CN1037803C - 与高清晰度电视系统相兼容的调制器／解调器 - Google Patents

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Abstract

与NTSC频宽兼容的多重正交调幅的HDTV系统。第一抑制QAM载波14由主要包括低频信息的高优先权信息调制。第二抑制QAM载波34由主要包括高频的低优先权信息调制。高优先QAM信号比低优先QAM信号有较大的幅度与较窄的带宽，且置于多重QAM频谱中通常为NTSC电视信号残留边带所占用的较低部分。多重量QAM信号18、20的频谱在NTSC图象与伴音载波附近频率的高能信息的频率上呈现衰减。

Description

与高清晰度电视系统相兼容的调制器／解调器
本发明涉及能与原有标准清晰度电视频道的带宽相兼容的高清晰度电视系统，具体涉及一种调制技术，用以降低同时播送的高清晰度电视信号与标准淅度电视信号之间的互相干涉。
高清晰度电视(HDTV)系统通常被认为该系统处理具有清晰度为标准电视信号(如NTSC信号)的水平与垂直图像分辨率约为两倍或以上的信号。与标准的NTSC电视图像的宽高比4×3相比，HDTV信还呈现较大的图像宽高比例如为16×9。
在一个同时播送的电视广播系统中，同一节目题材的两种版面由两个独立的标准6MHz频道同时播送。这两种节目版面之中的一个含有标准清晰度NTSC信息在一个频道上播放，而另一含有高清晰度信息在另一个6MHz频道上播放。实际上，同播系统可使用两个相邻的6MHz NTSC频道例如VHF3和4频道分别播送标准的和HDTV的信息。同时播送系统中的高清晰度版面可利用信号编码与时间压缩技术在单一的6MHz频道中实施。标准的NTSC信息与HDTV信息须由相应的标准NTSC和HDTV接收机分别地接收。也许在15-20年后，在NTSC接收机由HDTV或双标准接收机取代时，标准的NTSC电视信号所使用的频道就可用于其他用途了，故“同时播送”的构思可防止数量庞大的现有的标准NTSC接收机在引入HDTV播送后不致变成报废并在标准的NTSC信号所占用的频道变成可利用的不久的将来可扩充广播服务。
同时播送系统与所谓的“扩增系统”的区别在于，扩增系统须持续使用两个频道，其中一个频道传送标准的NTSC信息，而另一个频道含预定的扩增信息，在HDTV接收器里这些扩增信息与来自第一频道的标准NTSC信息组合时可产生高清晰度的电视信号。
有效地减少或消除从同一频道上的不同部位发送的标准信号与HDTV信号之间的共频道干扰是相当重要的，本发明的系统解决了这个问题。
根据本发明的一个方面，被发送的高清晰度电视信息被分为两个信息部分，即以高可靠性地被接下来的高优先权信息部分和低优先权信息部分，第一(高优先权)信息部分和第二(低优先权)信息部分作为在一个频谱中的两个不同部分内的两个独立的已调制载波信号被传送，在与标准清晰度(例如NTSC)信号的高能量信息有关的频率上呈现出信号的衰减现象。
在本发明的已公开的较佳实施例中，高优先权信息呈现的带宽比低优先权信息的窄，并且含有低频视频信息、声频信息和同步信息。低优先权信息含有高频视频信息。高、低优先权信息都利用多重正交调幅(QAM)技术传送。高优先权窄带信息呈现出明显大于低优先权宽带信息的幅度，而且对视频频谱中较低频率部分内的第一抑制载波进行正交调幅。已调制的第一载波会经受到标准电视接收机的耐奎斯特斜坡滤波器的衰减，低优先权宽带信息对第二抑制载波正交调幅，产生一个多重QAM信号。多重QAM信号的频谱呈现出在NTSC的图像载波与伴音载波附近的高能量信息的衰减现象。
图1示出标准NTSC电视信号的基带视频频谱；
图2示出本发明的多重QAM高清晰度电视信号的视频频谱；
图3和图4分别示出用以处理本发明的高清晰度多重QAM信号的发射机与接收机的装置；
图5示出有助于理解这个已公开的系统的信号处理方面的星座图。
