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Elektronik projekt Videorecorder



Videorecorder


1.   
Einleitung

Die wichtigste Komponente eines Videorecorders ist das Bandlaufwerk, das das Videosignal zusammen mit den Audio- und weiteren Zusatzinformationen auf einem Magnetband aufzeichnet. Das erste studiotaugliche MAZ-Gerät (Magnetaufzeichnung) verwendete als Bandformat das Quadruplex-Format und wurde 1956 vorgestellt. Seither erfuhr die Videotechnik zahlreiche Weiterentwicklungen, darunter auch einige neue, verbesserte Bandformate.

2.  Das Magnetband

Anstelle der früher verwendeten offenen Spulen, um die das Magnetband gewickelt war, werden heute Kassetten verwendet, die zwar im Inneren immer noch zwei Spulen enthalten, dem Band aber Schutz bieten und die Handhabung wesentlich vereinfachen.

2.1.     Bandbreite

Text Box: Bandbreite	2

Ein wichtiges Kriterium ist die Breite des Bandes, da sie die Ausmaße des Laufwerks und die mögliche Qualität der Aufzeichnung bestimmt. Die untenstehende Tabelle gibt einen Überblick über die verschiedenen Videoformate und ihre verwendeten Bandbreiten.

2.2.     Bandbeschichtung

Das Trägerband besteht aus einem Polyesterfilm mit einer Stärke von 6mm (Video 8) bis 21mm (1" B, 1" C). Darauf aufgebracht ist auf der einen Seite eine Rückseitenbeschichtung und auf der anderen Seite die Magnetbeschichtung. Die Rückseitenbeschichtung beträgt etwa 1mm und soll elektrostatische Aufladungen verhindern und die Bandwickel-Eigenschaften verbessern. Die Magnetschicht ist mit einer Haftschicht auf der Trägerschicht befestigt und nach außen mit einer Schutzschicht bedeckt, die Korrosion verhindert. Die Dicken der Haftschicht und der Schutzschicht sind vernachlässigbar gering. Die Stärke der Magnetschicht wird so gewählt, daß das gesamte Band eine Stärke von 10mm (Video 8), 13mm (Digitalformate), 20mm (VHS, Betacam) beziehungsweise 28mm (1"-Formate) besitzt. Meist entspricht die Dicke der Magnetschicht etwa einem Viertel der des gesamten Bandes.

2.3.     Bandqualität

Da die Kassetten immer kleiner werden und gleichzeitig die Qualität gesteigert werden soll, gewinnt die Qualität des Bandes an Bedeutung. Wesentlich sind hier das Magnetschichtmaterial, das die Speicherdichte bestimmt, und die Oberflächenrauhigkeit, die den Kontakt zwischen Kopf und Band beeinflußt.

Die magnetisierbaren Teilchen in der Mag­netschicht werden Magnetpartikel genannt, haben eine längliche Struktur und haben eine Länge von unter 1mm. Um eine hohe Aufzeichnungsdichte zu erzielen, müssen die Magnetpartikel möglichst klein sein. Ist die Dichte aber zu hoch, so entmagnetisieren sich die einzelnen Bereiche gegenseitig. Der Widerstand gegen Ummagnetisieren muß daher möglichst hoch sein, was eine große Remanenz und eine große Koerzitivfeldstärke bedeutet. Auch die längliche Partikelform wirkt der Selbstentmagnetisierung entgegen. Reineisenbänder sind in Bezug auf die Selbstentmagnetisierung die besten Bänder. Die Entwicklung reduzierte den Bandbedarf für eine Stunde von 20m2 auf 2m2.

Auch die Abriebfestigkeit der Magnetschicht ist ein Qualitätskriterium. Die höchste Belastung stellt die Wiedergabe eines Standbildes dar. Gute Bänder besitzen eine Standbildfestigkeit von etwa 2 Stunden.

Die magnetisierbare Schicht muß sehr gleichmäßig sein. Weist sie Stellen schlechterer Magnetisierbarkeit auf, so bewirkt dies hier einen Signalpegelabfall, was als Drop-Out bezeichnet wird. Die Definition für einen Drop-Out kann beispielsweise 9dB über eine Zeit von mindestens 13ms lauten. Die Drop-Out-Rate ist die Anzahl an Drop-Outs in einer Minute.

3.  MAZ-Grundprinzip

Das zu speichernde Signal erzeugt im Kopf ein Magnetfeld, das beim Spalt des Kopfes auch in die Magnetschicht des Bandes eindringt und hier die Weißschen Bezirke kollektiv ausrichtet. Die Magnetisierung bleibt auch nach Abschalten des Magnetfeldes erhalten und speichert so die Information.

Das Band wird über der als Kopfspiegel bezeichnete Kontaktfläche hinwegbewegt, so daß die zeitliche Anderung des Magnetfeldes in eine örtlich veränderliche Magnetisierung umgesetzt wird. Es gilt l=v/f, wobei l die räumliche Wellenlänge am Band, v die Relativgeschwindigkeit zwischen Kopf und Band und f die Signalfrequenz des Magnetfeldes ist.

Das Band muß mit gleichmäßiger Geschwindigkeit in gleichbleibendem Abstand am Kopf vorbeigezogen werden. Da der mechanische Bandtransport und der Luftpolster zwischen Band und Kopf aber gewissen Toleranzen unterliegen, entsteht eine entsprechende Variation der Magnetisierung, was sich als Rauschen bemerkbar macht.


3.1.     Der Magnetkopf

Der Kopf besteht aus weichmagnetischem Ferrit und besitzt einen glasgefüllten Spalt. Das Ferritmaterial hat eine hohe Permeabilität, das bedeutet eine hohe magnetische Leitfähigkeit, und überträgt deshalb das Magnetfeld nahezu verlustfrei bis zum Spalt. Dieser hat einen hohen magnetischen Widerstand, das Feld dringt in das daneben liegende Band ein, das eine hohe Permeabilität besitzt, daher einen geringen magnetischen Widerstand hat, und hartmagnetisch ist.

Die Länge des Spaltes bestimmt die Breite der Videospur. Moderne Geräte arbeiten mit Spurbreiten zwischen 10mm und 80mm. Der Kopfspiegel ist sehr abriebfest ausgeführt und erzielt so eine Kopflebensdauer von über 2000 Betriebsstunden. Der Spalt steht schräg zum Kopfspiegel, damit trotz einer fehlerhaften Spurabtastung eine gute Übersprechdämpfung besteht.

Die Spaltbreite bestimmt zusammen mit der Bandgeschwindigkeit die maximale Signalfrequenz, die bei Videoköpfen bei mindestens 20MHz und bei Audioköpfen bei mindestens 20kHz liegen sollte. Die Spaltbreite beträgt bei Audioköpfen zwischen 3mm und 8mm, bei Videoköpfen zwischen 0,3mm und 0,5mm. Kleine Spaltbreiten sind nicht realisierbar, da sonst die Feldstärke im Magnetband zu klein würde.

3.2.     Der Aufnahmevorgang

Eine mit dem Signal gespeiste Spule erzeugt im Kopf ein entsprechendes Magnetfeld. Der Zusammenhang zwischen Signal und Magnetfeld ist aber nicht linear, so daß das Signal verzerrt wird. Wie problematisch diese Tatsache ist, hängt vom aufzuzeichnenden Signal ab.

Unkompliziert ist die Aufzeichnung digitaler Signale, da hier die einzig möglichen zwei Zustände einfach den Magnetisierungszuständen Nord und Süd zugeordnet werden. Da hier die Verzerrungen bedeutungslos sind, kann die Aufzeichnung direkt erfolgen.

