Phase Alternating Line
PAL ist ein Verfahren zur Farbübertragung beim analogen Fernsehen (als Alternative zum älteren US-amerikanischen NTSC-Standard). Umgangssprachlich wird der Begriff PAL häufig für die Gesamtheit aller Parameter der Fernsehnorm verwandt.
Verbreitung
PAL ist vor allem in Europa gebräuchlich, wird aber auch in Australien und in vielen afrikanischen und asiatischen Ländern verwendet, siehe auch die Tabelle im Anhang.
Geschichte
Fernsehen begann ursprünglich schwarz/weiß. Es wurden lediglich die Helligkeitswerte des Bildes übertragen, keine Farbinformationen. Damit bereits vorhandene schwarz-weiß-Fernsehapparate weiterhin einsetzbar waren, mußten die Farbfernsehsysteme abwärtskompatibel entwickelt werden. Mit einem Schwarz-Weiß-Fernseher konnte man bei geringfügig verschlechterter Bildqualität auch die Farbausstrahlungen empfangen, auf einem Farbfernseher auch Schwarz-Weiß-Abstrahlungen empfangen.
PAL wurde von Walter Bruch in Hannover/Deutschland entwickelt und 1963 zum Patent angemeldet.
Der Start des Farbfernsehens in der Bundesrepublik Deutschland erfolgte durch den berühmten Druck auf den roten Knopf (der eine Attrappe war) durch den damaligen Vizekanzler der Bundesrepublik Deutschland, Willy Brandt, anlässlich der Internationalen Funkausstellung (IFA) am 25. August 1967.
Als ein möglicher Nachfolger als Zwischenschritt zum digitalen Fernsehen wurde PALplus in den 1990er Jahren entwickelt, hat sich jedoch nicht sehr weit verbreitet. PALplus ist abwärtskompatibel zu PAL.
Vergleich
PAL hat die grundlegenden Konzepte der Signalübertragung vom amerikanischen Farbübertragungssystem NTSC übernommen. PAL benutzt wie NTSC die Quadraturamplitudenmodulation für die Farbübertragung. Als Verbesserung treten die für NTSC typischen Farbtonschwankungen nicht mehr auf, jedoch wird dies mit erheblichem Mehraufwand bei der Schaltungsrealisierung erkauft. Es kann jedoch zu Cross-Color- und Cross-Luminance-Störungen kommen, die sich als störendes, farbiges Muster (Moiré-Effekt) oder farbige Schlieren äußern können. Diese Bildstörungen treten besonders bei feinen Strukturen im Bild auf, zum Beispiel kleinkarierten Hemden, welche daher von Fernsehmoderatoren vermieden werden. Mit erhöhtem Schaltungsaufwand können diese Störungen teilweise eliminiert werden (Kammfilter). Zusätzlich verschlechtert sich die vertikale Farbauflösung.
Das französische Farbfernsehsystem SECAM unterscheidet sich erheblich von PAL/NTSC.
Fernsehnormen mit PAL-Farbübertragung
Das PAL-Farbsystem benutzt üblicherweise ein Videoformat mit 625 Zeilen pro Bild und hat eine Bildübertragungsrate von 25 Bildern pro Sekunde. Diese werden allerdings nur halbbildweise übertragen, d. h. es wird erst ein Bild mit allen ungeraden und dann ein Bild mit allen geraden Zeilen übertragen, was eine Halbbildfrequenz von 50 Hz ergibt, das sogenannte Zeilensprungverfahren. Dadurch erhält man ein flimmerarmes Bild bei geringer Datenrate des Fernsehsignals. Das PAL-System überträgt die Fernsehnormen B, G, H, I und N. Einige osteuropäische Staaten, die ihre Fernsehnorm von SECAM D und K auf PAL umgestellt haben, verwenden PAL D/K, wobei es einige Ausnahmen gibt, in denen die Länder komplett auf PAL B/G umgestellt haben. In Brasilien wird PAL in Verbindung mit 525 Zeilen und 29,97 Bildern pro Sekunde (System M) und einer fast identischen Farbträgerfrequenz wie NTSC benutzt. Alle anderen Länder, die das Übertragungssystem "M" benutzen, verwenden NTSC für das Farbfernsehen. In Argentinien, Paraguay und Uruguay wird PAL mit den standardmäßigen 625 Zeilen verwendet, jedoch mit einer Farbträgerfrequenz, die fast mit der für NTSC identisch ist. Diese Abart der PAL-Norm wird PAL-N und PAL-CN genannt.
