Theorie und Praxis der Faksimile-Übertragung mit einem modernen MikrocomputerDipl.-Ing. Erich H. Franke, DK6II Skriptum zum Vortrag anlässlich der 8.INTERRADIO 11.-12.11.1989 in HannoverKaum eine der klassischen Betriebsarten im Amateurfunk hat in den vergangenen Jahren eine ähnliche Renaissance erfahren wie die Faksimile-Übertragung, kurz FAX genannt. Was zuvor die Domäne einiger weniger Spezialisten war, erobert in zunehmendem Maße die Shacks und Funkstationen. Ein Grund hierfür liegt zum einen darin, daß sich im Amateurfunk wieder der Trend hin zu den 'technischen' Betriebsarten, wie zum Beispiel Packet Radio, AMTOR, Fernschreiben und Fernsehen verlagert; man spricht in diesem Zusammenhang davon, daß sich derzeit circa 40% der aktiven Amateure mit Sonderbetriebsarten aus dem Bereich der Bild- und Schriftübertragung beschäftigen. Gerade Themen wie der direkte Empfang von METEOSAT-Bildern, Wetterkarten und ähnliches, tragen, da sie für Amateure offiziell zugänglich sind, erheblich zur Attraktivität des FAX-Empfangs bei. Und nicht zuletzt ist die Stationsausrüstung für den FAX-Betrieb heutzutage wesentlich leichter zu erhalten als in den Jahren zuvor. Hier ist vor allem der Einsatz moderner Mikrorechner zu nennen, die aufgrund ihrer Graphikfähigkeiten, ihrem ausreichend großen Speicher und Rechenkapazität für Zwecke der Bildverarbeitung mit den klassischen FAX-Maschinen konkurrieren können. Hiermit wollen wir uns in dem nun folgenden Beitrag näher beschäftigen. Schauen wir uns zunächst einmal an, wie ein FAX-Bild mit einer klassischen Ausrüstung übertragen wird. Wir werden dabei die notwendigen Begriffe und Grundlagen kennenlernen, die wir zum Verständnis der Arbeitsweise von FAX-Programmen benötigen. Vor seiner Aussendung wird das Original in der sendenden Station zunächst einmal abgetastet. Dies geschieht ganz ähnlich wie im Fernsehen, nur eben viel, viel langsamer. Die abzutastende Vorlage wird zu diesem Zweck in der sendenden Fax-Maschine auf eine Art Trommel aufgespannt. Diese Trommel wird in Bewegung versetzt und dreht sich mit einer festgelegten, konstanten Geschwindigkeit. Die Trommeldrehzahl wird in 'Umdrehungen pro Minute' (UpM) angegeben. Im Funkbetrieb sind Drehzahlen 60, 120 und 240 U/Min üblich. Die Anforderungen an die Genauigkeit der Drehzahl sind recht hoch. Sie muß auf ungefähr zehn hoch minus fünf, d.h. ein hundert-tausendstel genau eingehalten werden. Die Vorlage wird durch ein Photoelement abgetastet, das auf einer Art von Schlitten montiert ist und gleichmäßig an der Trommel entlang bewegt wird. Durch diese Vorschubbewegung in Zusammenhang mit der sich drehenden Trommel erfolgt die Abtastung in einer Schraubenlinie, die, auf das Bild bezogen, eine Schar leicht schräg verlaufender Zeilen bildet. Diese Zeilen verlaufen von links nach rechts und von oben nach unten. Eine Ausnahme macht METEOSAT, der seine Bilder von unten nach oben abtastet. Dadurch erscheint das Bild zwar kopfstehend, bleibt aber trotzdem lesbar. Manche kommerziellen Stationen senden ihre Bilder allerdings spiegelverkehrt, um direkt druckfähige Vorlagen zu erhalten. Die Abtastrichtung bzw. die Trommelumdrehung wird dazu umgekehrt, die Abtastung erfolgt also von rechts nach links. Man nennt dieses Verfahren anschaulich auch 'Inverse Scan Direction' oder kurz ISD. Durch die Einspannvorrichtung auf der Trommel geht an den Bildrändern ein wenig von der nutzbaren Zeilenlänge verloren. Üblicherweise können vom Trommelumfang nur 95% genutzt werden, 5% fallen auf den 'Einspannschlitz'. Diese Tatsache erhält besondere Bedeutung bei dem weiter unten beschriebenen Einphasvorgang. Die Steigung der Schraubenlinie auf der Trommel wird durch die Vorschubgeschwindigkeit des Abtasters im Verhältnis zum Trommelumfang definiert und bestimmt den Zeilenabstand und damit die Auflösung des Bildes. Der zugehörende Systemwert wird als Modul bezeichnet. Der englische Begriff hierfür lautet 'Index of Cooperation' (IOC). Das Modul ist als Quotient aus Trommeldurchmesser d und Zeilenabstand A definiert. Im Funkbetrieb üblich sind Module von 288 und 576. Wir werden später auf den Zusammenhang zwischen Bildauflösung und Modul näher eingehen. Das am Abtaster angebrachte Photoelement erzeugt für schwarze und weiße Stellen unterschiedliche Spannungswerte. Es gibt nun Maschinen, die für reinen Graphikbetrieb