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Kleiner Exkurs ins Medium Fernsehen

Das Fernsehen ist kürzlich 90 Jahre alt geworden. Am 21. August 1931 gelang dem Erfinder Manfred Ardenne zur Internationalen Funkausstellung in Berlin die erste Fernsehübertragung – damals mit 100 Zeilen und 20 Bildern pro Sekunde. Heute geniessen wir Videos mit bis zu 8000 Spalten («8K»). Der eine oder andere hat sich vielleicht schon gefragt, wie ein Videosignal überhaupt funktioniert und wie viel Bandbreite respektive welche Datenübertragungsrate denn so für ein HD- oder gar UHD-Videosignal benötigt wird.

Am Anfang war das Kino

Als die Bilder laufen lernten, hat man festgestellt, dass ein Mensch ab 24 Bildern pro Sekunde ein Film als ruckelfrei und ab 48 Bildern pro Sekunde als flimmerfrei empfindet. Um Film zu sparen, projizierte ein Projektor im Kino jedes Bild zweimal. Daraus ergab sich die beim Film übliche Bildwiederholfrequenz von 48 Bildern pro Sekunde. Kinofilme wurden bis in die 2000er-Jahre mehrheitlich auf Film aufgezeichnet. Dabei sind Qualität und Auflösung vor allem von der Grösse und Qualität des verwendeten Filmmaterials abhängig. Übrigens: Weil dieses schon früh hervorragend war, sind heute auch Filmklassiker in UHD erhältlich.

Von parallel zu sequenziell

Für eine Fernsehübertragung müssen Bilder zerlegt und nacheinander übertragen werden. Sinnvollerweise teilt man ein Bild in Pixel, die wiederum in Zeilen und Spalten organisiert sind. Dabei orientierte man sich der vom Kino her bekannten genannten Empfindlichkeit des menschlichen Auges und vor allem daran, was technisch möglich war. In Europa wurden daraus beim Fernsehen 625 Zeilen und 50 Halbbilder pro Sekunde.

Beim Fernsehen Bandbreite sparen

Auch beim Fernsehen musste gespart werden. Zwar nicht an Filmmaterial, sondern bei der Bandbreite. Deshalb wandte man einen ähnlichen Trick wie im Kino an. Um das Bild mit 50 Bildern pro Sekunde einigermassen flimmerfrei hinzukriegen, sendete man nicht zweimal hintereinander das gleiche Bild. Das hätte ja überhaupt keine Einsparung gebracht. Aber man teilte jedes Bild in zwei Halbbilder auf. Dabei sind im ersten Halbbild die an ungeraden und im zweiten die an geraden Stelle stehenden Zeilen untergebracht. Im analogen Zeitalter war das gut zu realisieren.

Wir verzichten an dieser Stelle auf weitere Rechenübungen und kommen zum Schluss, dass ein analoges schwarz-weiss TV-Signal 6 MHz Bandbreite benötigt. Bei Farbfernsehen, bestehend aus den drei Komponenten rot, grün und blau (RGB), könnte man vermuten, die Bandbreite betrüge dreimal 6 MHz. Das menschliche Auge löst jedoch Farben nur halb so gut auf wie Helligkeit. Deshalb kreiert man ein Schwarz-weiss-Signal, genannt Y und die zwei Farbdifferenzsignale U und V. Interessierte Leser können hier nachlesen, wie das geht. Nur so viel: Es ist sehr einfach.

Hohe Geschwindigkeiten

Wir haben also ein Y-Signal à 6 MHz und die U- und V-Signale à 3 MHz Bandbreite (für den Profi: 4:2:2). Im digitalen Zeitalter werden diese Signale zu einem Datenstrom mit 270 Mbit/s (Standard ITU-R BT 601) Übertragungsgeschwindigkeit. Beim Digitalfernsehen geht man natürlich nicht mehr den Umweg über die analogen Signale, sondern arbeitet gleich mit digitalen Pixeln.

Für heute gebräuchliche Formate ergeben sich nun folgende Geschwindigkeiten an der SDI-Schnittstelle (SDI = Serial Digital Interface, üblich in der professionellen Videotechnik):

Full HD (1080p60): ca. 3 Gbit/s
4K UHD (2160p60): ca. 12 Gbit/s
8K UHD (4320p60): ca. 48 Gbit/s

Das sind gewaltige Bitraten, die jedoch nur in den Studios, wo es auf höchste Qualität ankommt, verwendet werden.

Übertragung dank Kompression

Egal ob über Satelliten, Kabel, TV-Sender oder Internet: Um diese extrem breitbandigen Signale zu übertragen und speichern zu können, müssen sie irgendwie verkleinert, also komprimiert werden. Mit heutigen Standards (H.264/H.265) können diese Signale, je nach gewünschter Qualität, auf ca. 4 Mbit/s (HD in akzeptabler Qualität) bis ca. 150 Mbit/s (8K in sehr guter Qualität) eingedampft werden.

In einem weiteren Artikel werden die Methoden vorgestellt, mit denen Video- und Audio-Signale auf handlichere Geschwindigkeiten verdichtet werden.

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