DE2917975C2 - Verfahren zur digitalen Übertragung eines PAL-Signals - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein derartiges Verfahren ist aus der DE-OS 25 21 288 bekannt

Zur theoretisch unverzerrten digitalen Übertragung, wobei von den Quantisierungsverzerrungen abgesehen ist, muß die sogenannte Nyquist-Bedingung eingehalten sein, d. h. die Abtastfrequenz muß zumindest doppelt so groß sein wie die höchste im Signal vorkommende Frequenz. Dies kann zu Bitraten führen, die nur schwer zu verarbeiten sind, wie z. B. bei der magnetischen Bildaufzeichnung. Es besteht deshalb das Bestreben, die Bitrate möglichst weit zu verringern. Bei dem eingangs erwähnten, bekannten Verfahren wird zu Bitratenverringerung senderseitig das zusammengesetzte PAL-Signal über ein TiefpaESlter übertragen und anschließend in einem AD/Wandler digitalisiert Dabei wird das gefilterte PAL-Signal mit dem Zweifachen der Farbhilfsträgerfrequenz abgetastet, wobei die Abtastzeitpunkte auf den Phasen 135° und 315° der Chrominanzbzw. i/-Komponente liegen. Am Ausgang des AD/Wandlers liegt dann das zusammengesetzte PAL-Signal in digitaler Form vor. Vor der Übertragung des zusammengesetzten PAL-Signals über das Tiefpaßfilter können diejenigen Frequenzkomponenten ausgesiebt werden, welche ganzzahlige Vielfache der halben Zeilenfrequenz sind und im Frequenzbereich /j— f, liegen, wobei f, die Abtastfrequenz vsd f_v die Frequenz der höchsten Frequenzkomponente des analogen PAL-Signals ist

Mit einer solchen »geschlossenen« Codierung des zu übertragenden PAL-Signals können bei der Signalverarbeitung und insbesondere bei der Vollbildspeicherung Schwierigkeiten auftreten, da die Abtastfrequenz ein Doppeltes der Farbhilfsträgerfrequenz und damit kein Vielfaches der Vollbildfrequenz ist. Bei den Signalmanipulationen, wie z. B. in Trickgeräten, muß dauernd auf die Farbträgerphase Rücksicht genommen werden, was kostspielige Logiken zur Folge haben kann. Auch stehen die Signale Y, U und V digital nicht getrennt zur Verfügung, was z.B. wichtig ist, wenn an ein »SECAM-Land« in digitaler Form die Komponentensignale Y, U, Kabgegeben werden sollen oder wenn sie aus einem SECAM-Land empfangen werden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht demgemäß darin, bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art die Signalverarbeitung und -speicherung zu vereinfachen und die Kompatibilität mit dem SECAM-System zu verbessern,

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs I gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des Verfahrens nach Anspruch 1 ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt eine »offene« Codierung oder Komponentenkodierung, d. h.

eine Aufspaltung des analogen PAL-Signals in die Leuchtdichte- und die Chrominanzkomponente vor der digitalen Codierung, Anschließend an diese Aufspaltung wird die Chrominanzkomponente zeilenweise demoduliert, um in der einen Zeile die Signalkomponente U + V und in der nächstfolgenden Zeile die Signalkomponente U-V zur Verfügung zu haben. Diese Signalkomponente U ± Wird ebenso wie die Leuchtdichtekomponente K gesondert digitalisiert und auf einem gesonderten Kanal digital übertragen. Die Abtastfrequenzen bei der Digitalisierung der erwähnten Komponenten sind frei wählbar und unabhängig von irgendwelchen Phasenbeziehungen; zweckmäßigerweise wählt man für die Abtastfrequenzen Vielfache der Horizontalfrequenz oder der VoIIbildfrequenz, um eine einfache Speicherung der digitalisierten Komponenten 2u erzielen. Ferner lassen sich die codierten Einzelkomponenten des PAL-Signals auf einfache Weise zu einem SECAM-Signal zusammensetzen und umgekehrt

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnungen näher erläutert Es zeigt:

B i 1 d 1 ein Blockschaltbild einer Einrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens, und

B i 1 d 2 Vektordiagramme für die U- und V-Komponenten eines PAL-Signals an verschiedenen Stellen der Einrichtung nach F i g. 1.