optimiert sind. Bei diesen werden die Signale vom Abtaster mit einer Schwelle bewertet und als binäre, logische Zustände abgegeben. Sie liefern nur quasi-digitale schwarz/weiß-Informationen mit extrem hartem Kontrast. Andere Maschinen hingegen sind in der Lage, Grauwerte, sogenannte 'Halbtöne' zu verarbeiten; sie liefern also ein analoges Signal, das proportional zur Helligkeit des abgetasteten Bildpunktes ist. Maschinen für den Bildfunk sollten gemäß CCITT-Empfehlung mindestens acht Halbtöne sicher unterscheiden können; gute Geräte lösen 12 oder gar 16 Graustufen auf. In der nachfolgenden Elektronik wird das vom Abtaster gelieferte Signal in Töne umgewandelt. Diese Einrichtung arbeitet ähnlich wie die vom Fernschreiben her bekannte AFSK (Audio Frequency Shift Keyer) und wird in der FAX-Terminologie als 'Tontaste' bezeichnet /1/. Die Töne werden dann der eigentlichen Sendeeinrichtung zugeführt, die sie auf einen hochfrequenten Träger aufmoduliert und zum Empfänger hin überträgt. Im Telefax-Betrieb über Funkstrecken werden im wesentlichen zwei unterschiedliche Modulationsarten angewandt. Amplitudenmodulation (AM) wird vor allem im Amateurfunk auf UKW sowie für Bildsendungen von Satelliten (z.B. METEOSAT) benutzt. Dabei wird ein 'Hilfsträger' von 1900 Hz bzw. 2400 Hz in der Tontaste mit der Bildinformation amplitudenmoduliert. Hierbei ist eine große Amplitude dem Farbton 'schwarz' und niedere (bzw. keine) Modulation der Farbe 'weiß' zugeordnet. Das Verfahren ist hinreichend unabhängig vom Doppler-Effekt und wird deshalb gerne im Satellitenfunk benutzt. Auf Kurzwelle und im Längstwellenband wird aus Gründen der Resistenz gegen Störungen (QRM, QRN) und Fading-Effekte (QSB) hauptsächlich mit Frequenzumtastung bzw. Frequenzmodulation (FM) gearbeitet. Und das funktioniert folgendermaßen: Der Sender arbeitet auf einer gedachten Mittenfrequenz, die dem Farbton 'grau' zugeordnet ist. Auf Kurzwelle ist nun der Farbe 'schwarz' eine um 400 Hz tiefere, der Farbe 'weiß' eine um 400 Hz höhere Frequenz zugeordnet. Der Gesamthub beträgt im Kurzwellenbereich also 800 Hz. Sendungen im Längstwellenbereich werden mit einer Shift von ±150 Hz ausgestrahlt, wobei wiederum der niedrigere Ton der Farbe schwarz, der höhere der Farbe weiß zugeordnet ist. Der Gesamthub beträgt hier also ±150 Hz. Im Amateurfunk kann auf Kuzwelle ein einfacher SSB-Sender benutzt werden, an dessen Mikrophoneingang die FM-Tontaste angeschlossen wird. Im oberen Seitenband ist, wie sicherlich bekannt, die erzeugte Hochfrequenz proportional zur Modulationsfrequenz. Wird eine Tontaste eingesetzt, die für schwarze Bildelemente 1500 Hz und für weiße 2300 Hz erzeugt, so entspricht das ausgesendete Signal der CCITT-Empfehlung. Auf der Empfangsseite wird das Signal demoduliert und das gewonnene NF- Signal, d.h. der Hilfsträger einem nachgeschalteten Konverter zugeführt. Je nach Betriebsart extrahiert dieser aus dem amplituden- oder frequenzmodulierten Hilfsträger die Bildinformation und führt sie der Empfangsmaschine zu. In der Empfangsmaschine dreht sich wiederum eine mit Papier bespannte Trommel und zwar mit genau der gleichen Drehzahl wie auf der Sendeseite. Die vom Konverter gelieferten Bildimpulse aktivieren in der Empfangsmaschine eine Schreibeinrichtung, die ihrerseits das Papier beschreibt. Da nun sowohl der Abtaster im Sender als auch die Schreibeinrichtung im Empfänger synchron laufen, und der Schreiber an den Stellen, an denen das Original schwarz ist, Farbe zu Papier bringt, entsteht im Empfänger ein 'Faksimile' des Originals. Daher kommt auch der Name dieser Übertragungsart. Die Drehzahlen der Sende- und Empfangstrommeln müssen sehr genau übereinstimmen. Bei geringfügigen Abweichungen erscheint das Bild als eine Art Parallelogramm verzerrt; bei gravierenden Abweichungen ist der Bildinhalt meist nicht mehr erkennbar. Die absolute Lage beider Trommeln muß vor der eigentlichen Bildübertragung durch das sogenannte Einphasen in Übereinstimmung gebracht werden. Zu diesem Zweck strahlt der Sender am Übertragungsbeginn sogenannte Phasenzeichen aus, an Hand derer die Empfangsmaschine erkennen kann, wo das eingespannte Papier im Sender beginnt. Als Phasenzeichen wird 95% der Zeit eines Trommelumlaufs schwarz gesendet. Dort, wo sich der weiter oben erwähnte 'Einspannschlitz' an der Trommel befindet wird für die restlichen 