Fernsehgeräte mit PAL
Neuere PAL-Fernsehempfänger können normalerweise fast alle PAL-Varianten (außer PAL-M und PAL-N) verarbeiten und korrekt wiedergeben. Viele davon können auch fehlerfrei SECAM darstellen, welches in Osteuropa und im Nahen Osten verbreitet ist. Allerdings funktioniert das im Regelfall nicht mit dem SECAM-System, das in Frankreich verwendet wird. Davon ausgenommen sind Geräte französischer Herkunft. Viele dieser neueren Geräte kommen auch problemlos mit NTSC-M-Signalen zurecht, welche von Videorecordern oder Spielkonsolen erzeugt werden. Allerdings treten häufig Probleme auf, wenn es um die Verarbeitung von NTSC-Signalen geht, die von Fernsehstationen ausgestrahlt werden.
Konvertierung
Kinofilme werden traditionell mit 24 Bildern pro Sekunde gedreht, dadurch ergibt sich auf PAL-Geräten eine Laufzeitverkürzung um 4,17%, da PAL 25 Bilder in der Sekunde wiedergibt. Dieser schnellere Ablauf des Filmes (Fachbegriff: PAL Speed-up) wird von Menschen kaum wahrgenommen, nur die damit einhergehende etwa einen Halbton höhere Tonwiedergabe kann auffallen, wenn man z. B. darin vorkommende Musikstücke schon von anderen Quellen (CDs etc.) her kennt.
Technik
PAL baut wie NTSC und SECAM auf dem vorherigen Schwarz-Weiß-Fernsehen auf. Aus Gründen der Kompatibilität wird die Farbe innerhalb des Schwarz-Weiß-Signals versteckt. Dadurch, dass bereits die Bildhelligkeit (schwarz-grau-weiß) übertragen wird, muß nicht mehr die vollständige Farbinformation übertragen werden. Es werden nur die Farbdifferenzsignale für Rot und Blau übertragen. Ein Farbdifferenzsignal wird gebildet aus dem Helligkeitssignal der entsprechenden Farbe minus des ohnehin vorhandenen schwarz-weißen Helligkeitssignals (R-Y, B-Y). Aus den drei Signalen R-Y, B-Y und Y können im Empfänger die 3 Farbsignale R, G und B wieder zusammengesetzt werden. Dies beschreiben die Artikel YUV und Farbübertragung. Durch die additive Farbmischung können mit den drei Einzelfarben Rot, Grün und Blau alle anderen Farben zusammengesetzt werden, begrenzt durch den Farbraum der Bildröhren.
PAL benutzt für die Übertragung der Farbdifferenzsignale Rot minus Helligkeit (R-Y) und Blau minus Helligkeit (B-Y) ebenso wie NTSC die Quadraturamplitudenmodulation (QAM). Da bei der QAM der Träger unterdrückt ist, dieser für die Demodulation aber benötigt wird, wird er im Empfänger durch einen Quarz-Oszillator neu generiert, wobei dieser von dem PAL-Burst, von welchem pro Fernsehbildzeile einige wenige Perioden auf der hinteren Schwarzschulter des FBAS-Signals übertragen werden, synchronisiert wird.
Darstellung des FBAS-Signals bei PAL, eine Bildzeile. Der PAL-Burst befindet sich an Punkt 5.
Vermeidung der Farbfehler
Die Abkürzung PAL bedeutet Phase Alternating Line, was sich darauf bezieht, dass die Phase des Rot-Differenzsignals von Zeile zu Zeile invertiert wird. Im Empfänger werden, im Gegensatz zu NTSC, Farbtonfehler (die in diesen Systemen den häufig auftretenden elektrischen Phasenfehlern entsprechen) durch Mittelwertbildung des Farbsignals zweier benachbarter Zeilen automatisch kompensiert, wenn die Farbe und der Farbtonfehler zwischen beiden Zeilen konstant sind, und in einen geringen Farbsättigungsfehler umgewandelt. Farbsättigungsfehler fallen dem menschlichen Auge wesentlich weniger auf als Farbtonfehler. Dies ist der Unterschied und entscheidende Vorteil des PAL-Verfahrens gegenüber NTSC.
Stellt man sich die Modulation im Zeigerdiagramm vor, so steckt beim jeweiligen Zeiger in der Phase (Richtung) die Farbart (der Farbton), in der Länge des Zeigers der Farbkontrast (die Farbsättigung). Treten Phasenfehler auf, würden diese sich bei einer einfachen Demodulation wie bei NTSC als Farbtonfehler zeigen. Jedoch wird bei PAL in jeder zweiten Zeile der Träger der Rotkomponente um 180 Grad gedreht. Bei der Demodulation wird dieser entsprechend wieder zurückgedreht. Ein eventuell aufgetretener Phasenfehler wird mitgedreht und mittelt sich über zwei aufeinanderfolgende Zeilen aus.