图1示出标准NTSC电视信号的基带视频频谱，占有6MHz频道，按照传统上的习惯，所示的频率以0.0MHz为基准，在0.0Mz处射频(RF)图像载波以残留边带的形式由视频信息调幅。已调信号呈现出具有1.25MHz带宽的残留边带(VSB)，上边带所含的图像代表亮度与色度信息，色度信息正交调制3.58MHz的被抑制的副彩色载波。大部分高能量信息在图像载波频率和调频的4.5MHz伴音载波附近出现。
图2示出HDTV信号的视频频谱，该信号可与标准NTSC 6MHz宽电视信号频道带宽相兼容并且可用以作为一个同时播送的信号。为与图1所示的标准NTSC视频频谱相比较，图2中频率标度线上的频率(-1.25-4.5MHz)是以NTSC制的RF图像载波的0.0MHz位置为参考点的。
HDTV电视信号是一种时间压缩信号，可分为高和代优先权信息分量。在本例中，声频、同步和低频视频信息分量试图以高可靠性接收而被指定为高优先权部分。例如同步信息可为一列含有独特记号或代码的信号，以供接收机作信号恢复处理。用同步信息还可包含场频扫描信息(场标志的开头)。其他的次要分量例如高频视频信息被指定为低优先权部分。高优先权信息的带宽比低优先权信息的窄，并且正交调幅0.96MHz的第一抑制载波，第一抑制载波以信号REF为基准，这将在下文解释。低优先权信息，正交调幅3.84MHz的第二抑制载波，第二抑制载波亦以信号REF为基准。由此得出的复合信号是一种多重QAM形式的信号，即在这种情况下是一个“双”QAM信号。这个复合的双QAM信号借助带外的参考信号REF转换成6MHz的标准电视频带，信号REF的频率要选择得使其被这个复合QAM信号调制时，所产生的和或差分量之一落在所需要的射频电视频道(如同时播送的VHF 3频道)内。信号REF经这个复合的双QAM信号调制后产生一个双边带已调制信号，然后去掉其下边带、保留其上边带，如图2所示。
窄带QAM分量的幅度明显地大于宽带QAM分量，此例如中为其二倍。窄带QAM分量的-6dB带宽为0.96MHz，而宽带QAM分量的-6dB带宽为3.84MHz，即为窄带QAM分量带宽的四倍。窄带和宽带QAM分量的非线性的频带边缘过渡区由具有上升余弦平方根特性的有限脉冲响应(FIR)滤波器来定形，以防止由于过渡区陡直而产生不希望有的高频影响，宽带分量的幅度与频率的响应特性在频带边缘过渡区(未按比例画示)的斜率为较陡的窄带成分量的1/4。
窄带和宽带QAM分量各含有一个同相分量“I”和一个正交相位分量“Q”。下面将参照图3来讨论，I相位分量调制已被抑制的余弦载波，而Q相位分量调制已被抑制的正弦载波。数据的“符号”可用I和Q分量二者来表示。复合的QAM信号在本例中是一个“16QAM”信号。每个16QAM I和Q分量都呈现四个个别的幅度电平，即窄带与宽带QAM信号每个总共有4×4＝16个可能的幅度电平或幅值，也即“16”QAM之意。I和Q分量各自的四个电平需用两个比特表示，因而每个数据符号需用四个比特来表示I，Q组合的十六种电平，故宽带QAM信号的3.84MHz(-6dB)的比特速率为15.36Mbp(＝3.84MHz×4比特)，而窄带QAM信号的0.96MHz(-6dB)的比特速率为3.84Mbp(＝0.96MHz×4比特)。在64QAM系统中，窄带和宽带分量的比特速率会增加到1.5倍。
这里所述的多重(双重)QAM系统呈现出明显的、共频道的、对于标准NTSC电视信号(亦即在同一频道上来自不同场所反射的NTSC信号)的抗扰性。这是因为在NTSC图像与伴间载波附近的QAM频谱(这里聚集高能量信息)中有一衰减凹槽的缘故。相反的，双QAM信号对NTSC信号的共频道干扰由于幅度大的窄带QAM信号受到标准NTSC电视接收机内耐奎斯特斜坡滤波器的大量衰减而减少。图2中在标准NTSC接收机的耐奎斯特斜坡滤波器的响应用虚线表示重叠于QAM频谱的低频带部分(-0.75MHz至0.75MHz)上。可以看出，窄带QAM信号的幅度比宽带QAM信号大6dB(亦即呈现宽带QAM信号功率的四倍)，产生作为低功率宽带QAM信号的、数量相等的、可容许的小干扰。大6dB的幅度的窄带QAM分量与相对于宽带QAM分量的1/4带宽的结合产生的功率密度比宽带QAM分量的大12dB。这也说明了高优先权的窄带QAM信号比低优先权的宽带QAM信号有12dB的信噪比的改善。宽带和窄带的QAM信号的相对带宽和幅度可适合于满足包括NTSC制和PAL制的特定制式的需要。