5% der Weiß-Pegel gesendet. Die empfangende Maschine kann so feststellen, wo sich auf der Sendeseite die Einspannvorrichtungen und damit die Blattränder befinden und die Trommellage entsprechend justieren. Während der Übertragung werden keine weiteren Synchronisationszeichen übertragen. Das bedeutet, daß die Sende- und Empfangsmaschine ziemlich lange, also ungefähr 30 Minuten lang, absolut synchron laufen müssen. Dies macht eine elektronische Quarzzeitbasis für den Antrieb der Maschinen unabdingbar notwendig. Kommerzielle Stationen übertragen zusätzlich vor und nach dem eigentlichen Bild an Stelle der Bildinformation einen Signalton, um quasi-automatischen Betrieb beim Empfänger zu ermöglichen. Diese Technik heißt anschaulich Automatic Picture Transmission (APT) also 'automatische Bildübertragung'. Die Frequenzen der APT-Signale sind genormt. Man unterscheidet zwei sogenannte Starttöne: 300 Hz zeigt an, daß das folgende Bild mit Modul 576 gesendet wird, der Startton 675 Hz signalisiert ein folgendes Bild mit Modul 288. Der Stopton mit 450 Hz wird nach dem Bildende ausgesendet. Manche Stationen, vor allem Pressedienste, senden auch Stop-Töne von 200 Hz, wenn der Bildinhalt viele Anteile an 450 Hz enthält. So werden Fehlauslösungen vermieden. Die Start- und Stoptöne werden rechteckförmig moduliert und haben eine Toleranz von ca.1%. Die Signaltöne werden gewöhnlich 5 Sekunden lang gesendet. Schauen wir uns nun an, wie wir einen Computer zum Empfang von Faksimile- Bildern benutzen können, und wie so ein Bild dort eigentlich hineinkommt. An sich stellt sich letztere Frage zuerst. Wie wir bereits erfahren haben, können Bilder sowohl frequenzmoduliert als auch amplitudenmoduliert übertragen werden. Die FM-Sendearten entsprechen hierbei F1C bzw. F3C für Trägersender ohne Hilfsträger und J2C bzw. J3C bei SSB-Empfang und Ausgabe des frequenzmodulierten Hifsträgers. In den AM-Betreibsarten wird der amplitudenmodulierte Hilfsträger in den Sendearten F2C und F3C übertragen. Klingt ziemlich kompliziert, nicht wahr? In der Praxis, vor allem im Amateurfunk, läuft es fast immer darauf hinaus, einen niederfrequenten Hilfsträger auszuwerten. Dazu gibt es zwei Möglichkeiten. Zum einen die Demodulation direkt im Computer, zum anderen die Benutzung eines seperaten Konverters, so, wie dies beim Fernschreiben der Fall ist. Für die direkte Demodulation durch den Computer kommt eigentlich nur die FM-Auswertung mit Hilfe eines einfachen Zähldiskriminators in Frage. Dazu wird das NF-Signal begrenzt und als digitales Signal einem I/O-Port des Zielrechners zugeführt. Dieser mißt die Zeit zwischen den Nulldurchgängen der Eingangssignals, bestimmt aus der Periodendauer durch einfache Kehrwertbildung die dazugehörende Modulationsfrequenz und legt an Hand eines oder mehrerer Schwellwerte den zur Eingangsfrequenz gehörenden Grauwert fest. Die Methode hat den klaren Vorteil, daß sie fast ohne zusätzliche Hardware auskommt. Sie hat jedoch zwei entscheidende Nachteile. Zum einen ist der Zähldiskriminator in erheblichem Maße anfällig gegen Störsignale, auch gegenüber solchen, die außerhalb der eigentlichen Nutzbandbreite liegen. Außerdem können durch die eingangsseitige Begrenzung, d.h. der Digitalisierung, impuls- bzw. burstartige Störungen zu 'Fehlzählungen' führen, die vor allem bei analoger Halbtonübertragung sofort als fehlerhafte Farben oder Grauwerte sichtbar werden. Das Bild erscheint dann durch 'Störpunkte' gesprenkelt. Diese Effekte können nur durch vergleichsweise hohen Aufwand in der Software, z.B. durch mehrfache Integration, gleitende Mittelwertbildung und andere Glättungsverfahren eliminiert werden. Jedoch steigt dadurch die Belastung des Prozessors wieder an, der, wie wir gleich sehen werden, genug mit dem Bildaufbau zu tun hat. Aus diesen Gründen sind die sogenannten 'reinen' Softwarelösungen im praktischen Einsatz denjenigen eindeutig unterlegen welche getrennte Konverter benutzen. In einschlägigen Publikationen /1/ und /2/ sind mehr oder minder aufwendige Konverter beschrieben worden. Vor allem mit dem in /1/ beschriebenen modifizierten SSTV-Demodulator (DJ6HP-009) lassen sich im FAX-Betrieb sehr brauchbare Ergebnisse erzielen. Kommerziell gefertigte FAX-Konverter sind zum Beispiel in den Fertig-Geräten FAX-1, PK-232 und KAM enthalten. Weiterhin können AFUSOFT-Konverter NFXK/NFXS, LFPC