eine Bitrate von 34 MBit/s zulassen. Eine praktisch
anwendbare PCM-Codierung sollte daher auf die Bitrate von 34 MBit/s reduziert werden
können. In der DE-OS 2433672 wird hierzu unter anderem vorgeschlagen, die Farbträgerfrequenz
zu verschieben, um durch eine Bandbreitenreduktion im analogen Signal eine Bitratenreduktion
zu erreichen. Damit lassen sich jedoch die Probleme a) bis d) nicht lösen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht demgemäß darin, ein Verfahren der
eingangs erwähnten Art zu schaffen, welches bei verringerter Bitrate einen einfachen
Übergang von der PAL-Norm zu der SECAM-Norm gestattet.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs
1 oder 2 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Verfahren nach Anspruch 1 oder 2
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
B i 1 d 1 ein Blockschaltbild einer Einrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen
Verfahrens mit verschobenem Farbträgerfrequenzbereich und theoretisch fehlerfreien
Übertragung Bild 2 ein Blockschaltbild einer Einrichtung zur Durchführung eines
weiteren erfindungsgemäßen Verfahrens mit verschobenem Farbträgerfrequenzbereich
und reduzierter Bitrate und B i 1 d 3 Blockschaltbilder von Ausführungsbeispielen
von Einrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In B i 1 d 1 wird das PAL-Signal mit der Separation 1 aufgeteilt
in ein Signal Ymit der Bandbreite von 0 bis 3,75 MMz und in das Signal Cmit der
Bandbreite 3,75 bis 5 MHz. Das Signal C enthält die Leuchtdichtekomponenten in diesem
Bereich und das Chrominanzsignal, das ist der modulierte Farbträger, der ein PAL-
oder NTSC-Farbträger sein kann. Im nachfolgenden Frequenzumsetzer 2 wird der Farbträger
in seiner Frequenz so verschoben, daß seine Frequenz z. B. ein Vielfaches der Horizontalfrequenz
ist. Je nach beabsichtigtem Verwendungszweck kann man auch auf andere Frequenzen
verschieben, z. B. nur auf ein Vielfaches der Vollbildfrequenz. Für den PAL-Farbträger
von 4 433 618,75 Hz ergibt eine Verschiebung um 3 881,25 die 284fache Horizontalfrequenz.
Im nachfolgenden PCM-Coder 3, dem Analog-Digital-Wandler A-D, wird
das Signal mit
einer Frequenz von 2,5 MHz abgetastet, die ein Vielfaches der Horizontalfrequenz
ist. Damit ist auch eine starre Verknüpfung zum konvertierten Farbträger vorhanden,
was bei Mängeln in der PCM-Codierung vorteilhaft ist Da die Abtastfrequenz ein Vielfaches
der Horizontalfrequenz ist, ergeben sich beim Abspeichern keine Frequenzprobleme
und somit auch nicht die Notwendigkeit, die vierfache Farbträgerfrequenz zu verwenden.
Das oben angeführte Problem c) ist gelöst.
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In B i 1 d 1 wird erfindungsgemäß ein Band von etwa 3,75 - 5 MHz
mit einer Abtastfrequenz von 2,5 MHz übertragen. Dies scheint gegen die Natur zu
sein, denn man würde die Abtastfrequenz von 10 MHz auf Grund des Nyquist-Theorems
erwarten. Die Lösung liegt darin, daß mit 2,5 MHz Abtastfrequenz eine Bandbreite
von nur 1,25 MHz übertragen wird, und das widerspricht keineswegs dem Nyquist-Theorem.
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Zum Nachweis sei kurz folgende Rechnung geführt: Im PCM-Coder erfolgt
die Abtastung durch Impulse.
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Das Ergebnis für die Bandbreite von 3,75-5 MIIz läßt sich in folgender
Weise darstellen: Signal (3,75-5 MHz) x[ao+ al cos 2z 2,5 MHz t+a2 cos 2s 5 MHz
t+...], wobei der Inhalt der eckigen Klammern die Abtastimpulse darstellt.
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Nach der Ausmultiplikation ergeben sich die folgenden Frequenzspektren:
ao: 3,75-5MHz at: 1,25-2,5MHz a2: 1,25-OMHz 83: 3,75-2,5 MHz a4: 6,25-5MHz Man erkennt
aus einer derartigen Rechnung, daß sich die Spektren in keinem Bereich überlappen,
d. h. nach der PCM-Übertragung kann mit einem Bandpaß z. B.