Bei analogen Videosignalen wären die Verzerrung störend. Man frequenzmoduliert daher das Signal, um die Information nicht in der Amplitude, sondern in der Frequenz zu haben, so daß die Verzerrungen nicht mehr störend sind. Das selbe Verfahren findet auch bei der hochqualitativen Audioaufzeichnung Verwendung. Einfachere Audioaufnahmen bedienen sich nur eines hochfrequenten Vormagnetisierungsverfahrens.

3.3.     Der Wiedergabevorgang

Es können die selben Köpfe wie bei der Aufnahme verwendet werden. Das Band wird wie bei der Aufnahme am Kopf vorbeigeführt. Dabei erzeugt die Magnetisierung des Bandes ein Magnetfeld im Kopf, wodurch eine Spannung induziert wird. Dabei gilt das Induktionsgesetzt U=-N*df/dt. Die induzierte Spannung ist daher um so größer, je höher die aufgezeichnete Signalfrequenz ist und hängt linear von dieser Frequenz ab, was als Omega-Gang bezeichnet wird und im nebenstehenden Diagramm dargestellt ist. Wie bei der Aufnahme existieren auch hier einige Verluste, deren Einfluß bei höheren Frequenzen zunimmt.

Die Abstandsdämpfung wird wie bei der Aufnahme durch den ungleichmäßigen Abstand zwischen Kopf und Band hervorgerufen, was auf die Toleranzen der Mechanik zurückzuführen ist.

Die Spaltdämpfung tritt dann auf, wenn die Frequenz so hoch und damit die räumliche Periodizität auf dem Band so klein wird, daß schon verschieden magnetisierte Bereiche unter dem Spalt liegen und einander kompensieren. Liegt eine volle Periode unter dem Spalt, so kompensiert sie sich vollständig, womit der Magnetfluß und die Spannung gleich Null werden.

Der Azimut bezeichnet den Winkel zwischen Kopfspalt und der magnetisierten Spur auf dem Band. Hat dieser Winkel bei Aufnahme und Wiedergabe unterschiedliche Werte, so überdeckt der Spalt bei der Wiedergabe auch die benachbarten Magnetisierungsbereiche, was besonders bei hohen Frequenzen zu gegenseitigen Kompensation führt.

3.4.     Der Löschvorgang

Ein Band trägt keine Information und ist damit gelöscht, wenn die einzelnen Partikel ungeordnet sind. Sie kompensieren dann einander und es existieren keine Bereiche eindeutiger Magnetisierung. Der Löschkopf arbeitet ähnlich wie der Aufnahmekopf. Jedoch beschreibt er das Band mit einer sehr hohen Frequenz und hat dabei eine höhere Intensität, so daß die Magnetschicht in die Sättigung getrieben wird. Durch das Vorbeiziehen des Bandes wird das Magnetfeld aber kleiner, es werden immer kleinere Hystereseschleifen durchlaufen, so daß die Partikel beim vollständigen Verlassen des Magnetfeldes ungeordnet ausgerichtet sind.

4.  Aufzeichnungsspuren

4.1.     Längsspuraufzeichnung

Bei der Längsspuraufzeichnung steht der Magnetkopf. Die Relativgeschwindigkeit zwischen Band und Kopf entspricht daher der Bandgeschwindigkeit. Da diese Geschwindigkeit für das hochfrequente Videosignal zu gering ist, findet diese Aufzeichnungsart nur bei der Aufzeichnung von Audiosignalen, Timecode und Kontrollsignalen Verwendung.

4.2.     Quer- und Schrägspuraufzeichnung

Um die Relativgeschwindigkeit zwischen Kopf und Band zu erhöhen, läßt man schließlich den Kopf rotieren. Das Erhöhen der Bandgeschwindigkeit ließe sich zum einen nur schlecht mit der Audioaufzeichnung vereinbaren und würde zum anderen zu einem hohen Bandverbrauch und einer großen Abnutzung desselben führen.

Die Videoköpfe sitzen auf einer Kopftrommel (Drum), die schnell rotiert. Bei der Querspuraufzeichnung rotiert die Trommel senkrecht zum Band. Bei der Schrägspuraufzeichnung beträgt der Winkel zwischen Spur und Band zwischen 2° und 15°, wobei meist 5° verwendet werden. Dieser Winkel hängt von der Lage der Kopftrommel und von der Bandgeschwindigkeit ab.

Das anfangs entwickelte Quadruplex-Format verwendete das Querspurverfahren, alle anderen relevanten Formate verwenden die Schrägspurtechnik.

Quer- und Schrägspuren verlaufen nicht in einem Stück, sondern stellen einzelne Stücke dar, die von  der unteren Kante des Bandes zur oberen Kante verlaufen. Eine solche Spurlänge kann von 80mm bis 400 mm betragen. Damit durch diese Unterbrechungen keine Probleme entstehen, ergibt eine Spurlänge meist ein vollständiges Halbbild, wobei am Spuranfang der vertikale Synchronimpuls liegt. Ergibt eine Spur kein ganzes Halbbild, so wird dies als segmentierte Aufzeichnung bezeichnet.

Um eine hohe Aufzeichnungsdichte zu erzielen, sollen die Spuren schmal sein und dicht beieinander liegen. Die Spurbreite beträgt bei den verschiedenen Formaten von 18mm bis 160mm. Der Abstand dazwischen wird als Rasen bezeichnet und beträgt etwa ein Viertel der Spurbreite.

Durch den Verzicht auf den Rasen und direktes Nebeneinanderlegen der Spuren kann die Aufzeichnungsdichte erhöht werden. Jedoch stellt sich dann das Problem des Übersprechens, was bedeutet, daß bei einer Fehlabtastung auch die benachbarte Spur mitgelesen wird. Dies kann aber durch Slanted Azimut minimiert werden. Der Spalt steht dabei nicht senkrecht zur Spur, sondern ist um 6° bis 20° verdreht. Beim Einsatz von zwei Videoköpfen werden aufeinanderfolgende Spuren abwechselnd von den beiden Köpfen aufgezeichnet. Bei einem Kopf ist der Spalt nach links verdreht, beim anderen nach rechts. So sind auch die benachbarten Spuren abwechselnd nach links oder rechts verdreht. Gerät nun der Spalt über die Nachbarspur, so ist er hier um 12° bis 40° gegenüber der vorbeilaufenden Magnetisierung verdreht. Dadurch ist die zeitliche Anderung dieser Magnetisierung und damit auch die induzierte Spannung geringer.

4.3.     Spuranordnung

In der Mitte des Bandes befinden sich die Quer- oder Längsspuren mit dem Videosignal. Daneben, also an den Bandrändern, liegen die Längsspuren für die Audioaufzeichnung und weitere Zusatzsignale.

5.  Mechanik von Band und Kopftrommel

5.1.     Kopftrommel

Die Trommel besteht aus einem feststehenden Teil und einem rotierende Teil, auf dem die Videoköpfe und eventuell noch weiter Köpfe wie HiFi-Tonköpfe oder fliegende Löschköpfe aufgebracht sind. Die elektrische Verbindung zwischen den beiden Teilen geschieht mittels Übertrager.