Bei der Einrichtung nach B i 1 d 1 wird das analoge PAL-FBAS-Signal über einen Tiefpaß 1 geführt Das danach vorhandene Signal Y enthält bis auf geringe Farbträgerreste nur noch Leuchtdichtekomponenten. Das Signal wird in der Stufe 2 vom FBÄS-Signal abgezogen. Danach sind im Signal C nur noch der Farbträger und die im Farbträgerfrequenzbereich befindlichen Leuchtdichtekomponenten Ym vorhanden. Das Signal C wird im Demodulator 3 mit einem Farbträgerzusatz 2 · sin(ßf + 135°) demoduliert, der, bezogen auf die U-Achse des PAL-Farbträgers, erfindungsgemäß die Phasenlage 135° hat (Ω = 2π fsc mit /se= PAL-Farbträgerfrequenz). Durch diese spezielle Phasenlage wird erreicht, daß sich am Ende sowohl der normgcnäße PAL-Farbträger — Erklärung erfolgt mit B i 1 d 2 — als auch die Leuchtdichtekomponenten für senkrechte Strukturen mit voller Bildbreite, d.h. Y+ Ym, rekonstituieren lassen. Am Ausgang des Demodulators 3 entstehen die Basisbandsignale, die hier so genannt werden, weil ihr Frequenzband bei Null beginnt. In der Zeile mit + V im PAL-Farbträger entsteht -(U- V) und in der Zeile mit — V im PAL-Farbträger entsteht -(U+ V). Die Bandbreite dieser Signale ist bereits bestimmt durch die Bandbreite so des Signals C. der nachfolgende Tiefpaß 4 hat somit nur noch die Aufgabe, unerwünschte Komponenten, die am Demodulatorausgang 3 vorhanden sind, zu unterdrücken, wie z. B. das Signal C selbst Der Ausgang des Tiefpasses 4 wird im Analog-Digital-Converter 5 (ADC) digitalisiert und der Ausgang des Tiefpasses 1 im ADC 6. Bei manchen Weiterverarbeitungen der digitalen Signale an den Ausgängen a und b wird es notwendig sein, alle Impulse seriell auf einer Verbindung zu übertragen, wie z. B. bei der Magnetaufzeichnung. Man m> wird deshalb die Abtastfrequenzen für die ADCs 5 und 6 vorzugsweise mit einem ganzzahligen Verhältnis wählen, weil dann die Verschachtelung der Impulse am einfachsten wird. Zu den vorangegangenen Erklärungen sollen nun als Beispiel einige Zahlenwerte genannt werden. Das PAL-FBAS-Signal habe z. B. eine Bandbreite von 5,5 MHz, was dem britischen Standard entspricht. Der Tiefpaß / schneidet bei 3 MHz ab. Dann liegt das Spektrum des Signals C zwischen 3 und 5,5 MHz, Im Demodulator 4 entstehen dann Frequenzen für die Signale -(U^V) von 0 bis 1,4 MHz, da die Differenzfrequenzen zum Farbträgerzusatz mit 4,43 MHz gebildet werden. Der Tiefpaß 4 wird etwa bei 3 MHz abschneiden. Das Signal -(U + V) wird mit 3 MHz abgetastet und das Signal Y mit 6 MHz. Beide Frequenzen wird man als Vielfache der Horizontalfrequenz oder zumindest als Vielfache der Vollbildfrequenz wählen, was für die Weiterverarbeitung sehr vorteilhaft ist Wenn man 8 Bit pro Bildpunkt annimmt, so ergibt sich an den Klemmen a und b eine Gesamt-Bitrate von 8 (6+3)=72 MBit/s. Dies ist beträchtlich weniger als die theoretische Bitrate von 8 χ 2 χ 5,5=88 MBit/s, die für das FBAS-Signal notwendig wäre. Man kann natürlich für B i 1 d 1 jede beliebige höhere Gesamt-Bitrate wählen.

An dem Ausgang b kann man mit Hilfe eines Laufzeitgliedes für eine Zeilendauer die Signale L/und V bilden, d. h. die Ausgänge a und b sind sehr gut zur Übergabe an ein SECAM-Land ψ' ;ignet Insgesamt erkennt man, daß an den Ausgängen a und b die genannten Nachteile des Devereux-Vertahrens vermieden sind.

Nach der Übertragung, die auch Manipulationen, wie z. B. in einem digitalen Trickgerät enthalten kann, werden die beiden Signale über die Eingänge c und d den beiden Digital-Analog-Convertern DAC 7 und 8 zugeführt, die die analogen Signale Kund -(UtV) liefern. Die zeilensequentielle SignaKolge -(U-V), -(U+ V), -(U-V) moduliert im Modulator 9 synchron, d. h. multiplikativ den Farbträgerzusatz sin(fli +135°). Das Ausgangsprodukt des Modulators wird direkt und über eine Verzögerung von exakt einer Zeilendauer τ zur Additionsstufe 11 geführt Am Ausgang von 11 sind der normgemäße PAL-Farbträger, gemäß B i 1 d 2, und die Leuchtdichtekomponenten Ym für senkrechte Strukturen unverzerrt vorhanden.