- Zeigerdiagramm: Zeile n, schwarz Originalzeiger, blau Zeiger mit Phasenfehler
- Zeigerdiagramm: Zeile n+1, Phase um 180 Grad gedreht
- Zeigerdiagramm: Lage der Zeiger in der Zeile n+1 nach Rückdrehung
- Zeigerdiagramm: schwarz: vektorielle Addition der beiden originalen Zeiger, in blau Addition der beiden phasenfehlerbehafteten Zeiger
Dabei geht man davon aus, dass sich von Zeile zu Zeile die Farbinformation nur wenig ändert und der zu verdeckende Farbfehler sich ebenfalls von Zeile zu Zeile wenig ändert.
Über diesen Voraussetzungen wird der Farbtonfehler 1. Ordnung in einen Farbsättigungsfehler 2. Ordnung umgewandelt, der vom Auge wesentlich schwieriger wahrzunehmen und daher vernachlässigbar ist.
Da zur Dekodierung des PAL-Signals jeweils die Information der aktuellen sowie der vorherigen Zeile benötigt werden, durchläuft das eingehende PAL-Signal im Empfänger eine Verzögerungsleitung mit einer Laufzeit knapp der Länge einer Fernsehzeile (63,943 μs) zur Speicherung. Ausgegeben wird dann jeweils ein Mittelwert zwischen dem gerade einlaufenden und dem aus der vorigen Bildzeile gespeicherten Signal.
Nachteilig ist jedoch, daß sich dabei die Farbinformation nach unten verschiebt, was besonders unangenehm bei mehrfach kopierten Videokassetten auffällt.
Moderne (digitale) PAL-Decoder arbeiten wesentlich aufwendiger:
- es werden vorherige und folgende Zeilen verrechnet, um Helligkeits- und Farbsignal besser zu trennen (2D-Kammfilter)
- es werden vorherige und folgende Bilder verrechnet, um Helligkeits- und Farbsignal besser zu trennen (3D-Kammfilter)
- es wird keine Mittlung von Zeilen zur Farbtonkorrektur verwendet, sondern auf Grundlage statistischer Größen eine Korrekturgröße für das Farbsignal berechnet
Frequenz des Farbträgers
Wahl der NTSC-Farbträgerfrequenz
Zum Verständnis der PAL-Farbträgerfrequenzwahl wird zuerst die einfachere Wahl bei NTSC erklärt:
Die Farbträgerfrequenz wurde so gelegt, dass das durch sie hervorgerufene Stör-Moire (vor allem auf den bereits existierenden Schwarz-Weiß-Empfängern) möglichst unauffällig ist und gleichzeitig feinstrukturierte Helligkeitsinformationen (feinkarierte Hemden im Bild u.ä.) möglich wenig störende Farbbilder verursachen. Zugleich darf jedoch auch das Tonsignal nicht gestört werden.
Dazu wird:
- eine möglichst hohe Frequenz gewählt, die jedoch noch weit genug vom Tonsignal (4,5 MHz) entfernt sein muss
- die Anzahl der Farbträgerschwingungen pro Zeile so gelegt, dass nach benachbarte Zeilen die Phase des Farbtträgers um 180° gedreht ist (dies ist nicht das gleiche wie das Phasendrehen des fertigen Farbsignals bei PAL).
Das ergibt dann 4,5 MHz / 286 * 227,5 Perioden = 3,57954545 MHz für den Farbträger bei der NTSC-Farbmodulation. Es werden etwa 1,3 MHz des unteren Seitenbandes und 0,4 MHz des oberen Seitenbandes davon übertragen. Durch die Natur des Farbsignals treten dabei ganz bestimmte Frequenzen in diesen Seitenbändern wesentlich stärker auf als andere; im Empfänger genügt es diese Frequenzen aus dem Schwarz-Weiß-Bild wieder "herauszufischen", um eine ziemlich saubere Trennung von Helligkeits- und Farbinformation zu erreichen.
Wahl der PAL-Farbträgerfrequenz
Die Farbträgerfrequenz wurde so gelegt, dass das durch sie hervorgerufene Stör-Moire möglichst unauffällig ist und gleichzeitig feinstrukturierte Helligkeitsinformationen möglich wenig störende Farbbilder verursachen.