5.2.     Kopftrommelumschlingung

Führungsstifte ziehen das Band um die Kopftrommel herum. Dabei ist zu beachten, wie weit das Band die Trommel umschlingt. Wird nur ein Kopf verwendet, so muß die Umschlingung groß ausfallen, etwa 350°, um nur eine kleinen Bereich zu haben, in dem der Kopf nicht am Band ist und somit das Signal ausfällt. Man kann aber auch mehrere Köpfe einsetzen, die einander abwechseln. Bei VHS verwendet man eine 180°-Umschlingung mit zwei Köpfen.


5.3.     Bandantrieb

Das Band wird von Andrucksrollen, die aus Hartgummi bestehen, gegen eine sich drehende sogenannte Capstan-Welle gedrückt wird. Von größter Bedeutung ist hierbei die konstante Geschwindigkeit. Die Bandwickel in der Kassette werden von Wickeltellern aufgenommen, die vor allem für den Bandzug verantwortlich sind. Der gesamte Bandantrieb erfordert hohe Präzision und Reinlichkeit.

6.  Spurabtastung

Um eine gute Qualität zu erzielen, muß die Aufnahmespur stets gleichmäßig aufgezeichnet werden. Auch muß sie der Norm entsprechen, um die Kompatibilität mit anderen Geräten desselben Formats zu ermöglichen. Bei der Wiedergabe muß diese Spur möglichst analog zur Aufnahme abgetastet werden, wobei auch ein eventueller Bandschlupf ausgeglichen werden muß. Dazu müssen die Führungselemente, insbesondere diejenigen, die die Schräglage zischen Band und Kopf bestimmen, exakt justiert sein.

Professionelle Geräte bieten insbesondere bei der Bandführung und der Spurabtastung einen entsprechenden höheren Aufwand als Amateurgeräte.

6.1.     Servosysteme

Es werden zwei Antriebssysteme benötigt, die das Band und den Kopf antreiben. Diese Antriebe werden über Regelkreise, sogenannte Servosysteme, gesteuert. Man unterscheidet zwischen Kopftrommel-Servo für die Kopftrommel und Capstan-Servo für die Capstanwelle zum Bandantrieb.

Die wichtigste Aufgabe der Servosysteme ist die Regelung der Rotationsfrequenz und der Rotationsphase von Kopftrommel und Bandantrieb. Die Phase ist deshalb von Bedeutung, damit die beiden Regelkreise zusammen den Kopf genau über der Spur halten können, wie aus nebenstehender Abbildung ersichtlich ist. Daher müssen die beiden Servosysteme miteinander verknüpft sein.

Der Ist-Wert wird meist aus der Frequenz einer Spannung abgeleitet, die in einer stationären Spule oder einem Hall-Element durch einen mit der Motorachse rotierenden Permanentmagneten induziert wird.

6.1.1.         CTL-Signale

Um die genaue Position einer Spur ermitteln zu könne, wird ein Hilfssignal benötigt. Dieses wird im Längsspurverfahren auf der sogenannten Steuer-, Kontroll- oder CTL-Spur aufgezeichnet. Der stationäre CTL-Kopf zeichnet sogenannte Scanner-Referenz-Pulse auf, die mit der Rotation der Kopftrommel verkoppelt sind und die Position des Anfangs jeder Spur markieren.


6.1.2.         Kopftrommel-Servo

Dieser Regelkreis hält die Trommelrotation auf einem bestimmten Sollwert. Bei den meisten Formaten wird mit zwei Köpfen ein Halbbild pro Spur aufgezeichnet. Der Sollwert beträgt daher 25 Umdrehungen pro Sekunde.

Mit der Phasenregelung wird die Position der Köpfe geregelt. Bei der Aufnahme muß sich der Kopf genau dem am Spuranfang befinden, wenn der Vertikalsynchronimpuls kommt.

Die Kopfposition bestimmt bei mehreren Köpfen auch den Zeitpunkt der Kopfumschaltung, dem Wechsel des aktiven Kopfes. Die Umschaltung muß kurz vor dem Vertikalsynchronimpuls erfolgen, damit sich der Wiedergabemonitor auf einen ungestörten Vertikalsynchronimpuls einstellen kann. Professionell Geräte schalten etwa 2 Zeilen vorher, Amateurgeräte ungefähr 6 Zeilen vorher.

6.1.3.         Capstan-Servo

Dieser Regelkreis kontrolliert die Bandgeschwindigkeit, von der die Lage der Schrägspuren und deren Winkel abhängt. Bei der Aufnahme erzeugt ein stabiler Quarzoszillator den Sollwert für den Regelkreis und die Impulse für die CTL-Spur. Bei der Wiedergabe orientiert sich der Regelkreis an der CTL-Spur.

Bei Video 8 und Digital Betacam befinden sich die CTL-Signale nicht auf einer Längsspur, sondern werden zusammen mit dem Videosignal aufgezeichnet. Diese Signale werden Automatic Track Following (ATF) genannt, der Capstan-Regelkreis ermittelt sie mittels Pegel- und Frequenzerkennung.

6.1.4.         Tracking

Tracking bezeichnet die Lage der Kopftrommel über der Spur. Da das CTL-Signal die Position der Spuren angibt, ist die Position des CTL-Kopfes relativ zur Kopftrommel von Bedeutung. Ist das Tracking nicht optimal, etwa weil für die Aufzeichnung ein anderes Gerät als für die Wiedergabe verwendet wird, so kann es dadurch verändert werden, daß das CTL-Signal verzögert wird, was wie ein räumliches Verschieben des CTL-Kopfes wirkt. Dies kann entweder automatisch oder manuell erfolgen. Die optimale Trackinglage ist dann gegeben, wenn der Kopf genau über der Spur liegt und daher der maximale Videopegel vorliegt.

6.1.5.         Dynamic Tracking

Dynamic Tracking (DT) oder Automatic Scan Tracking (AST) bezeichnet eine genauere Art des Trackings, die bei professionellen Geräten Verwendung findet. Der Kopf ist hier beweglich auf der Kopftrommel montiert und kann so für ein optimales Tracking gesteuert werden. Da diese Bewegungen nur sehr gering sind, können sie mit kleinen Hubmagneten oder piezoelektrischen Materialien erfolgen.

Durch DT kann aber die Bildqualität geringfügig schlechter sein, da der Kontakt zwischen dem beweglichen Kopf und dem Band nicht optimal gut ist. Wenn DT nicht unbedingt erforderlich ist, sollte daher darauf verzichtet und die stationären Videoköpfe verwendet werden


6.2.     Standbild, Zeitlupe und Zeitraffer

Hierbei erfolgt die Wiedergabe mit einer anderen Geschwindigkeit als die Aufnahme. Die Bildfrequenz des Videosignals wird natürlich beibehalten, aber es werden einzelne Bilder mehrmals gezeigt (Zeitlupe) oder übersprungen (Zeitraffer).

Die Bildfolgefrequenzen von Aufnahme und Wiedergabe lassen sich über den Faktor k verknüpfen: fW=k*fA. Bei k=0 wird immer dasselbe Bild wiederholt, das ergibt ein Standbild. Liegt k zwischen 0 und 1 erhält man die Zeitlupe. k=1 ist die normale Wiedergabe. k>1 zeigt ein Zeitrafferwiedergabe.

Weicht k von 1 ab, so ergibt sich das Problem eines veränderten Spurwinkels, daher ist das Signal gestört. Nur bei professionellen Geräten bietet Dynamic Tracking Abhilfe, daß auch bei der veränderten Bandgeschwindigkeit den Kopf auf der Spur hält.

Wie schon erwähnt kann mit DT aber die Qualität vermindert werden, und sollte bei normaler Wiedergabe nicht angewendet werden.