Die Rekonstitution des PAL-Farbträger-, soll nun mit B i 1 d 2 erklärt werden. Dazu ist es wichtig darauf hinzuweisen, daß die Verzögerung um eine Zeilendauer de·.* Zeiger für den verzögerten Farbträger um 90° im Gegenuhrzeigersinn verdreht relativ zum Zeiger des unverzögerten Farbträgers. Dies hängt mit der speziellen PAL-Farbträgerfrequenz zusammen.

In B i 1 d 2 stellt zunächst die Reihe Λ für die zeitlich aufeinanderfolgenden Zeilen 1, 2, 3 ... die normalen PAL-Farbträgerkomponenten U und V dar. Die Komponente U liegt auf 0° und die gestrichelt eingezeichnete Demodulationsachse auf 135°. Gemäß Reihe B sind nach dem Demodulator 3 die Signale -(U- V), -(U+ V)... vorhanden. Diese modulieren multiplikativ auf der Empfangsseite einen kontinuierlichen Farbträgerzusatz, der auf +135° liegt Die resultierenden Komponenten zeigt die Reihe C. Nach der Verzögerung um eine Zeilendauer haben diese Komponenten die Lagen der Reihe D. Die Addition der verzögerten und der unverzögerten Komponenten ergibt die Reihe E Durch Vergleich mit der Reihe A erkennt man, dab die Farbträgerkomponenten normgemäß richtig vorhanden sind. Selbstverständlich erhält man sie auch mit der richtigen Amplitude. Das gleiche Resultat erhält man auch dann, wenn man auf der Sende- und Empfangsseite die kontinuierlichen Farbträgerschwingungen sin(ßf +135°) verwendet. Würde man diese beiden Schwingungen auf 45° oder 225° legen, so erhielte man ebenfalls die PAL-Farbträgerkomponenten. Allerdings sind diese gegenüber der

Reihe A in der Phase verdreht, was von Bedeutung ist, wenn der PAL-Farbträger der Reihe E mit dem PAL-Farbträger eines zweiten PAL-Signals zusammenwirken soll. Der Vollständigkeit wegen sei erwähnt, daß man erfindungsgemäß auch mit den Lagen 45° oder 225° die PAL-Farbträgerkomponenten in der Reihe E richtig erhalten kann, wenn man im verzögerten Signal die Polarität ändert. Die dazu notwendige Überlegung ist analog zu B i I d 2. Es soll deshalb auf die ausführliche Erläuterung verzichtet werden. Es gehen allerdings die Leuchtdichtekomponenten Ym im Farbträgerfrequenz bereich verloren, wie man aus der nachfolgenden Betrachtung zur Rekonstitution der Komponenten VV erkennt. Dies kann man z. B. in Kauf nehmen, wenn die

ία

Bandaufspaltung in B i I d 1 so gewählt wird, daß nur ein kleiner Teil von Yhrin dem Signal Centhalten ist, da im Farb-Helmempfänger ohnehin der Bereich von Ym um die Farbträgerfrequenz unterdrückt wird.

Zur Klarstellung was mit den Leuchtdichtekomponenten Vw=Sm(Q)/ +φ) geschieht, seien die nachfolgenden Erläuterungen gegeben. Dabei ist angenommen, daß ω-2 Jim /»ist, mit (»= Horizontalfrequenz und m ist eine ganze Zahl. Für die folgenden Betrachtungen sei weiterhin angenommen, daß i =0 mit dem Zeilenbeginn zusammenfällt. Das Signal C wird im Demodulator 3 z. B. mit der Schwingung 2 sin (Ωί +135°) demoduliert. Im Demodulator entsteht in der Zeile a

2 · sin (Ωι H- 135°) sin (ω ι + φ) = cos [(Ω - ω) ι + 135° -

wobei die höheren Frequenzen {Ω+ ω) vom Tiefpaß 4 unterdrückt werden. Die oben errechnete Komponente wird momentan übertragen und moduliert im Modulator 9 den Farbträger 2 · sin (Ωι + 135""). Am Ausgang entsteht

2 · sin (fl + 135°) ■ cos [(Ω - ω) ι + 135° - φ] = sin [(2 Ω - ω) ι + 270° - φ] + sin (ω/ + φ)

Für die Zeit ί = 0 beginnt der erste Term am Anfang der Zeile mit sin (270° —φ) und der zweite Term mit sin φ. An diesem Sachverhalt ändert sich nichts, wenn das Ausgangssignal des Modulators 9 um eine Zeilendauer r verzögert wird.