Dazu wird:
- eine möglichst hohe Frequenz gewählt, der jedoch weit genug vom Tonsignal (5,5 MHz) entfernt ist.
- die Anzahl der Farbträgerschwingungen pro Zeile so gelegt, dass nach zwei Zeilen die Phase des Farbträgers um 180° gedreht ist. Alle zwei Zeilen deswegen, weil benachbarte Zeilen durch die 180° PAL-Phasenschaltung unterschiedlich aussehen, deswegen wird im Gegensatz zu NTSC das Diagonalraster nicht zwischen Nachbarzeilen, sondern zwischen Zeilen mit einem Abstand von 2 aufgebaut. Insgesamt wiederholt sich die Phasenlage also alle vier Zeilen.
- der Farbträger wird weiterhin noch um 25 Hz erhöht, damit das Störraster zwischen den Halbbildern alterniert. Dies ist nötig, weil die Zeilenzahl 625 -- anders als die NTSC-Zeilenzahl 525 -- bei der Teilung durch 8 einen Rest von 1 ergibt, wodurch ein langsam wanderndes Störmuster entsteht, das auffälliger ist als ein schnell wanderndes, wie es bei einem Rest von 3 entsteht. Bei PAL-M, also PAL mit 525 Zeilen, wird diese Korrektur daher nicht verwendet. Auch die meisten DVD-Player, Spielkonsolen und digitalen Satelliten-Receiver erzeugen diese Korrektur nicht, da sie in Digitaltechnik nur mit relativ aufwendigen - und daher teuren - Komponenten erzeugt werden kann. Es schaut ja kaum jemand DVDs auf Schwarzweiß-Fernsehern, und auf Farbgeräten sind die Störungen sowieso weniger stark sichtbar.
Das ergibt dann 15625 Hz * 283,75 Perioden + 25 Hz = 4,43361875 MHz für den Farbträger bei der PAL-Farbmodulation. Es werden etwa 1,3 MHz des unteren Seitenbandes und 0,65 MHz des oberen Seitenbandes davon übertragen. Die Farbträgerfrequenz wird üblicherweise im Empfangsgerät durch einen vom Fernsehsender nachsynchronisierten Quarzoszillator erzeugt. Dieser Oszillator wird durch den Burst in Frequenz und Phase an den Oszillator beim Sender angegelichen. Damit steht in jedem Fernsehgerät eine stabile, hochkonstante Referenzfrequenz zur Verfügung.
Die verwendete Frequenz wird teilweise auch zur Baseband-Übertragung von NTSC verwendet und heißt dann NTSC-4.43. Ein solches Signal können auch die meisten neueren PAL-Fernseher problemlos anzeigen, weshalb es z.B. genutzt wird, wenn man eine NTSC-DVD auf einem PAL-Fernseher ansehen möchte. Die Störunterdrückung des Farbträgers (Trägerfrequenz ist das 281,78fache der Zeilenfrequenz, was nicht mehr halbzahlig ist) ist dann allerdings nicht mehr optimal.
Demodulation
Die Mitteilung von benachbarten Zeilen bei der Dekodierung ist bei PAL, im Gegensatz zu SECAM, nicht prinzipiell notwendig. Man kann jede Zeile auch für sich unabhängig dekodieren. Die Korrektur von Farbartfehlern funktioniert bei geringen Fehlern immer noch ordentlich, die Mittelung wird bei geringem Farbtonfehler (wie man sie heutzutage durch Kabelfernsehen und andere phasenfestere Übertragungsmethoden häufig antrifft) problemlos durch das menschliche Auge übernommen. Dabei verringert sich die vertikalen Auflösung im Gegensatz zur klassischen PAL-Dekodierung mit Zeilenmittlung nicht. Bei Übertragung von PAL via Y/C (Hosidenverbindung, S-Video) ist auch eine breitere Farbbandbreite möglich, es gibt keine Beschränkung auf 1,3 MHz Bandbreite mehr. Leider wird davon kaum Gebrauch gemacht.
Referenzen
Der Standard, der das PAL-System (und auch das NTSC-System) definiert, wurde 1998 von der International Telecommunications Union publiziert und hat den Titel "Recommendation ITU-R BT.470-6, Conventional Television Systems". Er ist nicht öffentlich im Internet zugänglich, kann aber bei der ITU gekauft werden.