7.  Videoaufzeichnung

Das Problem der Aufzeichnung von hohen Frequenzen von bis zu 5MHz wird durch den rotierenden Kopf gelöst. Ein zweites Problem besteht aber darin, daß die untere Grenzfrequenz fast 0Hz beträgt. Der gesamte Frequenzbereich umfaßt damit mehr als 23 Oktaven (Frequenzverdoppelungen). Da die Wiedergabespannung linear von der Frequenz abhängt (Omega-Gang), wird bei Frequenzen nahe 0Hz eine nur sehr kleine Spannung induziert, die einen schlechten Signal-Rausch-Abstand mit sich zieht. Eine dritte Schwierigkeit bereitet die nichtlineare Magnetisierungskennlinie.

Diese Probleme werden gelöst, indem wenigstens das Luminanzsignal (Y-Signal, Helligkeitssignal) vor der Aufzeichnung frequenzmoduliert wird. Es existieren drei Varianten, das gesamte Signal aufzuzeichnen.

Erstens kann das komplette FBAS-Signal aufgezeichnet werden. Der Farbträger liegt jedoch bei 4,43MHz, was die Verarbeitung dieser hohen Frequenzen und entsprechend aufwendige Geräte fordert. Diese Variante war die historisch erste und wird bei den 2"- und 1"-Formaten eingesetzt. Einfacher ist die getrennte Behandlung von Luminanzsignal und Chrominanzsignal (die beiden Farb­differenzsignale). Hier bieten sich die beiden Varianten des Colour Under-Verfahrens für einfache Geräte und die getrennte Komponentenaufzeichnung auf zwei Spuren für hochqualitative Geräte an.

7.1.     Allgemeine Aufzeichnung mit Frequenzmodulation

Das aufzuzeichnende Signal wird frequenzmoduliert. Da in der Amplitude keine Information liegt, wird sie höchstens durch Fehler verändert. Durch Begrenzer wird die Amplitude konstant gehalten und so daß Band immer bis zur Sättigung ausgesteuert. Die Nichtlinearität der Magnetisierungskennlinie ist fast bedeutungslos, eine Vormagnetisierung ist nicht nötig. Der einzige Nachteil der Modulation besteht in der nun erforderlichen höheren Bandbreite.

16MHz stellen aus ökonomischer Sicht, etwa bezüglich des Bandverbrauchs, die obere Grenze für die Magnetbandaufzeichnung dar. Bei der professionellen Aufzeichnung wird das Signal mit der Bandbreite von 0Hz bis 5MHz in einen Bereich zwischen etwa 2MHz und 16MHz transformiert. Damit ergibt sich ein Bereich von nur 4 bis 4 Oktaven, die im Wiedergabekopf induzierte Spannung hat einen wesentlich geringeren Bereich.

Aufgrund der gekrümmten Kopfkurve (Omega-Gang) können nur die direkt benachbarten Seitenbänder genutzt werden, daher wird die Schmalbandmodulation verwendet. Der Frequenzhub beträgt bei professionellen Geräten ungefähr 2MHz. Bei nichtprofessionellen Geräten wird die Videobandbreite auf etwa 3MHz begrenzt, der Hub beträgt etwa 1,2MHz, die Gesamtbandbreite beträgt etwa 8MHz.

Wegen der großen Bedeutung des Synchronimpulses wird dieser höchste Spannungspegel nicht zur höchsten Frequenz moduliert, sondern zur niedrigsten, da hier der Störungen geringer sind. Der Hubbereich der FM liegt daher zwischen der Frequenz für den Synchronimpuls und der Frequenz für den Weißwert im Videobild.

Viele Formate wurden weiterentwickelt, indem der genutzte Frequenzbereich erhöht wurde. Möglich wurde dies durch die Verbesserung der Köpfe und Bänder. So wurde aus VHS S-VHS, Video 8 wurde um Hi 8 erweitert.

Um Rauscheinflüssen zu minimieren, werden bei der Aufnahme die hohen Frequenzen angehoben (Preemphasis), bei der Wiedergabe dann wieder abgesenkt (Deemphasis).

7.1.1.         Aufnahme

Ein automatisch geregelter Verstärker (Automatic Gain Control, AGC) bringt das Signal auf einen konstanten Pegel, wobei die Amplitude des Synchronisationsimpulses als Referenz dient. Der Synchronimpuls wird abgetrennt und zur Klemmstufe und zu den Band- und Kopf-Servosystemen geführt.




Nach der AGC-Stufe kann das Signal zur Kontrolle an den Ausgang geführt werden. Man nennt dies den Durchschleifbetrieb oder E-E-Betrieb (Electronics to Electronics).

Das Signal durchläuft einen Tiefpaß mit einer Grenzfrequenz von 5MHz.

Die Klemmung hält den Signalpegel für den Schwarzwert auf einem konstanten Wert. Dies ist notwendig, da etwaige vorgeschaltene Kondensatorkopplungen den Gleichspannungsanteil wegfiltern und somit den das Signal verschieben.

Das Signal durchläuft eine Preemphasis, bei der die hohen Frequenzen angehoben werden.

Der Begrenzer begrenzt das Signal nach beiden Richtungen, also den Schwarzwert und den Weißwert.

Es folgt der Frequenzmodulator, der mit einem spannungsgesteuerten Oszillator (Voltage Controlled Oscillator, VCO) arbeitet.

Ein Hochpaßfilter begrenzt das untere Seitenband des FM-Signal.

Der Aufnahmeverstärker bereitet das Signal so auf, daß es den optimalen Aufnahmestrom besitzt.

Schließlich wird es in der Kopftrommel über Übertrager den Köpfen zugeführt.


7.1.2.         Wiedergabe

Die im Kopf induzierte Spannung liegt im mV-Bereich.

Sie wird im Vorverstärker, der besonders rauscharm sein muß, stark verstärkt.

Der Entzerrer soll die nichtlineare Wiedergabekurve (Omega-Gang) kompensieren.

Jeder Kopf hat einen eigenen Vorverstärker und einen eigenen Entzerrer. Damit kann jedes dieser beiden Elemente genau auf den jeweiligen Kopf eingestellt werden, so daß die beiden entstehenden Signale einander angeglichen werden können. Anschließend werden die Signale der beiden Köpfe zu einem kontinuierlichen Signal zusammengefügt. Die Signale überlappen einander in einigen Zeilen. In diesem Bereich geschieht elektronisch die Kopfumschaltung.

Das Signal durchläuft eine AGC-Stufe. Bei einigen Geräten sitzt hier auch ein analoger Drop-Out-Detektor.

Das Signal wird wie bei der Aufnahme begrenzt.

Schließlich wird die FM demoduliert. Dazu werden in der Videotechnik Zähldiskriminatoren eingesetzt. Bei jeder Flanke des Signals wird ein Puls definierter Dauer erzeugt, die anschließend integriert werden. Bei höheren Frequenzen entstehen mehrere Pulse, daher erhält man auch eine höhere Spannung.

Eine Deemphasis senkt die hohen Frequenzen und macht damit die bei der Aufnahme durchgeführte Preemphasis rückgängig.

Zur Stabilisierung durchläuft das Signal eine Zeitbasiskorrektur (Time Base Corrector).

7.1.2.1.          Fehlerkorrektur

Es gibt Fehler, die bei der Videosignalaufzeichnung entstehen und sich mit vertretbarem Aufwand nicht vermeiden lassen. Hierzu zählen Drop-Outs, das Bandrauschen und die Abflachung von steilen Flanken. Erst bei der Wiedergabe werden Maßnahmen unternommen, um diese Fehler zu mindern.