高峰幅度的窄带分量含有的视频信息足以产生具有近似于标准清晰度电视图像的清晰度的被显示图像。因而观看者不能明显地看出例如飞机的轰呜声对这个高清晰度电视发送的瞬时干扰，亦即当含有高清晰度信息的低功率宽带分量受瞬间干扰时，高功率窄带分量不受影响，因此一个清晰度较低但仍可接受的图像瞬时被显示出来。
宽带和窄带QAM信号的比特速率在可能的方案中的一个例子给定它们分别为15.36和38.4Mbp，这有利于呈现4∶1的整数关系。此种关系可使接收机恢复窄带和宽带QAM信息的工作简化，因为所得到的同一数据时钟可便利地为这两种QAM分量的数据恢复操作来定时。接收机系统所需的数据时钟速率可以很容易地由已恢复的高功率窄带QAM信号中导出，这将在下文中讨论。
图3示出用以产生具有图2所示的幅度与频谱的双QAM信号的电视发送设备。高和低优先权的HDTV数据要由源10和30以时间压缩数字形式产生，并与标准NTSC频道的6MHz带宽相兼容。为此目的，源10与30含有数字时间压缩及编码装置，该装置例如包括哈夫曼编码、行程编码、量化及各个余弦转转网路。
源10的输出信号施加在编码器12上，编码器12作为比特映像器，供自源10接收的连续比特流信号使用。编码器12将来自源10的信号分成多个成接序的4比特(符号)段。一个16值的4比特段借助一个查询表可映入一个众所周知的四象限栅格状信号星座内，该星座的每个象限里都有四个4比特值占据在各象限的指定区内。图5示出相对于实轴(I)和虚(Q)轴的四象限栅格16比特QAM信号星座中的比特分布图。这个被映像的比特段出现在编码器12的I和Q输出端上(例如前两比特出现在I输出端上，后两比特出现在Q输出端上)。下一个16值4比特段亦同样地被映像。为使接收机对被接收信号星座的相位转动不敏感，在发射机中采用差分编码形式，以使每个4比特段的前两比特限定这4比特段所在的星座象限，而后两比特限定该象限内的特定点。编码器32也以同样的方式对从低优先权数据源30接收的信号进行操作。
编码器12与13的输出施加在各自的按传统设计的QAM调制器14与34上。来自调制器14的窄带QAM输出信号由数/模转换器15转换为模拟形式后再经1.5MHz水平低通滤波器16施加在加法性组合器18的一个输入端上。滤波器16除掉窄带通路上现有技术的数字处理及数/模转换电路所产生的内含谐波的无用高频分量。来自调制器34的宽带QAM输出信号由数/模转换器35转换为模拟形式后经6.0MHz水平低通滤波器36和衰减器38施加在加法性组合器18的另一输入端上。滤波器36的作用基本上与滤波器16相同。衰减器38使宽带QAM分量的幅度定标以使其较窄带QAM分量低6dB，如图2所示。复合的双QAM信号在组合器的输出端上产生，这个双QAM信号在调制器(混合器)20与参考信号REF相乘，以在调制器20的输出端上产生具有上下双QAM边带的信号REF双边带已调波。6MHz电视频道带通滤波器22拒斥下边带保持上边带(见图2)，然后由包括天线25的装置发射出去。
QAM调制器14含有相同的平方根上升余弦、有限脉冲响应(FIR)数字滤波器41和42，它们分别接收来自编码器12的I和Q输出信号。滤波器41置于标称的同相通路中，并指定为“I”相位滤波器，而滤波器42置于标称的正交相位通路中，指定为“Q”相位滤波器。这两个滤波器41与42为窄带和宽带QAM分量的非线性的频带边沿过渡区定形，如结合图2所讨论过的那样。
滤波器41与42的输出信号分别在乘法器44和45中由余弦和正弦参考信号调制。余弦和正弦的参考信号由源46产生，源46含有一个查询表，该查询表在4个90°的区间(每个区段称为90°、180°、270°和360°)内产生正弦和余弦值。正弦和余弦的参考信号对应于频率为0.96MHz(即3.84Mbp/4)的窄带QAM抑制正交载波。乘法器44和45的正交相位调制输出信号由加法器48组合，以产生高优先权的窄带QAM信号。宽带QAM调制器34的结构和操作都与调制器14相同，只是有关的正弦和余弦正交载波的频率为3.84MHz不同。