und MPSK eingesetzt werden. Der Ausgang des Konverters liefert dann die Bildinformation in Form digitaler Signale, die vom Computer übernommen und weiter verarbeitet werden können. Die 'Digitalschnittstelle' ist besonders für Graphikbilder im Amateurfunk- und Wetterdienst recht gut geeignet. Zum Einlesen analoger Signale in den Computer bietet sich ein Analog-/Digitalwandler mit anschließender serieller Schnittstelle an. Die Halbtöne werden dort umcodiert und dem Computer über die serielle Schnittstelle zugeführt. Im Computer wiederum ersetzt der Halbleiterspeicher die rotierende Trommel der Fax-Maschine. Der Speicher wird dabei als rechteckiges Feld in der Art eines Schachbretts organisiert, dessen Felder die Bildpunkte oder 'Pixel' bilden. Das Wort 'Pixel' steht hierbei für den englischen Begriff 'Picture Element' und wird im folgenden Text synonym zum deutschen Begriff 'Bildpunkt' benutzt. Wir kommen hier zu einem grundlegenden Unterschied zur mechanischen Faksimile-Maschine. Wenn bei dieser ein konstanter 'Schwarzpegel' anliegt, so zieht die Schreibeinrichtung einen ununterbrochenen Strich, der sich schraubenförmig um die Trommel windet. Der Computer hingegen muß das Bild horizontal wie vertikal in Einzelpunkte eben jenen Pixeln auflösen. Charakteristisch für Faksimile ist die hohe Auflösung des übertragbaren Bildes. Konventionelle Fax-Abtaster arbeiten mit Zeilenabständen von 1/105 Zoll (ca. 0.25 mm) bei einem Modul von 288; bei feinerer Abtastung, d.h. bei Modul 576 reduziert sich der Zeilenabstand sogar auf die Hälfte. Setzen wir voraus, daß der horizontale Punktabstand gleich dem vertikalen Zeilenabstand sein soll, so gilt die Beziehung b = M * pi (1) Wir erhalten somit für ein Modul von 288 eine Mindestauflösung von 905 Punkten je Zeile. Die nächsthöhere programmiertechnisch nutzbare Zahl wäre 960. Welche Zeit benötigen wir nun, um zum Beispiel eine DIN A4-Seite zu übertragen? Nun, Das Seitenverhältnis beträgt S = 1/sqrt(2) (2) wir benötigen somit 960 * 2, also ca. 1360 Zeilen. Diese können bei einer Trommeldrehzahl von 120 U/Min in ungefähr 11 Minuten ausgesendet werden. Eine wichtige Kenngröße bei der Übertragung ist die Bildfrequenz, bzw. die Zeitdauer die zur Übertragung eines Bildpunktes (Pixel) benötigt wird. Gehen wir von einer Trommeldrehzahl von n = 120 1/Min, was also zwei Zeilen pro Sekunde entspricht und einer horizontalen Punktdichte von 960 Pixel aus, so errechnen wir die Zeitdauer eines Pixel zu 520 µsec. Nehmen wir nun an, daß im schlimmsten Falle jeweils schwarze und weiße Pixel aufeinanderfolgen, so beträgt die maximale 'Bildfrequenz' laut nachstehender Formel ca. 960 Hertz. n b Die benötigte Bandbreite der Aussendung hängt vom verwendeten Übertragungsverfahren ab. Gehen wir von der üblicherweise auf Kurz- und Längstwellen verwendeten Frequenzmodulation bzw. Frequenzumtastung aus, so beträgt die belegte Bandbreite B = 2 * (fHub + fB) (4) Bei Kurzwelle wird dabei eine Hilfsfrequenz zwischen den Eckfrequenzen 1500 Hz und 2300 Hz im Rhythmus der Bildinformation hin- und hergetastet. Der einfache Frequenzhub beträgt somit 400 Hz. Hieraus folgt unter Annahme obiger Werte eine Bandbreite von ca. 2700 Hz, was mit einem handelsüblichen Kurzwellenempfänger mit Quarzfilter noch gut zu beherrschen ist. Mit steigender Trommeldrehzahl und mit höherer Auflösung (bzw. höherem Modul) steigt die Bandbreite des Nutzsignals entsprechend linear an. Aus diesem Grunde ist es wenig sinnvoll, die horizontale Punktauflösung übermäßig zu steigern. Folgende Tabelle gibt den Bandbreitenbedarf für einige charakteristische Übertragungsparameter an:
Bei Satellitenverbindungen wendet man gewöhnlich Zweiseitenband-Amplitudenmodulation an. Hier wird das Bildsignal auf einen Hilfsträger von 1900 Hz oder auch 2400 Hz moduliert. Die Bandbreite ist hierbei proportional zur Bildfrequenz. B = 2 * fB (5) Bei unserem obigen Beispiel benötigen wir zur Übertragung eine Bandbreite von ca. 2000 Hz. Faksimile können mit oder ohne Graustufen gesendet und empfangen werden. Man spricht bei Graustufen- bzw. Halbtonübertragung gerne auch von 'Photofax'. Letztere Betriebsart wird zum Beispiel bei Pressediensten verwendet. Bei FM in Photofax wird nicht zwischen den Eckfrequenzen hin- und hergeschaltet sondern kontinuierlich moduliert. So ist der 'Mittenfrequenz' von 1900 Hz dem