7.1.2.1.1.       Drop-Outs

Stellen schwächerer oder fehlender Magnetbeschichtung am Band oder Verschmutzungen machen sich durch das Fehlen des Signals bemerkbar, was als Drop-Out bezeichnet wird. Zu sehen ist in solchen Fällen das Verstärkerrauschen, was der menschliche Betrachter erkennt und als störend empfindet.

Die Drop-Out-Kompensation wirkt dem entgegen, indem solche Drop-Outs mit den Bildinformationen der vorhergehenden Zeile gefüllt werden. Dies verfälscht zwar das Bild, kann aber im Gegensatz zum Verstärkerrauschen vom Menschen bei normalen Fernsehbildern nicht erkannt werden. Die Drop-Out-Kompensation wird nur auf das Y-FM-Signal angewandt.

Die untenstehende Abbildung zeigt die Funktionsweise des Drop-Out-Kompensator. Das ungestörte Signal verläuft entlang der gestrichelten Linie über einen Begrenzer und einen Emitterfolger, der als Impedanzwandler dient. Neben dem Ausgang wird das Signal auch einer Verzögerung zugeführt, deren Dauer die einer Zeile, also 64m, beträgt. Beim Gate wird das Signal gegen Masse kurzgeschlossen, wenn es nicht gebraucht wird.

Tritt nun ein Drop-Out mit einem Pegeleinbruch größer als -25dB auf, so wird er vom Drop-Out-Detektor registriert. Der von diesem daraufhin erzeugte Impuls wird vom Schmitt-Trigger in einen sauberen Rechteckimpuls, der der Dauer des Drop-Outs entspricht, gewandelt und dem Gate zugeführt. Dieses legt das vom Verzögerungsglied erhaltene Signal für diese Dauer auf R4 und führt es so an den Ausgang.


Diese Schaltung wird als umlaufender Drop-Out-Detektor bezeichnet, da sich die Rückführung ständig wiederholt, wenn mehrerer aufeinanderfolgende Zeilen ausfallen. So können auch länger Drop-Out-Phasen kompensiert werden. Zu beachten ist jedoch der mit jedem Durchlauf schlechter werdende Signal-Rausch-Abstand. Dadurch können nur 3 bis 4 aufeinanderfolgende Drop-Outs sauber und wirksam kompensiert werden.

Nach dem Drop-Out-Detektor ist ein Schalter zu erkennen, der bei Auftreten eines Vertikalsynchronimpulses die Impulse des Detektors kurzschließt. Dies ist nötig, da ansonsten die Bildsynchronisation durch den Drop-Out-Kompensator beeinflußt werden könnte.

Der Begrenzer zwischen der Verzögerung und dem Gate soll Schwingneigungen verhindern, die durch die Rückkopplung entstehen können.

Mit R3 kann die Ansprechempfindlichkeit eingestellt werden.

Mit R4 soll die Balance so eingestellt werden, daß die Amplitude des neuen Signals mit der Amplitude des vom Gate kommenden Signals übereinstimmt.


7.1.2.1.2.       Rauschunterdrückung

Das immer vorhandene thermische Rauschen wird bei der Bandaufzeichnung noch um das Bandrauschen erweitert. Das thermische Rauschen entsteht durch die Bewegung der Atome und liegt im gesamten Frequenzspektrum, also auch im Bereich des Signals. Das Bandrauschen hingegen wird von den einzelnen Magnetpartikel auf der Magnetschicht des Bandes erzeugt. Da diese Partikel wesentlich kleiner als der Kopfspalt sind, ist dieses Rauschen hochfrequenter als das aufgezeichnete Signal. Somit läßt es sich vom Signal trennen.

Nebenstehend wird eine Schaltung gezeigt, die das Bandrauschen unterdrückt. Grundsätzlich wird hier das Rauschen vom Signal abgetrennt, um 180° gedreht und wieder zum Signal addiert, wo es das ursprüngliche Rauschen kompensieren soll. Damit läßt sich der Signal-Rausch-Abstand um etwa 3dB erhöhen.

Nach dem FM-Demodulator gelangt das Signal zum Hochpaß C3R3. Da dieser wie ein Differenzierer wirkt, besteht das Videosignal danach nur mehr aus spitzen Impulsen; das hochfrequente Bandrauschen hingegen bleibt sowohl in der Amplitude als auch in der Phase weitgehend unverändert. Anschließend dreht eine Transistoremitterschaltung das Signal um 180°. Die beiden Dioden begrenzen das Signal so stark, daß nur mehr das Rauschen übrigbleibt. Dieses wird dann zum ursprünglichen Signal addiert, wo es das Rauschen kompensiert.

Der Einstellwiderstand R5 dient dazu, die Amplitude des gedrehten Rauschens exakt so einzustellen, daß sie mit der des ursprünglichen Rauschens übereinstimmt. Eine zu geringe Amplitude würde das Rauschen ungenügend kompensieren; eine zu hohe Amplitude würde es überkompensieren und dadurch Rauschen hinzufügen.

7.1.2.1.3.       Flankensteilheit

Durch die Begrenzung der Bandbreite vor der Aufzeichnung werden steile Flanken, wie die der Synchronimpulse oder etwa plötzliche Übergänge von Schwarz auf Weiß, abgeflacht. Ist der genaue Zeitpunkt, den eine Synchronimpulsflanke darstellen soll, jedoch nicht zu erkennen, so können die einzelnen Bildzeilen zueinander horizontal verschoben dargestellt werden. Und die plötzlichen Übergänge von Schwarz auf Weiß haben im Bild durch die niedrige Bandbreite verwaschene vertikale Konturen.


Zur Korrektur kann die sogenannte Crispening-Technik angewandt werden, wobei Crispening Versteilerung bedeutet. Dabei wird wie in der nebenstehende Abbildung gezeigt das abgeflachte Signal mittels einer RC-Kombination differenziert. Die dem entstehenden Signal überlagerten Rauschanteile müssen unterdrückt werden. Dann wird das Ergebnis ein zweites Mal differenziert. Nach dem Umpolen erfolgt die Addition mit dem ursprünglichen Signal. Die Flanken sind nun wesentliche steiler.

Das nötige zweimalige Differenzieren ist damit begründet, daß vor der Bandaufzeichnung zur Frequenzbandbreitenbegrenzung ein Tiefpaß zweiter Ordnung verwendet wurde. Dessen integrierende Wirkung wird nun kompensiert.

Eine weitere Technik ist die Cosinus-Entzerrung, deren Schaltung oben dargestellt ist. Dieses Verfahren ist aufwendiger als das Crispening-Verfahren und findet im professionellen Bereich Verwendung. In Bezug auf den korrekten Zeitpunkt der Synchronimpulsflanken ist dieses Verfahren qualitativ wesentlich hochwertiger als das Crispening-Verfahren.

Das Eingangssignal wird über einen Verstärker zur Verzögerungsleitung 1 geführt. Diese verzögert das Signal um 125ms. Am Eingang ist sie angepaßt, der Ausgang hingegen ist unangepaßt. Dadurch wird das Signal reflektiert. Zwischen dem Verstärker und der Verzögerung liegt damit die Summe aus dem ursprünglichen Signal und dem reflektierten, um 250ms (2*125ms) verzögerten Signal. Dieses wird als Signal 3 über den Puffer dem Subtrahierer zu geführt. Am anderen Subtrahierereingang liegt das Signal 4, das das um 125ms Sekunden verzögerte ursprüngliche Signal 1 darstellt. Nun wird die Subtraktion Signal 4 minus Signal 3 durchgeführt, woraus sich das Signal 5 ergibt. Dieses Signal ist mit dem Signal 4 der Crispening-Technik vergleichbar. Im Mischer wird das Signal 5 zum um 125ms verzögerten ursprünglichen Signal addiert, woraus sich das korrigierte Ausgangssignal 7 ergibt.