图3所示的系统利用2的补码的8比特数字信号处理。频率合成器52与54响应系统时钟产生器55产生的主时钟信号，提供数字数据时钟信号。来自成器52的15.36MHz时钟信号CLK供数据源30、编码器32和宽带QAM调制器34作为数据时钟使用。由于窄带数据(3.84Mbp)的数据速率是宽带数据(15.36Mbp)数据速率的1/4，因此时钟CLK在四分频的除法器58里除4成为3.84MHz以后供数据源10、编码器12及窄带QAM调制器14作为数据时钟使用。合成器54向混合器20提供参考信号REF，供复合双QAM信号在混合器20转换为电视频道用。
虽然使用抑制载波可节省功率和防止显示图像遭某种类型的干扰，但是窄带和宽带的QAM载波都不需被抑制。小幅度无抑制载波的使用可改善符号速率时钟的恢复。具有不对称边带的已调制QAM载波也能够使用。
在图4的接收设备中，播送的双QAM信号由天线110接收后与参考信号REF(其频率为发射机所用的参考信号REF的频率)一起施加在混合器112上，混合器112的输出包括和与差分量，较高频率的和分量受到低通滤波器114拒斥，并将差分量传送至模/数转换器116。通过的差分量呈现出如图2所示的复合调制频谱，窄带QAM调制频谱以0.96MHz为中心，宽带QAM调制频谱以3.84MHz为中心。
来自模/数转换器单元116的数字取样输出信号施加到解调器118上。解调器118与接续的元件120、122、124、126及128组成窄带QAM信号处理器。解调器118包括多数个输入FIR滤波器，用以有选择性地让窄带QAM分量通过，排斥宽带QAM分量。具体地说，窄带QAM解调器118包括一个具有幅度对频率响应特性基本上符合图2所示的调制窄带QAM分量的幅度对频率特性的形状的滤波器。宽带QAM信号处理网路包括部件119、121、123、125、127和129，它有选择性地让宽带QAM分量通过，拒斥窄带QAM分量。宽带QAM解调器119包括一个其响应基本上符合图2所示的宽带QAM分量的幅度对频率特性形状的滤波器。这样，接收机系统对于标准清晰度电视信号中与高能量信息有关的频率呈现衰减凹槽。宽带QAM处理器的这些部件与窄带处理器中相应标号的那些部件相同，但除了上述解调器118与119之特性不同以外。解调器118与119与发射机(图3)中的调制器14和34的操作相反。
传统设计的自适应均衡器120自解调器118接收已解调的正交相位的I和Q分量，均衡器120应用一个自适应数字FIR滤波器来补偿幅度和相位的不规则性，例如由发送信道产生的鬼影。来自均衡器120的已均衡的I和Q输出信号施加在估算网路126上以产生能够代表与发送时一样的、最可能的I和Q分量估计值的输出I、Q分量。例如，估计器126输出端上的I和Q分量的值根据需要已被调整来补偿在发送过程中产生的噪声失真效应。估算器126所执行的功能基本是对那些由于诸如噪声的影响而不能准确地与16点4象限信号星座中的指定方位不能适配的样值的指定值进行解释性(interpretive)的功能。估算器126的输出信号施加在解码器122上，解码器122的操作与发射机的编码器所执行的映像操作相反。查询表用来对四象限信号星座解除映象关系而成为二进制数字形式的按序的四比特(符号)段，即是发射机侧由单元12编码以前所存在的信号(图3)。
误差检测器124监视估算器126的I和Q的输入和输出信号，以产生的输出信号其大小与估算器126的I和Q的输入和输出信号之间的相位差成比例。该相位误差可能因噪声的影响而产生的在这种情况下，相位误差自然是随机的，也可能因信号REF的频率并非基本上与发射机使用的对应的信号REF的频率相等而造成的，在这种情形下相位差自然并非是随机的。误差检测器124的输出误差信号主要用来补偿信号REF的频率与对应的发射机侧的信号REF频率的偏差。
