DE3443041C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Über­ tragungsqualität nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei der Übertragung von digitalisierten Bildsignalen über kurze Entfernungen kann mit einer sehr niedrigen Bitfehlerrate gerech­ net werden, so daß eine Fehlersicherung nicht notwendig er­ scheint. Bei der Übertragung über größere Entfernungen, über Richtfunk oder über Satellitenstrecken ist jedoch damit zu rech­ nen, daß die vom CCI empfohlene Bitfehlerquote teilweise über­ schritten wird. Eine Bitfehlerrate von einmal 10^-6 würde im PCM- codierten 140 Mbit/s Bildkanal (PCM-Pulscodemodulation) bereits deutlich sichtbare Störungen verursachen.

Die Anwendung von Fehlerkorrekturverfahren bei der Übertragung von digitalisierten Bildsignalen ist zwar prinzipiell bekannt. So wird bereits in der britischen Patentschrift GB-A-14 57 452 vorgeschlagen, die Austastlücken für die Fehlerkorrektur zu nut­ zen. Hierbei können die niederwertigsten Bits jedes PCM-Codewor­ tes in der Austastlücke untergebracht werden und die Prüfbits den Codewörtern zugeordnet werden. Da alle Fehlersicherungsver­ fahren jedoch eine zusätzliche Übertragungskapazität benötigen, werden Korrekturverfahren gegenwärtig noch nicht angewendet.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Verbesserung der Übertragungsqualität bei PCM-codierten Bildsignalen anzuge­ ben, das die Übertragungsrate nicht oder nur unwesentlich er­ höht.

Ausgehend von dem einleitend angegebenen Verfahren wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Außerdem wird eine vorteilhafte Anordnung zur Durchführung des Verfahrens angegeben.

Bei dem Verfahren ist besonders vorteilhaft, daß nur bei einem gestörten Videokanal eine zur Fehlerkorrektur (FEC) geeignete Codierung erfolgt. Die Datenrate wird hierbei nicht erhöht, da zur Codierung eines PCM-Wortes dann weniger Bits verwendet werden. Bei einem ungestörten Übertragungs­ kanal steht dagegen die gesamte Übertragungskapazität zur Verfügung um eine optimale Bildauflösung zu erhalten. Bei stärker gestörter Verbindung, bei der auch der Einsatz der Fehlerkorrektur nicht mehr sinnvoll erscheint, kann eines der bekannten Fehlerverdeckungsverfahren angewendet werden.

Zur Überwachung der Bitfehlerrate kann ebenfalls die Kor­ rektureinrichtung verwendet werden, die beispielsweise in den nicht mehr sichtbaren Randzeilen ständig eingeschaltet ist.

Das Verfahren wird anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe der Fig. 1 bis 5 näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild zur Durchführung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 ein Prinzipschaltbild zur parallelen Codierung von Luminanz- und Farbdifferenzsignalen,

Fig. 3 den Aufbau eines Codeblockes zur Fehlersicherung,

Fig. 4 ein Prinzipschaltbild für die serielle Verarbei­ tung von Bildsignalen und

Fig. 5 ein Prinzipschaltbild zur parallelen Verarbeitung von Bildsignalen.

Fig. 1 zeigt sendeseitig die Reihenschaltung eines PCM- Coders 1 und eines FEC-Coders 4. Auf der Empfangsseite ist einem FEC-Decoder 5 ein PCM-Decoder 2 nachgeschaltet. Ein Fehlerausgang des FEC-Decoders 5 ist an eine Fehler­ überwachung 8 angeschlossen, deren Ausgang über einen Rückkanal RC in den FEC-Coder 4 auf der Sendeseite ein­ greift.