Am Ende der Zeile a beginnt das oben berechnete Signal aus dem Laufzeitglied auszutreten und trifft in der Additionsstufe 11 mit dem momentan übertragenen Signal zusammen. Für dieses gilt: Der Farbträger im Demodulator 9 hat zu Beginn der auf die Zeile a zeitlich r> folgenden Zeile b relativ zum Zeilenanfang der Zeile a

2 · sin(ßr + 135°) - 2 · sin(27O^c + 135=).

d. h. de. Farbträger beginnt am Anfang der Zeile b als !< > -cos(ßf + 135"), während für die Leuchtdichtekomponente weiterhin sin (ωί + φ) gilt. Der Demodulator 3 liefert somit während der Zeile b

-2 cos (Ωι + 135°) · sin (ωι + φ) = - sin [(ω - Ω) ι - 135° ι- φ] Diese Komponente wird während der Zeile b momentan übertragen und liefert in Modulator 9

2 ■ cos (Ω ι + 135°) ■ sin [(ω - Ω) ι - 135° + φ] --

Der erste Term beginnt am Zeilenanfang für f = 0 mit — sin 270°. Er ist in Gegenphase zum entsprechenden verzögerten Term aus der Zeile a. den er auslöscht. Die sin

|(2Ω - ω) ι + 270° - φ] + sin (ω I + φ)

modulieren. Es wird somit ein zweiter Modulator benötigt, dessen Ausgangssignal zum Ausgangssignal des Modulators mit 2 · sin (Ωΐ + 135") addiert wird. Das

Colioma icl cr<»c t i-,r*h*»lt in R i I Λ 1 ρϊησΡ7ΡΙΡh nPt

ren sich in der Stufe 11 und bleiben erhalten. InBiIdI ist deshalb trotz der sequentiellen Übertragung der Basissignale -(U + V) im abgehenden PAL-Signal das Leuchtdichtesignal im gesamten Frequenzbereich des ursprünglichen PAL-FBAS-Signals für senkrechte Strukturen vorhanden.

Die Rekonstitution des PAL-Farbträgers und der Leuchtdichtekomponenten VV ist auch möglich, ohne daß auf den Modulator 9 ein Laufzeitglied τ nachfolgt. Die anzuwendende Methode ergibt sich aus B i 1 d 2. Um den Farbträger der Reihe E zu erzeugen, muß das momentan übertragene Signal die Schwingung 2 sin (Qt + 135°) modulieren (Reihe C) Außerdem muß das jeweils um eine Zeilendauer verzögerte Basissignal der Reihe B die Schwingung 2 - cos(ßf +135°) Das Basisbandsignal läuft direkt zum Modulator 13, dem sin (ßi + I35^?) zugeführt wird. Das Basisbandsignal läuft auch über die Verzögerung r 14 und wird im Modulator 15 mit cos(ßf+135^c) moduliert. Die Addition beider Ausgangssignale in 16 liefert den Farbträger der Reihe E und die Leuchtdichtekomponenten V/,/.

Für die Leuchtdichtekomponente sin (air+ φ) gilt folgende Überlegung, wobei angenommen ist. di.3 f=0 zum Beginn der Zeile a. In der Zeile a entsteht im Demodulator 3 aus

sin(ö)f + φ) cos[(ß-o))f + 135= - q>\

Dieses Signal wird in 14 um eine Zeilendauer verzögert und moduliert in 15, bezogen auf den Anfang der Zeile b

2 sin (Ωι + 135°) cos [(Q - ω) ι + 135° - φ] = sin [(2Ω - ω) ι + 270° - φ] + sin (ωι + φ) Während der Zeile b entsteht im Demodulator 3. bezogen auf den Anfang der Zeile b

-2 cos (Qt + 135°) · sin (ω! + φ) = - sin \(ω - Ω) t - 135° + φ] Dieses Signal moduliert momentan im Modulator 13 und erzeugt, bezogen auf den Anfang der Zeile b -2 cos (Ωί + 135°) sin [(Q - ω) ι + 135° - φ] = - sin ](2Ω - ω) t + 270° - φ] + sin (ω/ + φ)

Da die Ausgangssignale beider Modulatoren addiert werden, bleibt nur der Term sin (ω/ + φ) übrig.