7.2.     Zeitbasiskorrektur

Trotz bester Servo- und Trackingsysteme läßt sich eine mechanische Restungenauigkeit bei der Abtastung der Spuren nicht verhindern. Diese Ungenauigkeit führt zu Zeitfehlern (Jitter). Auch die Synchronsignale und somit die Zeitbasis des Signals sind davon betroffen.

Meist sind diese Fehler nicht sichtbar, da sich die Geräte auf diese Schwankungen einstellen. Werden aber etwa im Studiobetrieb die Videosignale verschiedener Quellen gemischt, so müssen diese synchron laufen. Andernfalls wären die Bilder zueinander horizontal verschoben.

Das FBAS-Signal darf eine Zeitfehler von maximal 3ns enthalten, daher ist im professionellen Einsatz eine Zeitbasiskorrektur nötig. Das entsprechende Gerät wird Time Base Corrector (TBC) genannt.

Der TBC paßt das Signal an einen konstanten Taktmittelwert oder an einen zentralen Studiotakt an. Dazu bedient er sich einer Zeitverzögerung des Signals, deren Dauer steuerbar ist. Das schwankende Signal wird mit dem Referenzsignal verglichen, entsprechend wird die Verzögerung verkürzt oder verlängert, so daß die Zeitbasis am Ausgang immer konstant bleibt.

Zur Verzögerung werden heute nur noch digitale Speicher verwendet. Das analoge Signal wird in ein digitales umgewandelt und in diesen Speicher geschrieben. Nach der angepaßten Verzögerungszeit wird es ausgelesen und in ein analoges Signal rückgewandelt.

Da das Signal ohnehin in digitaler Form vorliegt, können leicht Veränderungen daran vorgenommen werden. Die meisten TBC besitzen entsprechende Einstellmöglichkeiten.

Oft ist im TBC auch ein Drop-Out-Compensator integriert.


7.3.     Die drei Aufzeichnungssysteme

7.3.1.         FBAS-Direktaufzeichnung

Dieses Aufzeichnungsverfahren war das erste und bildete somit den Beginn der farbfähigen Videorecorder. Dabei wird das gesamte FBAS-Signal direkt auf das Band aufgezeichnet.

Der elektronische Aufwand ist sowohl bei der Aufnahme als auch bei der Wiedergabe nicht sehr hoch. Allerdings muß die Dimensionierung aller Schaltungen sehr genau sein, um eine hohe Qualität zu erzielen. Ein weiterer Nachteil ist, das die erforderliche Bandbreite sehr hoch ist, was die Geräte aufwendig und groß und damit sowohl wenig mobil als auch teuer macht. Auch ist eine Zeitbasiskorrektur unbedingt erforderlich, da der Farbhilfsträger von 4,43MHz nur einen maximalen Fehler von 3ns aufweisen darf.

Vertreter dieses Systems sind die Formate 2" Quadruplex, 1" A, 1" C und 1" B. Das 1" B- und das 2" C-Format finden noch heute in der professionellen Produktion Verwendung.

7.3.2.         Colour Under-Aufzeichnung

Dieses Verfahren wurde mit dem Gedanken entwickelt, ein System für den breiten Amateurbereich zu schaffen. Ein wichtiges Kriterium stellte dar, daß die Geräte preiswert und einfach zu handhaben wurden. Letzteres wurde vor allem durch die Einführung von Kassetten statt den offenen Spulen erreicht. Die Kostenreduktion wurde zum einen durch einfachere Geräte und zum anderen durch einen geringeren Bandverbrauch erreicht. Letzteres erforderte die Reduzierung der Band-Kopf-Relativgeschwindigkeit, was freilich eine Verminderung der maximalen Frequenz und somit der gesamten Qualität bedeuten mußte.

Das heute weit verbreitete VHS-Format arbeitet mit einer Bandgeschwindigkeit von 2,3cm/s, Video 8 benötigt 2cm/s. Die Relativgeschwindigkeiten betragen 4,9m/s bei VHS und 3,1m/s bei Video 8. Damit wird eine Bandbreite bis etwa 3MHz realisiert. Aufgrund dieses geringen Wertes kann das FBAS-Signal nicht unverändert aufgezeichnet, da das Chrominanzsignal am oberen Ende des FBAS-Spektrums liegt und für die Aufzeichnung weggeschnitten werden würde.

Daher werden Luminanz- und Chrominanzsignal getrennt. Das Luminanzsignal wird auf 3MHz begrenzt, frequenzmoduliert und aufgezeichnet. Dabei liegt die untere Grenze des FM-Spektrums bei etwa 2MHz. Das Farbsignal wird mittels eines Mischers frequenzmäßig nach unten versetzt, so daß es nun in den freien Frequenzbereich unterhalb des Luminanzsignals gesetzt werden kann, woraus sich der Name "Colour Under" ergibt.

Die Formate dieses Verfahrens, etwa VHS und Video 8, haben grundsätzliche eine zu geringe Qualität, die einen professionellen Einsatz verhindert. Die Entwicklung hochwertiger Bandmaterialien ermöglichte aber später die Entwicklung besserer Formate wie S-VHS und Hi 8, die für den semiprofessionellen Bereich geeignet sind. Das aufgezeichnete Luminanzsignal liegt hier schon über 4MHz.


7.3.2.1.          Signalverarbeitung

7.3.2.1.1.       Aufnahme

Liegt das Videosignal als FBAS-Signal vor, so muß es zunächst in den Luminanzanteil und in den Chrominanzanteil getrennt werden. Anschließend durchlaufen beide Signale getrennte Wege.

Die ACC-Stufe (Automatic Chroma Gain Control) hält den Pegel des Chrominanzsignals mit einer Regelung konstant, wobei der Burstpegel als Referenz dient.

In der Mischstufe wird der Farbträger, der bei PAL bei 4,43MHz liegt, formatabhängig auf eine Frequenz zwischen 500kHz und 1MHz herabgesetzt. Das QAM-Signal selbst muß dabei unverändert bleiben. Die verfügbare Bandbreite beträgt etwa nach beiden Richtungen 600kHz. Das PAL-Signal mit 1,3 MHz nach beiden Richtungen muß daher in der Bandbreite eingeschränkt werden, was freilich der Qualität schadet.

Das Chrominanzsignal und das frequenzmodulierte Luminanzsignal werden nun zusammen am Band aufgezeichnet. Dabei beeinflussen einander die Signale gegenseitig, was erwünscht ist. Das höherfrequente Luminanzsignal schiebt dabei das Chrominanzsignal in den linearen Bereich der Magnetisierungskennlinie, was wie eine hochfrequente Vormagnetisierung wirkt

Das Problem des Übersprechens von der Nachbarspur wird für das hochfrequente Luminanzsignal durch die Slanted-Azimut-Technik gelöst. Das Chrominanzsignal hingegen ist dafür zu niederfrequent. Hier wird eine Phasenfortschaltung (Colour Under Phase Shift) eingesetzt, die die Phasenlage des Signals in jeder Zeile um 90° verdreht. Mit Hilfe einer zweizeiligen Verzögerung (Kammfilter) wird erreicht, daß beim Zusammenführen von verzögertem und unverzögertem Signal sich die Nutzsignale addieren, während sich die Störkomponenten der Nachbarspuren gegenseitig kompensieren.