Das Videosignal V wird dem PCM-Coder 1 über dessen Ein­ gang E zugeführt und vom PCM-Coder in gleichlange Daten­ wörter (PCM-Wörter) umgesetzt. Der Ausgang des DPCM-Co­ ders ist mit dem Eingang EC des FEC-Coders 4 verbunden, der bei einem gestörten Videokanal CA zwischen Sende- und Empfangseinrichtung die höchstwertigen Bits durch zusätzliche Prüfbits sichert. Das niederwertigste Bit oder auch mehrere niederwertige Bits werden dafür nicht mehr übertragen. Der Ausgang AC des FEC-Coders 4 ist mit Übertragungseinrichtungen verbunden, die mittels einer geeigneten Modulation die Übertragung über den Videokanal ermöglichen. Dem Eingang ED des FEC-Decoders 5 werden be­ reits digitalisierte Daten von einer empfangsseitigen Übertragungseinrichtung zugeführt. Die Fehlerüberwachung überprüft ständig die Funktionsweise des FEC-Decoders, aus der Rückschlüsse auf die Bitfehlerrate zu ziehen sind. Daneben können auch die ständig übertragenen Synchronisa­ tionswörter überprüft werden. Über den Rückkanal RC wird der FEC-Coder bei einem gestörten Videokanal eingeschal­ tet und bei einem ungestörten Videokanal wiederum ausge­ schaltet. Dies Verfahren ist für zweiseitig gerichteten Betrieb, z. B. beim Fernsehtelefon, anwendbar. Die Ein­ schaltung des empfangsseitigen FEC-Decoders 5 erfolgt gegenüber dem FEC-Coder zeitverzögert z. B. durch ein Ein­ schaltsignal.

Treten kurzfristig größere Bitfehlerraten auf als der FEC-Decoder verarbeiten kann, so kann auf ein Fehlerver­ deckungsverfahren umgeschaltet werden. Hierbei werden beispielsweise gestörte Fernsehzeilen durch Fernsehzeilen des letzten Fernsehbildes ersetzt. Am Ausgang A des PCM- Decoders 2 wird somit je nach Übertragungsverhältnissen des Videokanals ein optimales Videosignal abgegeben.

Anhand der Fig. 1 soll kurz die Umschaltmöglichkeit auf ein Fehlerverdeckungsverfahren erläutert werden. An den Ausgang des FEC-Decoders 5 ist ein Bildspeicher 71 ange­ schaltet, dessen Speicherkapazität einem Fernsehbild entspricht. Über einen Umschalter 70 kann wahlweise in Abhängigkeit von der Bitfehlerrate der Ausgang des FEC- Decoders 5 oder der Ausgang des Bildspeichers 71 an den PCM-Decoder angeschaltet werden. Auf diese Weise wird eine gestörte Bildzeile durch eine ungestörte Bildzeile des vorangegangenen Fernsehbildes ersetzt.

Die Einschaltung des FEC-Coders kann bei Verteildiensten (Kabelfernsehen) natürlich auch über eine Zentrale erfol­ gen, die die Güte des Videokanals überwacht. Der empfangs­ seitige FEC-Decoder kann beurteilen, ob bei der empfange­ nen Information eine Fehlersicherung durchgeführt wurde und sich selbständig einschalten. Ebenso kann durch ein mit dem Videosignal übertragenes spezielles Einschaltsignal der FEC-Decoder auf Korrekturbetrieb umgeschaltet werden.

Dem PCM-Decoder 2 kann bei eingeschalteter Fehlerkorrektur an Stelle des letzten Informationsbits jedes PCM-Daten­ wortes zweckmäßigerweise eine Zufallsfolge von logischen Nullen und Einsen und zugeführt werden (Dither-Effekt). Bei Dauer-Null bzw. Dauer-Eins ergeben sich kaum sicht­ bare Helligkeitsfehler.

Das Ein- und Ausschalten der Fehlerkorrektur und der Feh­ lerverdeckung erfolgt jeweils bei zwei unterschiedlichen Werten der Bitfehlerrate. Dadurch wird eine Hysterese er­ reicht, die ein zu häufiges Ein- und Ausschalten verhin­ dert.