Halbton Grau zugeordnet. Beide eben beschriebene Verfahren setzen neben einem UKW- oder Kurzwellentransceiver noch eine Anpaßschaltung, also den Konverter voraus, die aus dem amplituden- oder frequenzmodulierten Tonsignal die für den Computer verwertbare Digitalinformation erzeugen. Zu diesem Zweck wurde von AFUSOFT eine ganze Familie an Konverterschaltungen entwickelt. Der NFXK ist das einfachste Gerät dieser Familie. Der NFXS wurde von Jürgen Gohlke, DL7OU entwickelt und ist für reinen schwarz/weiß-Empfang, also ohne Graustufen, ausgelegt. Der NFXK gibt ein V.24-kompatibles Binärsignal ab, das die Schwarz/weiß-Wechsel anzeigt. Der NFXS enthält das passende Sendeteil, also die AFSK, die aus einem binären Eingangssignal wieder einen geschalteten Ton macht. Der NFXS enthält weiterhin eine Taststufe mit einem Relais, so daß er auch zum Selbstbau einer RTTY-Station ideal ist. MPSK steht für 'modularer, prozessorgesteuerter Standardkonverter'. Er ist sowohl für schwarz/weiß- als auch für Graustufenübertragung ausgelegt. Der MPSK wird zum Betrieb zwischen das Funkgerät und den Computer geschaltet. Dabei wird der Lautsprecher- oder NF-Ausgang mit dem NF-Eingang des MPSK verbunden. Von dort gelangt das Signal über die analog arbeitende Eingangsschaltung zum Mikroprozessor. Dieser steuert und überwacht die Signalaufbereitung. Unter Kontrolle des gespeicherten Programms wird die Frequenz des Eingangssignals bestimmt. Die Frequenzinformationen werden über in der Software verankerte Filter weiter aufbereitet und über eine programmierbare Tabelle in 16 Klassen wie in 'Schubladen' aufgeteilt. Jedem dieser 'Schubfächer' ist ein Grauwert zugeteilt, der digital codiert und dem nachgeschalteten Computer mitgeteilt wird. MIN -f 0 +f MAX Eine Besonderheit stellt die sogenannte 'Automatic Range Control' (ARC) dar. Diese Bereichssteuerung überwacht permanent das Eingangssignal und regelt den Auswertebereich so, daß auch unstabile Eingangssignale, zum Beispiel durch 'laufende' VFO bedingt, nicht zu unerwünschten Kontrastverschiebungen führen. Angeschlossen kann praktisch jeder Computer, der über eine serielle Schnittstelle verfügt und über graphische Ausgabemedien verfügt. Moderne Rechner wie IBM PC, -AT und kompatible genau so wie ATARI ST-Computer und COMMODORE AMIGA. Mit einer geeigneten Schnittstellenkarte könnte selbst ein C64 benutzt werden, da die Echtzeitverarbeitung des NF-Signals im MPSK erfolgt. Der Computer kann den MPSK in praktisch allen Funktionen fernsteuern. Dazu wurde ein besonderes Schnittstellenprotokoll entwickelt, das die transparente Übertragung von Echtzeit-Bilddaten und Steuerinformationen ermöglicht. Die Übertragung erfolgt in Form serieller, asynchroner acht-Bit-Daten mit einer Datenrate von 19200 Baud. Umgekehrt werden die Sendedaten vom Computer zum MPSK in Form serieller Datenpakete geschickt und über eine wiederum programmierbare Tabelle in Tonfrequenzen umgewandelt. Die Tonsignale werden in den Mikrophoneingang des Funkgerätes eingespeist. Das folgende Blockbild zeigt den internen elektrischen Aufbau des MPSK. Mit Ausnahme des Bedienfeldes und des 'Option Boards' sind alle Komponenten auf der Hauptplatine untergebracht.
Zentrale Komponente des MPSK ist der 8-Bit-Ein-Chip-Mikroprozessor vom Typ INTEL 8032. Der Prozessor gehört zu der Familie der INTEL-Prozessoren 8031/8051. Er ist speziell für Steueraufgaben vorgesehen und besitzt deshalb lediglich einen eingeschränkten Befehlssatz. Dafür ist die Ausführungsgeschwindigkeit entsprechend hoch. Der LFPC ist der Jüngste Sproß der AFUSOFT-Konverterfamilie. Er wurde rechtzeitig zur INTERRADIO 1989 der Öffentlichkeit vorgestellt. Der LFPC stellt sozusagen die 'Economy'-Version des MPSK dar. Dabei wurde großen Wert auf Preiswürdigkeit und Qualität gelegt. Im Speziellen wurde auf Erweiterungsmöglichkeit durch Option-Boards und OSM-Software verzichtet. Hierdurch konnte sowohl die Hardware als auch die Betriebssoftware entsprechend optimiert werden. Der LFPC wird als Fertigmodul ohne Gehäuse geliefert, so daß er einfach in bestehende Systeme integriert werden kann. In jüngster Zeit sind einige ernstzunehmende Faksimile-Programme für Mikrocomputer auf den Markt gekommen. Sie sind jedoch teilweise nur bedingt einsetzbar, da nur moderne Rechner die notwendige Speicherkapazität besitzen und der Bildempfang beim Programmierer