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der Bereich von 3,75-5 MHz herausgegriffen werden.
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Im Bild 1 steht deshalb nach dem Digital-Analog-Wandler 4 der Frequenzbereich
C ungestört zur Verfügung. Der Bereich C'wird mit dem Frequenzumsetzer 5 in den
Originalbereich C zurückversetzt. Das Signal C wird in 6 zum ebenfalls übertragenen
und im D-A-Wandler 9 decodierten Signal Y addiert und es entsteht ein PAL-Signal,
das theoretisch ohne jede Verzerrung und Störung ist, das Quantisierungsrauschen
ausgenommen.
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Das Signal Y wird in 8 mit 7,5 MHz abgetastet, was exakt ein Vielfaches
der Abtastfrequenz 2,5 MHz sein kann. Bei diesem System ist bereits eine erhebliche
Bitratenreduktion zu erreichen, denn das Signal Y läßt sich mit 4 Bit pro Bildpunkt
und einer raffinierten DPCM mit sehr guter Bildqualität übertragen. Man kann leicht
in den Bereich von 50 MBit/s kommen. Das Schema von B i 1 d 1 löst bereits die Probleme
a), c) und auch b), denn ein SECAM-Land kann die Ausgangssignale der beiden A-D-Wandler
3 und 8 sehr gut weiterverarbeiten. So lassen sich z. B. aus dem Pulse-Code modulierte
Chrominanzsignale C'leicht und ohne Laufzeitglied die Signale Uund Vgewinnen.
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Eine Möglichkeit zur weiteren Reduktion zeigt Bild 2. Die Separation
1 spaltet auf in Y von 0 bis 3,85 MMz und in Cvon 3,85-4,95 MHz. Cläuft zu einem
Frequenzumsetzer 2, der das Signal C' mit einer gewünschten Frequenzlage und der
Farbträgerfrequenz F' erzeugt. Im anschließenden A-D-Wandler 3 wird mit der Frequenz
F74, die bei 1,1 MHz und unterhalb des
umgesetzten Farbträgerfrequenzbereiches
liegt und eine bestimmte Phasenlage hat, abgetastet. In Analogie zu der bereits
oben angegebenen Spektrumsberechnung ergeben sich die folgenden Spektren, wobei
der Einfachheit wegen der Farbträger mit 4,4 MHz und die Abtastfrequenz mit 1,1
MHz angenommen sind.
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ao: 3,85 4,4 4,95 MHz al: 2,75 3,3 3,85 MHz a2: 1,65 2,2 2,75 MHz
a3: 0,55 1,1 1,65 MHz a4: 0,55 0 0,55 MHz as: 1,65 1,1 0,55 MHz a6: 2,75 2,2 1,65
MHz Von Interesse ist hier das Spektrum der konstanten a4, das von keinem anderen
Spektrum überlappt wird.
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Das a4-Spektrum bedeutet, daß das Spektrum, das durch die Abtastung
entsteht, den demodulierten Farbträger mit einer Bandbreite von 0,55 MHz enthält.
Das demodulierte Signal läßt sich also am Ende der Übertragung mit einem Tiefpaß
der Bandbreite 0,55 MHz abtrennen. Eine genauere Analyse, die hier nicht durchgeführt
werden soll, zeigt, daß in Abhängigkeit von der Phasenlage des Abtastimpulses relativ
zum Farbträger ganz verschiedenartige Signale entstehen können. So kann man das
Signal U erhalten oder von Zeile zu Zeile wechselnd j V oder, wenn man die Phasenlage
des Abtastimpulses umschaltet, von Zeile zu Zeile wechselnd U/E Man kann insbesondere
bei fester Phasenlage des Abtastimpulses die Signale (U+ V)/ (U- V) erhalten. Bei
Übergabe des Signals an ein SECAM-Land wird man in sehr vorteilhafter Weise durch
Demodulation der Puls-Code-Modulation die Signale U und V erhalten können, wenn
auf der Sendeseite die richtige Phasenlage gewählt wird.
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Die Ergebnisse stehen in keinem Widerspruch zum Nyquist-Theorem.
Mit der Abtastfrequenz von 1,1 MHz wurde ein Signal mit 0,55 MHz Bandbreite übertragen.
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Die Y-Komponenten von 3,85-4,95 MHz sind jedoch am Ende der Übertragung
nicht mehr getrennt in Originallage erhalten, was in B i 1 d 1 noch der Fall war.