In Fig. 2 ist eine Anordnung zum getrennten Codieren des Luminanzsignals Y und der Farbdifferenzsignale U und V prinzipiell dargestellt. Das Luminanzsignal Y wird hier über einen ersten Eingang E 1 einer Reihenschaltung eines analogen Tiefpasses 11, eines A/D-Umsetzers 12, eines Laufzeitgliedes 13 und eines FEC-Coders 14 zugeführt. Das Farbdifferenzsignal U wird über einen zweiten Eingang E 2 der Reihenschaltung eines zweiten analogen Tiefpasses 21, eines A/D-Umsetzers 22, eines digitalen Tiefpasses 23 und eines zweiten FEC-Coders 24 zugeführt. Ebenso liegt das zweite Farbdifferenzsignal V am Eingang E 3 einer weiteren Reihenschaltung eines analogen Tiefpasses 31, eines A/D- Umsetzers 32, eines digitalen Tiefpasses 33 und eines dritten FEC-Coders 34 an. Die Ausgänge der Reihenschaltung sind mit den Eingängen eines Multiplexers 6 verbunden, der an seinem Ausgang AM das komplette Videosignal in digita­ lisierter Form abgibt. Empfangsseitig teilt ein Demulti­ plexer 7, dem an seinen Eingang ED das komplette Video­ signal zugeführt wird, wieder in ein Luminanzsignal Y und die beiden Farbdifferenzsignale U und V auf. Das Lumi­ nanzsignal wird hierbei von einer Reihenschaltung eines FEC-Decoders 15, eines Laufzeitgliedes 16, eines D/A-Um­ setzers 17 und eines analogen Tiefpasses zurückgewon­ nen. Jedes Farbdifferenzsignal durchläuft dagegen die Rei­ henschaltung eines weiteren FEC-Decoders 25, eines Interpo­ lationsfilters 26, eines Digital-Analog-Umsetzers 27 und eines analogen Filters. Die entsprechenden Baugruppen für die Verarbeitung des zweiten Farbdifferenzsignales V weisen die Bezeichnungen 35, 36, 37 und 38 auf. Das Luminanzsig­ nal Y und die Chrominanzsignale U, V werden an den Aus­ gängen A 1, A 2 und A 3 abgegeben.

Nach einer Bandbegrenzung durch einen analogen Tiefpaß wird jedes der Signale abgetastet und in PCM-Wörter umge­ setzt. Diese werden bei Bedarf einer Fehlerkorrektur un­ terzogen. Um die Übertragungsrate bei den Farbdifferenz­ signalen gegenüber der Übertragungsrate des Luminanzsig­ nals herabzusetzen, ist der digitale Tiefpaß 23 bzw. 33 vorgesehen, der eine Filterung der Farbdifferenzinformation in horizontaler oder/und vertikaler Richtung ermöglicht. Die Übertragungsrate für ein Farbdifferenzsignal beträgt im allgemeinen ein ¹/₄ bis ¹/₂ der Übertragungsrate des Luminanzsignals. Durch die getrennte Codierung der Videosignalkomponenten wird eine geringere Verarbeitungs­ geschwindigkeit erreicht. Statt der beiden für die Farb­ differenzsignale vorgesehenen FEC-Coder 24 und 34 kann auch ein nach dem Zeitmultiplexprinzip arbeitender FEC- Coder verwendet werden. Die Laufzeitglieder sorgen für die zeitliche Anpassung der Signale in den verschiede­ nen Verarbeitungszweigen. Die entsprechenden Überlegungen gelten ebenso für die Empfangsseite.

Alle FEC-Coder 14, 24 und 34 werden selbstverständlich über nur einen Rückkanal eingeschaltet.

In Fig. 3 ist ein gesicherter Datenblock dargestellt. Jedes PCM-Wort enthält 8 Bits I 1 bisI 8, die hier am Ausgang des PCM-Coders als Informationsbits bezeich­ net werden, wobei das achte Informationsbit bei der An­ wendung eines Fehlerkorrekturverfahrens durch ein Prüf­ bit P ersetzt wird. In diesem Beispiel wird jeweils nur ein die vier höchstwertigen Informationsbits I 1 bis I 4 umfassender Teil C jedes PCM-Wortes zur Codierung ver­ wendet. Die niederwertigen Informationsbits I 5 bis I 7, in Fig. 3 mit U bezeichnet, sind ungesichert, da sich eine Störung dieser Bits weniger stark bemerkbar macht. Bei einer vorgegebenen Anzahl von Prüfbits P wird dafür für die höchstwertigen Bits ein wirksamerer Schutz er­ zielt.

Zur Codierung können prinzipiell alle Arten fehlerkorri­ gierender Codes verwendet werden. Die Verwendung von Block­ codes ist jedoch im Hinblick auf die ebenfalls vorgegebene Zeilenstruktur vorzuziehen. Entsprechend der Bitfehler­ struktur des Videokanals sollten Blockcodes verwendet werden, die sowohl Einzelfehler als auch Fehlerbündel korrigieren können. Als FEC-Coder/Decoder kann beispiels­ weise der Coder/Decoder Am 9520 der Fa. AMD Verwendung finden. Die Länge eines Codeblockes sollte ca. zwischen einem Viertel und einer Bildzeile und einer kompletten Bildzeile liegen.