gute Kenntnisse in Echtzeitprogrammierung voraussetzt. Gehen wir zur Abschätzung des Speicherbedarfs eines Fax-Bildes einmal davon aus, daß jeder Bildpunkt entweder genau schwarz oder weiß dargestellt wird. So kann man diesen in jeweils einem Bit im Computerspeicher codieren. Bei acht Bit pro Byte benötigt man zur Speicherung dieses Bildes ungefähr 160 kByte. Bei Bildern, die in Graustufen übertragen werden, müssen je nach Anzahl der Halbtöne ein Vielfaches an Bit zur Codierung herangezogen werden. Die Anzahl der zur Codierung benötigten Bit errechnet sich wie folgt: NBit = ld n (6) So können beispielsweise mit vier Bit bis zu sechzehn Graustufen oder Halbtöne codiert werden. Der oben angegebene Speicherbedarf für ein DIN A4-Bild mit 16 Graustufen beträgt also ca. 640 kByte, Grund genug, sich einen entsprechend großen Computer anzuschaffen. Bis vor kurzer Zeit war es mit amateurmäßigen Mitteln praktisch noch nicht möglich, derartige hochauflösende Bilder zu speichern. So haben einfache Computer-Faxprogramme noch immer Probleme mit der Verwaltung und der Speicherung derartiger Datenmengen. Aber auch die Darstellung auf dem Bildschirm erscheint problematisch. Zur in der Praxis brauchbaren Darstellung eines Fax-Bildes kann man nieder auflösende Bildschirme (320 * 200) nur dann verwenden, wenn, wie bei entsprechend aufwendigen Programmen, mit Ausschnittvergrößerungen und Panning gearbeitet wird. Als drittes Problem seien die Echtzeitanforderungen zu nennen, da ja wie oben erwähnt, alle 500 µsec ein neues Pixel ankommt und verarbeitet werden muß. Wie stellen wir Faksimile-Bilder nun dar. Bedingt durch den technologischen Fortschritt und dem fast schon inflationär zu nennenden Preisverfall bei Halbleiterspeichern stehen uns heute Rechner mit ausreichender Graphik-Auflösung zur Verfügung. Im kommerziellen Einsatz sind Schirme mit 1500*1000 Punkte in Farbe verfügbar, die zumeist aus der CAD-Technik stammen. Diese stehen auf Grund des hohen Preises für den Einsatz im Shack praktisch nicht zur Diskussion. Für Amateuranwendungen sind trotzdem sehr gute Bildauflösungen bei graphikfähigen Personalcomputern erhältlich. Stand der Technik sind horizontale Auflösungen von um die 800 Punkten bei 600 Zeilen, je nach Computertyp und verwendetem Grahiksystem. Dabei haben monochrome (d.h. Schwarz/weiß-) Monitore gewöhnlich eine höhere Auflösung und höhere Punktdichten als Farbsysteme. Wir werden später noch auf die Möglichkeit der Halbtondarstellung auf rein monochromen Bildschirmen zu sprechen kommen. Unabhängig davon läßt sich normalerweise ein FAX-Bild in der beschriebenen Auflösung nicht vollständig auf preiswerten Bildschirmen darstellen. Was bleibt also zu tun? Das einfachste Verfahren ist, das Bild in gedachte Teilbilder einzuteilen und vor Empfangsbeginn vorzuwählen, welches Teilbild man sehen möchte. Das Programm übernimmt die Bildinformation erst ab einer bestimmten Zeile bzw. horizontal nur einen Teilbereich. Im praktischen Einsatz ist dieses Verfahren jedoch zu unflexibel, da nicht das ganze Bild angesprochen werden kann, und dadurch die Wahl des Bildausschnitts meist zum Ratespiel wird. Beim zweiten Verfahren vermindert der Computer künstlich die Auflösung, in dem er horizontal nur einen Teil der Punkte abtastet und vertikal Zeilen überspringt. Wird das Bild auf diese Weise um den Faktor drei 'zerkleinert' so paßt es zumindest horizontal auf den Schirm. Wie man sich allerdings leicht vorstellen kann, geht dabei viel Information verloren, so daß das Bild eine vergleichsweise schlechte Lesbarkeit aufweist. Besser ist es, benachbarte Bildpunkte zusammenzufassen und das Gesamtbild auf diese Weise zu verkleinern. Wir müssen dabei allerdings ein gewisses Augenmerk auf das Zusammenfassungs-Verfahren, den Algorithmus werfen. Einfaches Überlagern im Sinne einer logischen ODER-Verknüpfung (also einmal schwarz, immer schwarz) führt zu einer Bevorzugung 'hoher' Farbnummern und damit zu einem 'übersättigten', dunklen Gesamteindruck. Besser geeignet sind Integrations- bzw. Majoritätsverfahren die aus der maschinellen Bildverarbeitung her bekannt sind /8/. Das dritte und gleichzeitig auch flexibelste Verfahren setzt Computer mit ausreichend hoher Speicherkapazität voraus. Hier wird das Bild in seiner vollen Auflösung im Speicher abgelegt und in einer Art von Fensterfunktion als Teilbild in voller Auflösung auf den Schirm gebracht. Man kann nun dieses Fenster wie eine Lupe über den viel größeren, virtuellen Bildspeicher verschieben um sich alle Details in voller Auflösung anzusehen. Man bezeichnet dieses Verfahren auch mit dem englischen Begriff 'Panning', der aus der CAD-Programmierung stammt. Durch Panning erreicht man zwar höchste Detailtreue auf dem Bildschirm, vermißt jedoch manchmal die Gesamtansicht, um sich einen Eindruck größerer Strukturen zu verschaffen. Aus diesem Grund ist es sinnvoll, das 'Panning' mit oben genannter Verklei- nerungsfunktion bzw. 