具体地说，这个误差信号施加在压控振荡器(VCO)网络128上。压控振荡器128包括一个低通滤波器，用以修改施加在正交解调器118上的正交相位正弦及余弦参考信号的值。修改好的正弦及余弦参考信号改变解调程序，直到代表检测器124输出信号的误差大小表明信号REF的频率偏离所需值的任何偏差都已得到补偿时为止。与单元128有关的低通滤波器对误差信号滤波，响应诸如上述频率偏差之类的非随机性质的误差，修改VCO128参考信号值及解调器118工作，和使其免诸如噪声之类的随机影响。包括宽带QAM处理器中的单元119、121、123、127和129在内的控制环路其工作方式与上面讨论过的窄带QAM处理器中单元118、120、124、126及128一样。涉及到估算器126，检测器124，VCO128及解调器118的环路操作的其它信息可参考Lee和Messerschmitt的“数字通信”一书(Kluwer AcademicPublishers，Boston，MA，USA，1988)。
直接数字频率合成器126′响应来自系统时钟产生器130的主时钟信号，产生一个时钟信号CLK，还向频率合成器135提供一个时钟信号以产生混合参考信号REF，信号REF的频率标称地对应于发射机侧使用的信号REF的频率。信号REF频率与所需频率的偏差须按上面讨论过的方式予以补偿。源126′的信号CLK是宽带处理器元件119、121、125及127的时钟信号。窄带处理器处理的信号具有宽带信号1/4带宽，故窄带处理器部件对应于时钟信号CLK/4，其频率为信号CLK的1/4，如分频除法器136所提供的时钟信号。
按收机侧的时信号CLK的频率对应于发射机侧使用的时钟信号CLK的频率(图3)。从较可靠的高功率窄带QAM分量中所含的信息导得接收机侧的时钟信号以建立适宜的接收机的时钟频率。具体地说，低通滤波器114输出的复合QAM信号施加在非线性信号产生器133(例如指数N产生器，N可为2或4)上，单元133以窄带QAM分量的符号速率产生单一频率分量。在这种情形下符号速率为0.96MHz，即比特速率的1/4。单元133还以低功率宽带QAM分量的符号速率产生高衰减的输出，其输出被随后的信号处理单元所忽略。
相位检测器137响应来自单元133的0.96MHz输出分量，并与低通滤波器138、合成器126′及除16的除法器139一起形成一个锁相环路。滤波器138除掉包括非线性信号产生器133产生的噪声在内的虚假频率。除法器139接收来自合成器126′的15.36MHz信号并且产生0.96MHz输出信号，施加到相位检测器137的控制输入端上。合成器126′包括一寄存器用以累积由滤波器138施加到合成器126′的信号所确定的相位增量，其累加速率由时钟产生器130的信号频率来决定。累积的相位值对于一个内含由单元126′的输出信号而合成的正弦值的ROM寻址。单元126′的功能可由加利福尼亚San Diego，Qualcomm公司商用ICQ 2334型集成电路来实施。
信号处理器140将来自解码器122的已解调的高优先权数据信号与来自解码器125的已解调的低优先权数据信号相组合。处理器140可包括诸如哈夫曼解码器和反量化器的数据解除压缩网路、误差校正网路及“去复用”和信号组合网路，以提供分离的伴音和图像电视信号分量。伴音分量由伴音信号处理器142处理，然后施加在伴音重放装置146上。图像分量由单元144处理到产生图像代表信号，并将其施加在图像显示装置148上。

Claims (14)

1.一种用以处理高清晰度电视信号并提供比标准清晰度电视信号更高的图象清晰度的系统，其特征在于它包含：
调制装置(12、14)，用第一电视信号信息调制第一载波，以产生一个已调制的第一载波；
调制装置(32、34)，用第二电视信号信息调制第二载波，以产生一个已调制的第二载波；
组合装置(18、20、22)用以组合上述第一和第二载波，产生内含高清晰度电视信息的复合调制信号，所述第一和第二载波分别被所述一和第二电视信号信息正交幅调；
由所述第一信息调制的所述第一载波表示相对于由所述第二信息调制的第二载波的一个窄带宽；