Eine für die serielle Codierung geeignete Sende- und Empfangseinrichtung ist in Fig. 4 dargestellt. Ein De­ multiplexer 70, an dessen Eingang EC das digitalisierte Videosignal VD anliegt, teilt dieses Signal in zwei Bit­ gruppen I 1 bis I 4 und I 5 bis I 8 auf. Die erste Bitgruppe wird eine FEC-Coder 40 zugeführt, dessen Datenausgang an den ersten Eingang eines Multiplexers 60 angeschal­ tet ist. Die Bits I 5 bis I 8 werden über ein Laufzeitglied 43, dessen Laufzeit der Laufzeit des FEC-Coders 40 ent­ spricht auf den zweiten Eingang des Multiplexers 60 ge­ schaltet. An Stelle durch den entsprechend gesteuerten Multiplexer 60 über seinen dritten Eingang des achten Bits I 8 wird bei Anwendung der Fehlerkorrektur ein Prüfbit P eingefügt, das in einem Speicher 9, der an den Prüfbit­ ausgang des FEC-Coders angeschlossen ist, zwischenge­ speichert wurde. Die beiden Bitgruppen durch die Multi­ plexer 60 wird aneinandergereiht und an dem Ausgang AC in serieller Form ausgesendet.

Die zugehörige Empfangseinrichtung erhält einen Demulti­ plexer 71 mit dem Eingang ED, an dessen ersten Ausgang ein FEC-Decodierer 50 angeschaltet ist, dessen Ausgang wieder­ um mit einem ersten Eingang eines weiteren Multiplexers 61 verbunden ist. An den zweiten Ausgang des Demultiplexers 71 ist ein Laufzeitglied 53 eingeschaltet, dessen Ausgang mit dem zweiten Eingang des Multiplexers 61 verbunden ist. Die Laufzeitglieder 43 und 53 werden vorteilhaft durch Schiebe­ register realisiert. Das achte Bit jedes PCM-Wortes wird über das Laufzeitglied 53 zeitgerecht dem FEC-Decoder 50 zugeführt. Bei Fehlerkorrekturbetrieb wird anstelle des achten Informationsbits I 8 über einen weiteren Eingang des Multiplexers 61 jeweils ein Bit einer von einem Zufalls­ generator 19 erzeugten Bitfolge (Dithereffekt) übernommen. Am Ausgang A des Multiplexers 61 wird das korrigierte Vi­ deosignal VC abgegeben. Aus der in Fig. 4 dargestellten Anordnung kann leicht parallel arbeitende Anordnung ent­ wickelt werden.

Fig. 5 zeigt eine solche Anordnung einer parallel arbei­ tenden Fehlersicherung. Die PCM-Wörter mit jeweils den Informationsbits die I 1 bis I 8 liegen bereits in paralle­ ler Form vor. Die ersten vier Informationsbits I 1 bis I 4 werden den FEC-Codern 141 bis 144 zugeführt. Die Daten­ ausgänge der FEC-Coder sind mit Eingängen eines Daten­ multiplexers 59 verbunden. Die Prüfbitausgänge der FEC- Coder 141 bis 144 sind jeweils mit einem Zwischenspeicher 145 bis 148 verbunden, deren Ausgänge mit den Eingängen eines weiteren Multiplexers 54 verbunden sind. Der Ausgang dieses Multiplexers führt auf einen Eingang einer Umschalt­ einrichtung 30, deren Ausgang mit einem weiteren Eingang des Datenmultiplexers 59 verbunden ist. Die Informations­ bits I 5 bis I 8 sind den Eingängen von vier Laufzeitgliedern 55 bis 58 zugeführt. Die Ausgänge der ersten drei Laufzeit­ glieder 55 bis 57 sind direkt mit weiteren Eingängen des Multiplexers 55 verbunden. Der Ausgang des vierten Laufzeit­ gliedes 58 ist auf den zweiten Eingang der Umschalteinrich­ tung 30 geführt. Durch den parallelen Aufbau der Sendeein­ richtung wird die Verarbeitungsgeschwindigkeit entsprechend herabgesetzt.