'Zoom' zu kombinieren. Das dritte Verfahren zeigt vor allem seine Stärke dann, wenn ein bereits empfangenes Bild nachbearbeitet werden soll. Die allereinfachste Nachbearbeitung ist das 'manuelle Nachphasen'. Nehmen wir einmal an, wir haben unseren Empfänger auf eine fremde Station eingestellt deren Sendung bereits läuft. Da wir unseren Empfänger völlig asynchron zum Sender gestartet haben, schreiben wir das Bild horizontal verschoben in den Bildspeicher ein. Das Bild erscheint sogar richtig verdreht, da sich der sogenannte 'Schwarzbalken', der durch die bereits erwähnte Einspannvorrichtung auf der Sendeseite verursacht wird, nicht am Rand des Bildes, sondern irgendwo in seiner Mitte befindet. Rechts davon wird dann der Bildanfang geschrieben; der Bildinhalt ist zwar in den meisten Fällen erkennbar, aber schön sieht es nicht gerade aus. Manche Programme lassen es zu, die Phasenlage während des Empfangs per Knopfdruck schrittweise zu verändern um so den Schwarzbalken an den Bildrand zu schieben. Aber dadurch geht noch mehr vom ohnehin zu knappen Bildinhalt verloren. Wir sind jedoch aus dem Schneider, wenn wir das Bild wie beschrieben in den Speicher laufen lassen und nach dem Empfang das gesamte Bild im Speicher horizontal verschieben und damit justieren. Programmiertechnisch ist dieses Verschieben sehr einfach durch einen Speichertransfer zu lösen, wobei die Lage des Schwarzbalkens mittels Cursor oder Maus bequem einzugeben ist (z.B. /3/). Aus der Lage des Schwarzbalkens kann nun Start- und Zieladresse für den Transfer leicht berechnet werden. propos Nachbearbeitung: Oftmals ist es interessant, empfangene Bilder aufzubereiten, zum Beispiel um Fehlstellen nachträglich zu verbessern oder Bildinhalte gezielt zu verändern. Für moderne, graphikfähige Mikrorechner stehen zumeist eine ganze Palette sogenannter Zeichen- und Malprogramme zur Verfügung (zum Beispiel /6/ und /7/). Die Programmierung der Dateikonvertierung bzw. des Transfers setzt jedoch die Kenntnis der internen Struktur der Bilddateien derartiger Programme voraus. Naturgemäß sind sie ähnlich organisiert wie unser oben beschriebener Bildspeicher, allerdings meist mit einer auf das Bildschirmformat beschränkten und damit reduzierten Auflösung. Zusätzliche Erleichterung bieten Zoom- und Pan-Funktionen auch für den Dateibetrieb. Aber auch dies setzt voraus, daß das Empfangsprogramm den gesamten Bildinhalt zwischenspeichert. Eine der wichtigsten Punkte des Bildempfangs ist selbstverständlich der Ausdruck ('Hard Copy') des empfangenen Bildes. Mikrocomputer-Systeme benutzen dazu häufig bereits vorhandene graphikfähige Matrixdrucker. Bei diesen wird ein Druckkopf mit 8, 9 oder auch 24 Nadeln mit Hilfe eines Schrittmotors an Endlospapier entlang bewegt. Der Computer bereitet die Druckdaten auf und schickt sie in Form von sogenannten 'Einzelnadel'- Befehlen zum Drucker. Diese Befehle veranlassen den Drucker mit seinen Drucknadeln Punkte auf das Papier zu drucken. Und aus diesen Punkten setzen sich dann Linien und Flächen zusammen. Doch gerade hier gibt es ziemlich große Qualitätsunterschiede bei verschiedenen Ansteuerungsverfahren. Drucker ist nämlich nicht immer gleich Drucker. Auf dem Markt haben sich im wesentlichen zwei beinahe kompatible Steuerverfahren durchgesetzt. Zum einen gibt es den von EPSON propagierten ESC/P-Standard, zum anderen den der Firma IBM. Beide Standards sind in etwa gleichwertig, weisen jedoch ausgerechnet im Graphikbetrieb Inkompatibilitäten auf, die durch den steuernden Computer beachtet werden müssen, damit der Druck mit unterschiedlichen Systemen möglich ist und gleiche Resultate bringt. Die Differenzen liegen in der unterschiedlichen Interpretation von bestimmten Vorschub- Befehlen, wobei durch sorgfältige