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Das Y-Signal wird im A-D-Wandler 5 mit 7/4 F' abgetastet. Wenn man
als F' z. B.
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4437 500 Hz = 284 fH (fH = Horizontalfrequenz) wählt, so ist Fit/4=1
109375 Hz=71 fff und 7/4 7 765 625 =497 fH.
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Die Bitrate für B i 1 d 2 beträgt mit 8 Bit pro Bildpunkt rund 7,76
8 + 8+1,1 8=70,9 MBit/s. Wenn man Ymit 4 Bit pro Bildpunkt und DPCM überträgt, so
ist die Bitrate 39,84 MBit/s. Für die Übertragung dieser Bitrate kann die Übertragungsgeschwindigkeit
weiter verringert werden, indem die Horizontal-Austastlücke mit einer Dauer von
12 ,usec zur Datenübertragung mitverwendet wird. Damit reduziert sich die Bitrate
bei einer Zeilendauer von 64 ec auf 39,84 52/ 64 = 32,37 MBit/s und ist somit für
ein 34-MBit-Übertragungssystem geeignet, d. h. Problem d) ist gelöst In B i 1 d
2 entstehen nach dem oben Gesagten nach dem D-A-Wandler 6 zeilensequentiell die
Signale (U+ V) und (U- V). Diese Signale modulieren in 7 multiplikativ eine Schwingung
mit PAL-Farbträgerfrequenz. Diese wird auf ein Kammfilter 8 gegeben, dessen Verzögerungsglied
exakt um eine Zeilendauer verzögert. Dadurch wird der verzögerte Farbträger gegenüber
dem unverzögerten Farbträger um 90" in der Phase gedreht Am Ausgang von 8 entsteht
ein PAL-Farbträger mit der richtigen Quadraturmodulation, dessen Phasenlage mit
der Phase der zu 7 zugeführten Schwingung eingestellt werden kann. Der PAL-Farbträger
wird in 9 zu dem in dem D-A-Wandler 10 entstehenden Y-Signal addiert. Durch die
fortlaufende zeilensequentielle Übertragung der Komponenten kann im endgültigen
Bild an horizontalen Farbkanten ein Flackern entstehen. Dies kann in bekannter Weise
durch die Anwendung von Schaltern und Farbträgermodifikationen vermieden werden
(vgl. DE-OS 26 03 943).
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Mit zunehmender Digitalisierung der Fernsehproduktion und Übertragung
wird man die Geräte in digitaler Technik aufbauen wollen. Man wird jedoch auch den
Wunsch haben, z. B. bei der Übergabe eines Signals mit »großer« Bitrate gemäß B
i 1 d 1 an ein System mit »kleiner« Bitrate gemäß B i 1 d 2 diesen Übergabeprozeß
auf digitaler Ebene durch reine Schaltmaßnahmen ausführen zu können. Dies leisten
die Prinzipien von B i 1 d 1 und B i 1 d 2, wenn die nachfolgenden Frequenzbeziehungen
beachtet werden.
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Mit B i 1 d 2 und der bereits gegebenen Tabelle mit den Spektren
zu den konstanten aO bis a6 ist klar, daß bei kleiner Abtastfrequenz der PAL-Farbträger
in seiner ursprünglichen Quadraturmodulation wegen den überlappenden Spektren nicht
erhalten bleibt. Je nach Phasenlage der Abtastung entstehen nach dem D-A-Wandler
4 in B i 1 d 2 lediglich die demodulierten Komponenten U i V (U + V1 (U - V) oder
auch andere Kombinationen von U und V. Hier werden bestimmte Komponenten durch die
Unterabtastung mit 7/4 und einer bestimmten Phasenlage erreicht. Wenn man jedoch
bestimmte PAL-Farbträgerkomponenten durch reine Schaltmaßnahmen im digitalen Signal
separieren will, so muß man zum PAL-Farbträger sein »Spiegelbild« addieren.
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Wird z. B. der PAL-Farbträger an der U-Achse gespiegelt und Original
und Spiegelbild addiert, so entstehen aus Uund + Vdie Komponenten Uund - V Nach
Addition von beiden bleibt U übrig. Die Spiegelung des PAL-Farbträgers erreicht
man durch Spiegelung des Frequenzspektrums; so macht man z. B.