Um die vorangegangenen Berechnungen übersichtlich zu gestalten, wurde für die Modulatoren 9,13 und 15 der Farbträger

2 · sin(flf + 135")

2-<:o*.(üt+ 135")

angesetzt. Damit im abgehenden PAL-Signal die richtigen Relationen zwischen den verschiedenen Signalamplituden vorhanden sind, wird man jedoch in

den Modulatoren 9, 13 und 15 den Farbträger nur mit sin(flf + IJ5°) und cos(ßr + 135") wirksam werden lassen.

Die in Bild 1 gestrichelt eingezeichnete Anordnung bietet einen weiteren Vorteil. Man kann nämlich das Laufzeitglied 14 im digitalen Bereich realisieren, was in der Praxis wesentlich einfacher ist als die Realisierung der analogen Laufzeitverzögerung 10, da die Signale ohnehin digitalisiert sind. In diesem Falle wird man den Digital-Analog-Converter 7 nach dem Laufzeitglied 14 und vor dem Modulator 15 anordnen. Das unverzögerte digitale Signal wird man dann über einen zweiten Digital-Analog-Converter zum Modulator 13 führen.

Hier/u Γ Hl;il!

Claims (6)

Patentansprüche;

1. Verfahren zur digitalen Übertragung eines PAL-Signals, bei dem sendeseitig das analog zugeführte PAL-Signal in ein digitales Signal umgewandelt und empfängerseitig das digitale Signal in das analoge Signal zurückgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet,

daß das analoge PAL-Signal senderseitig in das Leuchtdichtesignal (Y) und das den Farbträger und die hochfrequenten Leuchtdichtekomponenten Ym enthaltende Chrominanzsignal (C) frequenzmäßig aufgeteilt wird, daß das Chrominanzsignal (C) in jeder Zeile mit einem kontinuierlichen Farbträgerzusatz (sin (ßf + ςρ)) demoduliert wird, dessen Phase (g>) bezogen auf die U-Achse des Farbträgers 135° oder 315° oder 45° oder 225° beträgt, daß das Leuchtdichtesignal (T^ einerseits und die aus der Demodulation resultierenden Basisbandsignale (U + V und U-V) andererseits getrennt voneinander digitalisiert und dabei mit beliebigen Frequenzen abgetastet werden,

daß die digitalisierten Signale auf getrennten Kanälen (a — c,b — ^übertragen werden, daß die empfangenen Signale getrennt voneinander in Analogsignale rückgewandelt werden, daß die rückgewandelten Basisbandsignale mit dem gleichen Farbträgerzusatz (sin (ßf + φ)) wie bei senderseitigen Demodulation synchron moduliert werden,

daß aus de;-¹ synchron modulierten Signal der Farbträger (sin Qt) sowohl die hochfrequenten Leuchtdichtekomponenten Ym als auch das Chrominanzsignal (C) rekonstruiert und mit dem rück- gewandelten Leuchtdichtesignal (Y)z\i dem PAL-Signal zusammengefügt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Phase des Farbträgerzusatzes 135° oder 315° beträgt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Rekonstruktion des Chrominanzsignals (C) das um eine Zeilendauer verzögerte und das unverzögerte modulierte Signal addiert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Phase des Farbträgerzusatzes 45° oder 225° beträgt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Rekonstruktion des Chrominanzsignals (C) das um eine Zeilendauer verzögerte und das unverzögerte modulierte Signal voneinander subtrahiert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Phase so des Farbträgerzusatzes 135° oder 315° beträgt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Rekonstruktion des Chrominanzsignals (C) das unverzögerte modulierte Signal mit einem Signal addiert wird, welches durch synchrone Modulation der um eine Zeilendauer verzögerten, rückgewandelten Basisbandsignale mit dem um 90° phasenverschobenen Farbträgerzusatz erzeugt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Phase des Farbträgerzusatzes 45° oder 225° beträgt, *o dadurch gekennzeichnet, daO zur Rekonstruktion des Chrominanzsignals (C) von dem unverzögerten modulierten Signal ein Signal subtrahiert wird, welches durch synchrone Modulation der um eine Zeilendauer verzögerten, rückgewandelten Basis- &5 bandsignale mit dem um 90° phasenverschobenen Farbträgerzusatz erzeugt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche I bis 5,

dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastfrequenzen der Basisbandsignale und des Leuchtdichtesignals Vielfache der Horizontalfrequenz und/oder der Vollbildfrequenz sind.

7, Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastfrequenz für das Leuchtdichtesignal und die Abtastfrequenz für die Basisbandsignale in einem ganzzahligen Verhältnis zueinander stehen.