Programmierung jedoch dafür gesorgt werden kann, daß sowohl EPSON- als auch IBM-kompatible Drucker eingesetzt werden können. Zu beachten ist außerdem, daß verschiedene Drucker , bedingt durch die Geometrie der Druckköpfe sowie der kleinsten programmierbaren, horizontalen Schrittlängen unterschiedliche horizontale Verzeichnungen hervorrufen. Dies führt zu sichtbaren Unterschieden in der erzielbaren Druckqualität bei unterschiedlich gebauten Fax-Programmen. Vor allem satter Flächendruck und 'ungerasterte' Linien sind hier das Problem. Und noch ein weiterer Aspekt bei Nadeldruckern. Gewöhnlich sind diese zur Ausgabe reiner schwarz/weiß-Graphiken sehr gut geeignet. Halbtonbilder hingegen sind ohne zusätzliche Maßnahmen praktisch nicht darstellbar. Eine gute Lösung dieses Problems wird durch die Auflösung von Halbtönen in Flächenschraffuren ('Shading' bzw. 'Dithering') erzielt. Dabei wird bei jedem Pixel an Hand seiner absoluten Lage im Bild entschieden, ob es schwarz oder weiß dargestellt werden soll. Das Verfahren benutzt dazu eine Tabelle oder 'Matrix', die die Sättigung festlegt. Durch geeigneten Aufbau dieser Matrix können kontrastreiche Drucke praktisch in Zeitungsqualität erzielt werden. Das Verfahren eignet sich auch zur Ausgabe von Halbtonbildern auf monochrom-Bildschirmen, wodurch je nach Betrachtungsabstand der Eindruck eines hochauflösenden Halbtonbilds entsteht. Selbstverständlich ist dies nur ein, wenn auch guter, Kompromiß; die Ausgabe auf einem farb- bzw. grauwerttauglichen Monitor ist vorzuziehen. Farbmonitore als Ausgabegerät für FAX-Bilder erlauben ferner eine für Satellitenaufnahmen im Infrarotbereich sinnvolle Darstellung in Falschfarbentechnik. Hierzu werden die darstellbaren Halbtöne in ein Spektrum von Farben aufgelöst. In unserem Beispiel /3/ können den sechzehn darstellbaren Halbtönen die Farben Rot (für Halbtöne nahe weiß) über Gelb und Grün bis Blau (für Halbtöne nahe schwarz) zugeordnet werden. Hierdurch werden die Kontraste zwischen benachbarten Halbtöne extrem verstärkt und vorher nicht sichtbare Konturen deutlich hervorgehoben. Für andere Halbtonbilder, vor allem für verrauschte, ist diese Darstellung nicht empfehlenswert, da sich die erzielte Kontrastüberhöhung eher störend bemerkbar macht. Aus diesem Grund erscheinen Halbtonbilder auch um so schärfer je mehr man sie (selbstverständlich in bestimmten Grenzen) verkleinert. Dies hat als Ursache, daß, geeignete Algorithmen vorausgesetzt, über die Integration benachbarter Punkte ein 'Bildstapelungseffekt' (/8/) eintritt, der den sichtbaren stochastischen Rauschanteil reduziert. Allerdings versagt dies sofort, wenn es um die Erkennung kleiner Einzelheiten (Linien, Punkte, Beschriftungen) geht. Wir sehen auch hier wieder den Kompromiß zwischen hoher Bildauflösung und der Übersichtlichekeit der Darstellung. Wir haben gesehen, wie moderne, graphikfähige Mikrorechner für klassische Funkbildübertragungsverfahren nutzbringend angewandt werden können. Die Ideen dazu sind nicht neu. Seit 1977 beschäftigen sich Funkamateure der Arbeitsgemeinschaft Mikrocomputer im DARC mit der Technik der Bildverarbeitung mit Mikrorechnern. Aber erst in jüngster Zeit sind für den Durchschnittsamateur erschwingliche Rechner verfügbar geworden, die speicher- und prozessorintensiven Aufgaben aus der maschinellen Bildverarbeitung sicher bewältigen können. Und erst jetzt sind zuverlässige Programme erhältlich, die den Anforderungen des praktischen Einsatzes gewachsen sind. Die Entwicklungen in der Bildverarbeitung im Amateurfunk ist mit den in diesem Beitrag beschriebenen Möglichkeiten längst nicht zu Ende. Ich glaube, wir können mit Recht auf die zukünftigen Entwicklungen gespannt sein. Literatur/1/ Schalk, H-J., DJ8BT; "Fax für Einsteiger"; DARC-Verlag, Baunatal /2/ Pietsch, H-J., DJ6HP "KW-Amateurbildfunk, SSTV und FAX"; RPB 154; Franzis-Verlag München /3/ Franke, E.H., DK6II;" AFUSOFT Radiofax ST"; Verlag AFUSOFT, Eisingen /4/ Klingfuss,J; "Guide to Facsimile Stations"; 7th Edition; Klingfuss Publications, Tübingen /5/ Steinbuch,K; "Nachrichtentechnik"; Rupprecht,W; Springer-Verlag, Berlin /6/ Hudson, Tom; "D.E.G.A.S Graphic Editor for ATARI ST"; Batteries Included Inc. /8/ Kazmierczak,H; "Erfassung und maschinelle Verarbeitung von Bilddaten"; Universität Karlsruhe
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