7.3.2.1.2.       Wiedergabe

Nach der Vorverstärkung wird das Signal mit Filtern in Luminanzanteil und Chrominanzanteil getrennt. Die weitere Verarbeitung geschieht getrennt, bis sie am Ende weiter zum FBAS-Signal zusammengesetzt werden.

Das Chrominanzsignal wird mittels eines Mischers wieder auf 4,43MHz gebracht. Mit einem Kammfilter werden die Übersprechstörungen beseitigt.

Wird das Signal anschließend mit anderen Geräten weiterbearbeitet, etwa mit einem zweiten Videorecorder aufgenommen, so ist es empfehlenswert, auch bei der Übertragung das Chrominanz- und das Luminanzsignal getrennt zu führen, da durch die Wandlung zum FBAS-Signal und die darauf folgende Auftrennung der beiden Signale im zweiten Gerät ohnehin nur die Qualität vermindert wird. Daher bieten moderne S-VHS- und Hi 8-Geräte die entsprechende Anschlußmöglichkeit Y/C 443. Dabei steht Y für Luminanzsignal, C für Chrominanzsignal, 443 bedeutet, daß der Farbträger auf 4,43MHz rückgemischt wurde. Es existieren auch andere Bezeichnungen, wie YC 686, bei denen die Farbträger nicht wieder hinaufgemischt wurden. Das Verhindert nochmals Qualitätsverlust, schränkt die Kompatibilität aber auf Geräte des selben Formats ein.

Vertreter des Colour Under-Verfahrens sind U-Matic, Betamax, VHS, Video 8, Video 2000 und VCR.


7.3.2.2.          Das VHS-Format

Das Video Home System (VHS) wurde von JVC entwickelt und 1976 vorgestellt. Es konnte sich gegen die Konkurrenzprodukte durchsetzten und ist heute das weitverbreitetste Format im Amateurbereich.

Mit zwei Videoköpfen findet nach dem Colour Under-Verfahren auf 1/2"-Bändern eine nichtsegmentierte Aufzeichnung statt.

Standardgeräte besitzen neben den Videoschrägspuren nur zwei Längsspuren, nämlich an der unteren Bandkante die CTL-Spur und oben die Audiospur für Monoaufnahme. Stereotaugliche Geräte teilen diese eine Spur in zwei Spuren auf, so daß zwei Kanäle aufgezeichnet werden können. HiFi-Stereo-Geräte verwenden das Audio-Frequenzmodulation-Verfahren (Kapitel 8), müssen aus Kompatibilitätsgründen jedoch zusätzlich auch auf der Längsspur aufzeichnen.

7.3.2.2.1.       Standbild, Zeitlupe, Zeitraffer

VHS verwendet keine steuerbaren Videoköpfe (Dynamic Tracking). Daher sind Wiedergabearten, die nicht der normalen Geschwindigkeit entsprechen, gestört, da die Spurabtastung nicht mehr optimal ist. Eine Verbesserung bieten hier Geräte mit drei oder vier Videoköpfen.

7.3.2.2.2.       Long-Play

Unter diesem Namen bietet VHS eine Funktion, bei der die Spieldauer eines Bandes verdoppelt wird, indem die Bandgeschwindigkeit auf 1,17cm/s halbiert wird. Dadurch werden die Videospuren nur mit halber Breite aufgezeichnet. Für diese Funktion werden eigene Long-Play-Videoköpfe auf der Kopftrommel benötigt.

7.3.2.2.3.       S-VHS

Das Super-VHS-Format ist eine qualitative Weiterentwicklung auf der Basis von VHS. Das gesamte FM-Spektrum des Luminanzsignals wird frequenzmäßig nach oben verschoben. Dieser frequenzmäßige Platzzuwachs ermöglicht eine Vergrößerung des FM-Hubes von 1MHz auf 1,6MHz und eine Luminanzsignalbandbreite mehr als 4MHz. Das Chrominanzsignal bleibt im wesentlichen unverändert.

Die mechanischen Parameter bleiben bei S-VHS gegenüber VHS gleich, womit S-VHS-Geräte abwärtskompatibel zu VHS sind.

Die S-VHS-Aufnahme erfordert hochwertiges Bandmaterial und wurde erst durch die Entwicklung von diesem möglich. Damit genügt S-VHS semiprofessionellen Ansprüchen.

Für den wirklich professionellen Einsatz hat S-VHS aber einige Unzulänglichkeiten. Das Farbsignal etwa hat die gleiche geringe Bandbreite wie VHS. Und bei der Audioaufzeichnung stehen nur die Längsspuraufzeichnung und das AFM-Verfahren zur Verfügung. Ersteres bietet aber eine zu geringe Qualität, und letzteres kann nicht getrennt vom Videosignal editiert werden. Die Aufzeichnung von Timecode ist für die professionelle Nachbearbeitung unerläßlich. Bei S-VHS steht nur das LTC-Verfahren (Longitudinal Timecode) zur Verfügung. Dabei wird auf einer Audiospur anstatt des Audiosignals der Timecode aufgezeichnet, was zusätzlich das Problem des Übersprechens zwischen Timecode und Audiosignal bringt.

7.3.3.         Komponentenaufzeichnung

Dieses Verfahren wurde zu Beginn der 80er Jahre mit der Überlegung entwickelt, eine Qualität zu erzielen, die professionellen Ansprüchen genügt und dabei aber im Gegensatz zur FBAS-Direktaufzeichnung annähernd die Kompaktheit der Amateurgeräte zu bieten. Sony entwickelte das Betacam-System, bei Panasonic entstand das M-Verfahren. Beide Systeme wurden Ende der 80er Jahre durch höherwertige Magnetbänder und erweiterte Frequenzbereiche zu Betacam SP beziehungsweise MII verbessert und etablierten sich damit im professionellen Bereich. Obgleich der gleichen Qualität und des niedrigeren Preises von Panasonics MII, hat sich Sonys Betacam SP wesentlich stärker verbreitet.

Der größte Unterschied zu den anderen Systemen besteht darin, daß die drei Komponenten Luminanzsignal, Chrominanzsignal Rot und Chrominanzsignal Blau getrennt aufgezeichnet werden. Das Y-Signal hat eine eigene Spur, Crot und Cblau teilen sich eine zweite Spur mittels Zeitmultiplex bei Betacam oder Frequenzmultiplex beim M-Format. Die Signale für beide Spuren werden vor der Aufzeichnung frequenzmoduliert.

Die meisten Geräte können zwar die drei Komponenten zum konventionellen FBAS-Signal zusammenfassen. Ein erheblicher Qualitätsgewinn kann aber erreicht werden, wenn die drei Signalkomponenten getrennt bearbeitet werden und auch in drei Leitungen zwischen den entsprechenden Bearbeitungsgeräten im professionellen Studio übertragen werden.

Wird nicht das PCM-Verfahren, sondern nur die Audio-FM-Technik (Kapitel 8) für die Audioaufnahme eingesetzt, so befinden sich diese beiden Kanäle auf der Chrominanzspur frequenzmäßig unter den Chrominanzsignalen.