Anhang Verbreitung
Länder und Gebiete mit PAL B/G oder PAL D/K
Europa
Albanien, Ascension, Belgien, Bosnien und Herzegowina, Dänemark, Deutschland, Estland, Faröer, Finnland, Gibraltar, Griechenland, Grönland, Irland, Island, Italien, Kroatien, Lettland, Liechtenstein, Litauen, Luxemburg, Mazedonien, Malta, Niederlande, Norwegen, Österreich, Polen, Portugal (einschl. Madeira und den Azoren), Rumänien, Serbien und Montenegro, Slowenien, Slowakei, Spanien (einschl. der Kanarischen Inseln), Schweden, Schweiz, Tristan da Cunha, Tschechien, Türkei, Vatikanstadt
Asien
Afghanistan, Bahrain, Bangladesch, Brunei, Volksrepublik China, Gaza und West-Bank, Indien, Indonesien, Israel, Jemen, Jordanien, Katar, Kuweit, Libanon, Malaysia, Malediven, Nepal, Nordkorea, Oman, Pakistan, Singapur, Sri Lanka, Syrien, Thailand, Türkei, Vereinigte Arabische Emirate, Vietnam, Zypern.
Amerika
Afrika
Algerien, Angola, Äthiopien, Botswana, Eritrea, Gambia, Ghana, Guinea, Guinea-Bissau, Kamerun, Kap Verde, Kenia, Lesotho, Liberia, Malawi, Mosambik, Namibia, Nigeria, Sambia, Sansibar, Seychellen, Sierra Leone, Simbabwe, Somalia, Südafrika, Sudan, Swaziland, Tansania, Uganda.
Australien und Ozeanien
Australien, Cookinseln, Neuseeland, Norfolkinsel, Osterinseln, Papua-Neuguinea, Salomonen, Tonga, Vanuatu, Weihnachtsinsel.
Länder und Gebiete mit PAL-I
Europa
Asien
Länder mit PAL-M
Amerika
Brasilien (neben NTSC)
Asien
Laos (neben SECAM).
Länder mit PAL-N oder PAL-CN
Amerika
Chile, Argentinien, Paraguay und Uruguay.
Digitales PAL
Alles bisher beschriebene bezieht sich auf den Begriff PAL in der analogen Welt, also z.B. Analogfernsehen und Videorekorder. In der digitalen Welt, z.B. beim digitalen Satellitenfernsehen, neueren Spielkonsolen oder auf einer DVD, wird die Farbmodulation erst im Abspielgerät erzeugt und ist nicht auf dem Medium selbst gespeichert. Daher bedeutet PAL im Digitalbereich (nur noch) die Bildauflösung von 575 sichtbaren Zeilen je Vollbild bei 25 Vollbildern pro Sekunde -- digital werden meist (z.B. auf DVD oder bei den meisten digitalen Fernsehsendern) 720×576 Pixel pro Bild gespeichert, seltener 480×576 (auf SVCD) oder 352×288 (auf Video CD). Zwischen PAL und SECAM besteht auf einem digitalen Medium kein Unterschied mehr -- ein PAL-DVD-Player erzeugt aus einer PAL-DVD ein PAL-Videosignal, ein SECAM-DVD-Player aus der gleichen PAL-DVD ein SECAM-Videosignal. Und das auch nur bei Ansteuerung per FBAS/Composite Video/RCA oder S-Video/YC/Hosiden-Anschluss. Am RGB/SCART oder YUV-Anschluss tritt keine Farbnorm mehr auf. Einzig NTSC hat auf digitalen Medien eine etwas andere Bedeutung, nämlich die Auflösung von 480 Zeilen je Vollbild bei entweder 29,97 oder (für Spielfilme) 23,976 Vollbildern pro Sekunde. Fast alle PAL-DVD-Player können jedoch auch hieraus ein PAL-60 genanntes PAL-ähnliches Signal erzeugen, mit dem fast alle neueren PAL-Fernsehgeräte problemlos zurechtkommen.
Zusätzlich zu der oben genannten Ausformung des digitalen PALes gibt es auch noch eine weitere Form. Bei dieser Form wird das analoge Signal mit der 4-fachen Farbunterträgerfrequenz abgetastet. Die Abtastung geschieht synchron zum Burst. Es ist moderat einfach, durch Addition und Subtraktion nahestehender Abtastwerte die Farbdifferenzsignale zu erhalten. Dieses Verfahren wird besonders intern in videoverarbeiteten Geräten benutzt. Digitale Fernsehgeräte arbeiten hier häufig mit 7- oder 8-Bit Abtastwerten, bessere Geräte verwenden bis zu 10 Bit. Frühe digitale Videorekorder (zum Beispiel d2) nutzten ebenfalls dieses Verfahren.