Da für jedes zu schützende Informationsbit I 1 bis I 4 ein eigener FEC-Coder vorgesehen ist, kann dieser relativ ein­ fach realisiert werden. Aus den Zwischenspeichern 145 bis 148 werden die Prüfbits über den Multiplexer 59 jeweils zum geeigneten Zeitpunkt ausgegeben, so daß an den Eingängen des Datenmultiplexers 59 gesicherte PCM-Wörter entsprechend dem in Fig. 3 dargestellten Codeblock anliegen. Durch den Datenmultiplexer 59 werden die parallel anliegenden Daten in einen seriellen Datenstrom verwandelt, der am Ausgang AM des Multiplexers angegeben wird. Die Verschachtelung der von den FEC-Codern abgegebenen Daten erhöht die Wirksam­ keit des verwendeten Codes. Die Umschaltung zwischen Feh­ lerkorrekturbetrieb und ungesichertem Betrieb wird allein durch Betätigung des Umschalters 30 bewirkt. Da die Em­ pfangseinrichtung entsprechend aufgebaut ist, braucht hier nicht mehr auf sie eingegangen zu werden.

Vollständigkeitshalber sei noch erwähnt, daß das beschrie­ bene Verfahren natürlich auch bei der Tonprogrammübertra­ gung anwendbar ist.

Claims (10)

1. Verfahren zur Verbesserung der Übertragungsqualität von Bildsignalen, deren Abtastwerte als PCM-Wörter codiert über einen Videokanal übertragen werden, dadurch gekennzeichnet,
daß bei einer gestörten Übertragung die Anzahl der Informationsbits (I 1-I 8) der PCM-Wörter reduziert wird,
daß mindestens die höchstwertigen Informationsbits (I 1-I 4) durch Prüfbits (P) eines fehlerkorrigierenden Codes ge­ sichert werden, die anstelle von niederwertigen Informa­ tionsbits (I 8, . . .) übertragen werden,
und daß bei ungestörter Übertragung alle Informationsbits (I 1-I 8) der PCM-Wörter zur Codierung der Abtastwerte ver­ wendet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei einer stärker gestör­ ten Übertragung empfangsseitig ein Fehlerverdeckungsver­ fahren zur Reduzierung der sichtbaren Störungen angewen­ det wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, daß nur die höchstwertigen Bits (I 1-I 4) der PCM-Wörter durch einen fehlerkorrigierenden Blockcode gesichert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die PCM-Wörter jeweils 8 Bits umfassen, daß jeweils die vier höchstwertigen Informationsbits (I 1-I 4) durch einen fehlerkorrigierenden Blockcode gesichert werden und daß anstelle des achten Informationsbits (I 8 ) ein Prüfbit (P) übertragen wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer beidseitig gerichteten Übertragung eine automatische Umschaltung zwischen fehlerkorrigierendem und ungesichertem Betrieb über einen Rückkanal (RC) in Abhängigkeit von der ermittelten Übertragungsfehlerrate erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß bei einer verteilenden Übertragung eine automatische Umschaltung zwischen fehlerkorrigierendem und ungesichertem Betrieb aufgrund der empfangsseitig ermittelten Übertragungsfeh­ lerraten von einer zentralen Überwachungsstelle erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die PCM-Wörter der Randzeichen eines Bildes oder/unde Abtast­ werte während der Austastlücken gesichert übertragen wer­ den und daß empfangsseitig durch Überprüfen der Coderegel die Übertragungsfehlerrate ermittelt wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein PCM-Wort parallel verarbeitet wird.

9. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet,
daß sendeseitig für jedes zu sichernde Informationsbit (I 1-I 4) ein FEC-Codierer (141-144) vorgesehen ist,
daß die Prüfbitausgänge der FEC-Codierer (141-144) an Zwischenspeicher (145-148) angeschlossen sind, deren Ausgänge über einen Multiplexer (54) zusammengefaßt sind,
daß entsprechend der Anzahl der restlichen Informations­ bits (I 5-I 8) Laufzeitglieder (55-58) vorgesehen sind, die die Laufzeit der FEC-Coder (141-145) aufweisen,
daß eine Umschaltvorrichtung (30) vorgesehen ist, über die wahlweise die Prüfbits (P) über den Multi­ plexer (54) oder die entsprechenden niederwertigsten Informationsbits (I 8, . . .) einem Eingang eines Daten­ multiplexers (59) zugeführt werden, an dessen übrigen Eingängen die Datenausgänge der FEC-Coder (141-144) und die Ausgänge der Laufzeitglieder (55-58) ange­ schlossen sind.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet,
daß ein PCM-Coder vorge­ sehen ist, der an seinen Ausgängen Luminanz- und Chromi­ nanzsignale (Y, U, V) in paralleler Form im Zeitmultiplex­ verfahren abgibt,
und daß die Ausgänge des PCM-Coders (1) mit entsprechen­ den Eingängen der FEC-Coder (141-145) und der Laufzeit­ glieder (55-58) verbunden sind.