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aus 3,8-4,4-53,8-4,4-5MHz: 5-4,4-3,8MHz, was z. B. im Farbträgermodifikator
geschieht.
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Wenn man durch Unterdrückung von Abtastwerten erreichen will, daß
die Spiegelfrequenzen entstehen, so muß man geeignete Abtastfrequenzen aussuchen.
Dies soll ein konkreter Fall zeigen: Der PAL-Farbträger wird mit dem Umsetzer auf
die Frequenz 4484375 MHz = 287 fH geschoben. Das Signal Cliegt zwischen 3,8 und
5 MHz. Nach der Verschiebung liegt C' etwa zwischen 3,85 und 5,05 MHz. Als Abtastfrequenz
A wird 1281250 Hz gewählt. Dann findet man folgendes Spektrum vor: MHz Hz MHz ao:
3,85 F' = 4 484 375 5,05' al: 2,57 3 203 125 3,77 a2: 1,29 1 921 875 2,49 a3: 0,01
640 625 1,21 = F'-3A a4: 1,21 640 625 0,07=4A-F' aS: 2,55 1 921 875 1,35 a6: 3,83
3 203 125 2,63 a7: 5,11 4 484 375 3,91 Greift man hier z. B. den Bereich 3,85-5,11
MHz heraus, so hat man durch die Konstanten ao und a, den PAL-Farbträger und seine
gespiegelte Version, was
durch die Unterabtastung mit 1281250 Hz
bedingt ist.
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Die Spiegelung kann man so legen, daß nur noch eine Farbträgerkomponente
vorhanden ist, die mit (U + V) zeilensequentiell moduliert ist. Man kann sie aber
auch so legen, daß noch die UKomponente oder die + V-Komponente vorhanden ist.
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Man kann nun eine Abtastung so legen, z. B. mit 1281250 Hz, daß die
Abtastwerte die Farbträgerkomponente U enthalten. Verschiebt man die Abtastung um
1800, so enthält sie zeilensequentiell die Komponente i V Wenn man beide Abtastwerte
addiert, so entsteht die doppelte Abtastfrequenz, nämlich 2562500 Hz und sie enthalten
gemeinsam den vollen PAL-Farbträger.
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Man muß also zunächst eine Abtastfrequenz suchen, deren Spektrum den
PAL-Farbträger ungestört enthält und dessen Phasenfolgen so liegen, daß z. B. ein
Abtastimpuls im Farbträger die Komponente U erfaßt und der nächste Abtastimpuls
die Komponente + V.
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Dann kann man durch Unterdrückung von jedem zweiten Abtastwert und
damit durch eine Reduktion der Bitrate von einem Zustand in den anderen überwechseln.
Diese Forderung ist leicht zu erfüllen, wenn man mit der vierfachen Farbträgerfrequenz
abtastet, was bei der originalen Farbträgerfrequenz zu einer Bitrate von 142 MBit/s
führt. Erfindungsgemäß kann das Ziel jedoch auch mit Abtastfrequenzen erreicht werden,
die unterhalb des Farbträgerbereiches liegen, was eine erhebliche Einsparung in
der Bitrate bringt.
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Die Vorschrift zum Auffinden der richtigen Abtastfrequenz A erkennt
man aus der oben angegebenen Zahlenreihe. Man wählt zunächst einen umgesetzten Farbträger
F' Aus der bereits gegebenen Zahlenreihe erkennt man, daß die Frequenz im Abtastimpuls,
die gerade unterhalb des Farbträgers F' liegt, zu q3 gehört und die gerade oberhalb
liegende Frequenz zu a4. Mit der gesuchten Abtastfrequenz A ergibt sich folgende
Beziehung: F'-3A = 4A-F: mit der A bestimmt werden kann.
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Im vorliegenden Beispiel ist A = -2F' = 1281250 Hz.
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7 Damit überlappen sich die Frequenzspektren. Damit die Überlappung
verschwindet, müssen die Spektren mit den Konstanten al, a3, as, ar verschwinden.
Dies ist der Fall, wenn mit 2 x A = 1,75 F' = 2562 500 abgetastet wird. Mit den
Abtastfrequenzen, die das erwähnte Spiegelspektrum erzeugen, kann man ein ganzes
System aufbauen, das überwiegend im digitalen Bereich arbeitet.