Weiters wurde die Bandgeschwindigkeit um den Faktor 3 beziehungsweise 5 gegenüber den Amateurformaten gesteigert. Mit einer Grenzfrequenz von 5,5MHz ist erst bei Kopien der fünften Generation ein Qualitätsverlust zu bemerken.


8.  Audioaufzeichnung

Audiosignale arbeiten mit relativ geringen Frequenzen, so daß sie mit stehenden Köpfen auf einer Längsspur aufgezeichnet werden können. Die Qualität ist hierbei allerdings nur mäßig. Bessere Alternativen sind die Aufzeichnung des frequenzmodulierten Signals und die qualitativ sehr hochwertige PCM-Aufzeichnung. Beide Varianten benötigen jedoch eine höhere Band-Kopf-Relativgeschwindigkeit, also einen rotierenden Kopf.

8.1.     Longitudinalaufzeichnung

Das Audiosignal wird von einem feststehenden Audiokopf auf einer Längsspur aufgezeichnet.

Durch die nichtlineare Magnetisierungskennlinie entstehen Signalverzerrungen. Um diese zu vermindern, wird das Band vormagnetisiert. Dabei wird das Audiosignal einem hochfrequenten Signal von etwa 100kHz aufgeprägt und somit in den linearen Bereich der Magnetisierungskennlinie verschoben.

Um die mögliche Dynamik des Audiosignals zu erhöhen und den Signal-Rausch-Abstand zu verbessern, können leise Töne bei der Aufnahme angehoben (Kompression) und bei der Wiedergabe wieder auf den Originalwert abgesenkt werden (Expansion). Häufig eingesetzte Verfahren dieser Art sind Dolby B und Dolby C.

In professionellen Geräten ermöglicht die Längsspuraufzeichnung ein Spektrum zwischen 50Hz und 15kHz und eine Dynamik von mehr als 52dB. Der Frequenzbereich und die Dynamik werden aber bei jeder Kopie verringert, so daß mehr als vier Generationen nicht vertretbar sind. Ein großer Vorteil der Längsspuraufzeichnung liegt in der Unabhängigkeit zum Videosignal.

8.2.     Audio-Frequenzmodulation

Dieses Verfahren wird als Audio-FM (AFM) beziehungsweise im Amateurbereich als HiFi-Ton bezeichnet. Eine Steigerung der Qualität wird bewirkt, indem das Audiosignal frequenzmoduliert und mittels rotierender Köpfe auf das Band gezeichnet wird.

Da AFM keine grundlegende Anderung, sondern nur eine Erweiterung sein sollte, wurden dafür keine zusätzlichen Schrägspuren eingeführt. Das FM-Signal wird daher zusammen mit dem Videosignal aufgezeichnet. Der wesentliche Nachteil des AFM-Verfahrens liegt gerade darin, daß das Audio- und das Videosignal nicht unabhängig voneinander editiert werden können.

Das AFM-Verfahren zeichnet gleichzeitig zwei Tonkanäle auf. Es werden entweder die Videoköpfe oder eigene, den Videoköpfen voranlaufende Audioköpfe verwendet. Die beiden Tonkanäle erhalten zwei Frequenzen unterhalb des unteren Seitenbandes der Luminanz-FM. Bei VHS etwa liegen sie bei 1,4MHz und 1,8MHz. Jedem Tonkanal steht formatabhängig eine Bandbreite von ungefähr 200kHz zur Verfügung.

Die Trennung von Audio- und Videosignal erfolgt mittels Filter. Bei der Aufzeichnung mit unterschiedlichen Köpfen besitzen die Audioköpfe zusätzlichen andere Kopfspaltbreiten und Azimutwinkel als die Videoköpfe.

Der Spalt des Audiokopfes kann durch die niedrigeren Frequenzen breiter gebaut werden als der des Videokopfes, das Audiosignal dringt daher tiefer in das Band ein. Der nachlaufende Videokopf löscht das Audiosignal an der Bandoberfläche, hat jedoch kaum Einfluß auf die tieferen Bereiche im Band. Bei der Wiedergabe kompensiert sich das hochfrequente Videosignal im breiten Spalt des Audiokopfes, während das Audiosignal gut gelesen werden kann.

Durch die unterschiedlichen Azimutwinkel entsteht nicht nur eine Übersprechdämpfung gegenüber der Nachbarspur, sondern auch zwischen Audio- und Videosignal derselben Spur.

Ein Problem stellt bei der AFM-Aufzeichnung die Kopfumschaltung dar. Im Gegensatz zum Videosignal, das bei der Umschaltung gerade die vertikalen Austastlücke aufweist, würde beim Ton ein eventueller Sprung in Pegel oder Phase störend wirken. Die Vorverstärker müssen daher sehr gut abgestimmt sein. Vorteilhaft ist es auch, wenn das Signal beim Umschalten kurz konstant gehalten wird.

Zur Vergrößerung des Signal-Rausch-Abstandes wird standardmäßig ein Komprimierungsverfahren eingesetzt. Das Spektrum liegt zwischen 20Hz und 20kHz, die Dynamik kann größer als 70dB sein. AFM wird bei einigen VHS-Modellen eingesetzt, bei Video 8 ist AFM Standard.

8.3.     PCM

Höchsten Ansprüchen an die Qualität wird das PCM-Verfahren (Puls Code Modulation) gerecht, bei dem das Audiosignal in digitaler Form aufgezeichnet wird. Es ist unter anderen beim analogen Video 8-Format optional, bei digitalen Formaten ist es Standard.

Es stehen zwei Kanäle zur Verfügung. In analogen Recordern wird das analoge Audiosignal beider Kanäle digitalisiert. In professionellen Geräten wird hierzu eine Abtastrate von 44,1kHz oder 48kHz und eine Amplitudenauflösung von 16Bit oder 20Bit verwendet. Damit läßt sich eine Dynamik von mehr als 90dB und ein Frequenzbereich von 20Hz bis 20kHz aufzeichnen. Eine Kopie dieses digitalen Audiosignals unterliegt nahezu keinen Verlusten.

Beim Heimformat Video 8 liegt die Qualität etwas unter diesen Werten, ist aber dennoch etwas besser als das AFM-System.

Da das PCM-Verfahren mit hohen Frequenzen arbeitet, muß das Signal auf Schrägspuren von auf der Kopftrommel rotierenden Audioköpfen aufgezeichnet werden. Hierzu werden separate Schrägspuren angelegt, und nicht etwa wie beim AFM-Verfahren die des Videosignals verwendet. Bild und Ton sind hier daher vorteilhafterweise getrennt voneinander editierbar. Da das PCM-Verfahren eine Erweiterung darstellte, war auf dem Band kein Platz für die nötigen Spuren vorgesehen. So wird nun eine Längsaudiospur auf dem Band weggelassen und an deren Stelle die PCM-Schrägspuren gesetzt.

Das digitale Audiosignal wird mit Zusatzdaten zur eventuellen Fehlerkorrektur versehen. Danach wird es zeitkomprimiert. Dies ist nötig, da eine PCM-Schrägspur nur sehr kurz ist und nur sehr kurz vom Kopf abgetastet wird. Bei der Wiedergabe findet die entsprechende zeitliche Expansion statt.

Beim Video 8-Format wurde der Bereich für das PCM-System schon bei der Konzeption vorgesehen, er liegt unter den Videospuren. Um ihn zu nutzen, muß die Kopftrommelumschlingung von 185° auf 221° erhöht werden.

9.  Quelliteratur

Digitale Videotechnik, Ulrich Schmidt

Franzis-Verlag, 1996










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