由所述第一信息调制的所述第一载波表示相对于由所述第二信息调制的第二载波的一个大波幅；和
其中所述复合信号表示一带宽，该带宽与一单个标准清晰度电视信号频道的带宽相兼容，并具有一调制频谱，表示在与所述标准清晰度电视信号的图象/声音载波相关的频率的信号衰减。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的已调制第一载波配置在上述复合调制信号频谱较低部分中，由上述标准清晰度电视信号中高能量信息相关的幅度衰减的频带使其与上述已调制的第二载波相分离。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，上述第一信息与上述第二信息相比，它是高优先权信息。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，上述第一信息所包括的视频信息主要是低频视频信息，及所述的第二信息包括高频视频信息。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述的第一信息另外包括声频信息和同步信息。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的第一信息和第二信息都是被压缩的数字信息。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二载波表示一数据速率，该数据速率是所述第一载波的数据速率的整倍数。
8.一种接收器设备，其特征在于，该设备包括：
接收装置，用以接收高清晰度电视信号，该信号包括具有一与单标准清晰度电视信号频道的带宽相兼容的带宽的复合调制信号；
所述调制信号包括以第一数据压缩数字电视信息调制的第一载波和以第二数据压缩数字电视信息调制的第二载波；
所述复合调制信号具有一调制频谱，表示与标准清晰度电视信号的图象/声音载波相关的信号衰减频率；
分离装置(114，116)，响应该上述复合调制信号，用以分离上述已调制的第一和第二载波；
第一信号处理装置(120-128，121-129)，包括解调装置(118，119)用以解调上述第一及第二载波，恢复上述第一及第二信息；
解除压缩装置，连接于所述解调装置，用以对所述数据压缩的第一和第二信息解除压缩；和
第二信号处理装置(140-148)，响应该上述经解压的的第一和第二信息，产生可代表图像的输出信号。
9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，上述已调制的第一载波占据上述复合调制信号频谱较低的部分；及
调制的第二载波占据上述复合调制信号频谱较高的部分。
10.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，上述已恢复的第一信息所包含的视频信息主要是低频视频信息；及上述已恢复的第二信息包括高频视频信息。
11.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述已恢复的第一信息还包括声频信息；和
所述第二信号处理装置包括声频处理装置(142，146)。
12.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述接收装置接收一复合信号，该复合信号包括由所述第一电视信息所抑制的第一载波分量和带有所述第二电视信息所抑制的第二载波分量。
13.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述被接收的第二载波调制信号具有一数据速率，该数据速率是所述第一载波的数据速率的整倍数。
14.根据权利要求8-13的任一项所述的设备，其特征在于，所述接收装置接收一复合调制信号，它包括由所述第一电视信息的正交相位型式所正交幅调的第一载波，和由所述第二电视信息的正交相位型式所正交幅调的第二载波。
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