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B i 1 d 3a zeigt zunächst die digitale Codierung des PAL-Signals.
list die Separation, 2 der Frequenzumsetzer, 3 der A-D-Wandler für den Farbträgerbereich
c, und 4 der A-D-Wandler für das Leuchtdichtesignal Y Die Abtastfrequenz bei 3 wird
so gewählt, däß sie die erwünschte Spiegelungseigenschaft aufweist, wenn jeder zweite
Abtastwert unterdrückt wird.
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In B i 1 d 3b werden die Signale Yund C'mit Hilfe der Digital-Analogwandler
5 und 6, des Frequenzumsetzers 7 und der Additionsstufe 8 in ein PAL-Signal zurückgewandelt,
das theoretisch keine Fehler aufweist.
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In B i 1 d 3c werden mit Hilfe eines Verzögerungsgliedes für eine
Zeilendauer 9, das ein Ausgangssignal mit positiver und eines mit negativer »Polarität«
liefert und den Addierstufen 10 und 11 die Signalkomponenten U und + Erzeugt. Mit
Hilfe des zweiten Verzögerungsgliedes 12 für eine Zeilendauer und der beiden Addierglieder
13 und 14 erhält man am Ausgang der Stufe 13 den PAL-Farbträger, wobei alle Leuchtdichtekomponenten
unterdrückt sind, wenn das Bild nur senkrechte Strukturen enthält. Am Ausgang der
Stufe 14 sind nur die Leuchtdichtekomponenten im Frequenzbereich des Farbträgersignals
C' vorhanden und der Farbträger ist unterdrückt, wenn das Bild nur senkrechte Strukturen
enthält. Alle Funktionen in Bild 3c werden voll digital durchgeführt und alle Signale
haben die Abtastfrequenz von B i 1 d 3a. Die Anordnung von Bild 3c wird benötigt,
wenn man alle Signale für weitere Verarbeitungen getrennt zur Verfügung haben muß.
So kann man z. B. den Ausgang der Stufe 14 digital zum Signal Addieren und hat ein
Leuchtdichtesignal mit der vollen Bandbreite zur Verfügung.
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In B i 1 d 3d unterdrückt während einer Zeile der Schalter 15 jeden
zweiten Abtastwert, so daß das Signal nur noch die Komponente U enthält. In der
darauffolgenden Zeile werden die vorher durchgelassenen Abtastwerte unterdrückt,
so daß nun das Signal die Farbträgerkomponente + Venthält. Die beiden Punkte Sund
S'erweisen sich somit als günstige Übergangsstelle an ein SECAM-Land, da dieses
die Signale Y und zeilensequentiell U/Vbenötigt. An den Stellen S-S'wird man auch
vorteilhafterweise auf einen Coder übergehen, der ein 34 MBit-System speist. Das
Verzögerungsglied 16 erzeugt zusammen mit dem Schalter 17, der zeilenweise umschaltet,
und der Additionsstufe 18 in bekannter Weise ein Signal, das den quadraturmodulierten
PAL-Farbträger enthält.
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Das mit den Bildern 1,2 und 3 gezeigte Verfahren der Frequenzumsetzung
ist nicht das einzig mögliche. So kann man z. B. den Frequenzbereich von 3,8 bis
5 MHz mit der Bandbreite B = 19 MHz so umsetzen, daß der umgesetzte Bereich etwa
bei Null beginnt und etwa bei B = 1,2 MHz endet. Wenn man diesen Bereich mit etwa
2,4 MHz abtastet, so kann man nach dem D-A-Wandler theoretisch den ursprünglichen
Frequenzbereich wiederherstellen. Dies gilt immer dann, wenn die Abtastfrequenz
doppelt so groß ist, wie die nach der Umsetzung vorhandene höchste Frequenz.
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Wenn man jedoch nach der Umsetzung mit einer Frequenz abtastet, die
exakt doppelt so groß ist wie die Farbträgerfrequenz nach der Umsetzung, so entstehen
wieder die Spiegelfrequenzen und man kann durch Wahl des Abtastzeitpunktes erreichen,
daß im abgetasteten Signal zeilensequentiell Uoder + Voder (U + V) oder (U - V)
vorhanden ist. Nimmt man hier wieder die doppelte Abtastfrequenz, die somit gleich
der vierfachen umgesetzten Farbträgerfrequenz ist, verschwinden die Spiegelfrequenzen,
so daß ein Frequenzbereich, der etwa halb so groß ist wie die Abtastfrequenz, theoretisch
unverzerrt übertragen werden kann.