DE19504728A1 - Verfahren zu komprimieren und dekomprimieren von amplitudenmodulierten Signalen - Google Patents

Verfahren zu komprimieren und dekomprimieren von amplitudenmodulierten Signalen

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Komprimieren und Dekomprimieren von amplitudenmodulierten Signalen, insbesondere in der Fernseh- und Computertechnik.
Die Nachteile der heutigen Technik bestehen darin, daß zur Übertragung von zwei amplitudenmodulierten Signalen (wie Fernsehbildern) zwei Frequenzen (Fernsehkanäle) nötig sind oder in der Computertechnik zur Übertragung mehrerer Signale mehrere Frequenzen oder mehrere Leitungen benutzt werden müssen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einem amplitudenmodulierten Signal noch weitere Informationen übertragen zu können, und daß in der Fernsehtechnik das übertragene Fernsehsignal kompatibel bleibt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß folgendermaßen gelöst (s. Fig. 1).
a) In der Fernsehtechnik
Senderseitig wird das Signal a (z. B. das Helligkeitssignal des linken Fernsehbildes) mit einhundert multipliziert, auf ganze Hunderter nach unten abgerundet und mit dem nicht abgerundeten Signal b (z. B. das Helligkeitssignal des rechten Bildes) addiert.
Auf der Stelle des ersten (1. BP) und zweiten (2. BP) Bildpunktes jeder Zeile werden zwei Kalibrierungsimpulse (1. KI und 2. KI) gesendet (auf dem Bildschirm sind diese Impulse nicht zu sehen, weil sie unter dem Bildrand des Fernsehbildschirmes versteckt sind bzw. durch die Bildbreiteeinstellung versteckt werden können).
Der erste Kalibrierimpuls (1. KI) soll die Extrema der übertragenen Information enthalten (z. B. den Schwarz- und den Weißwert). Er ist die Summe der maximalen Amplituden der einzelnen Signale (Informationen).
Der zweite Kalibrierimpuls soll dazu helfen, die Decoder genau (verhältnisgleich zum Kalibrierimpuls) einzustellen.
Beispiel: Die maximalen Amplituden beider Informationen a und b werden auf z. B. einhundert gleiche Teile (00 . . . 99) aufgeteilt (a = 99, b = 99).
Der erste Kalibrierimpuls ist dann genau 10 000 von diesen Teilen groß (0000 . . . 9999), sein Wert ist:
1. KI = 100*99 + 1*99 = 9999.
Der zweite Kalibrierimpuls besteht aus einer Addition von zwei bekannten (festgelegten) Werten von a und b (z. B. a = 55.00 und b = 55.00), indem das a zuerst mit 100 multipliziert wird (a′ = 5500.00). Der zweite Kalibrierimpuls hat dann einen Wert von 5555.00 (2. KI = 100*a + 1*b = 5500 + 55 = 5555).
Das übertragene, komprimierte Signal wird weiter KS genannt (KS = 100*a + 1b, in der Fernsehsignalübertragung ist das das Helligkeitssignal ohne Synchroimpulse). Der Wert jedes Signals (a oder b) kann sich in Werten von 00 bis 99 bewegen (das bedeutet z. B. für die Helligkeit, daß sie auf einhundert Graustufen aufgeteilt wird (Weiß und Schwarz eingeschlossen).
Empfängerseitig können zuerst die Dächer des Singals KS geglättet werden (indem man das Signal KS auf die Dächer klemmt, schneidet und das gleiche zuerst wieder zuführt).
Dann wird der erste Kalibrierimpuls ausgetastet (Bezugslage für die Austastung ist der Synchroimpuls) und auf irgendeinen Wert eingestellt (vergrößert/verkleinert, irgendein Wert deswegen, weil jede weitere Wertegewinnung nur verhältnisabhängig ist), womit zwei feste Bezugspunkte gewonnen werden (z. B. einen für den Schwarz- und einen für den Weißwert), und damit das Signal verhältnisgleich wieder hergestellt wird.
Der zweite Kalibrierimpuls (2. KI = 5555, können auch weitere wie 3. KI = 0099 oder 4. KI = 9999 folgen) wird zum Justieren und zur Regelung der Decoder Da und Db genutzt (ist jedoch nicht nötig, wenn der erste Kalibrierimpuls die folgende Funktionen erfüllt:
Den Signalpegel und die Decoder einstellt und regelt.
Der Decoder Da (s. Fig. 2) gewinnt das Signal a, indem er zuerst das Signal KS auf ganze Hunderter nach unten abrundet und dann durch einhundert teilt. Decoder Db gewinnt das Signal b, indem er vom Signal KS (5555) das Signal a′ (5500) abzieht. Es entstehen wieder zwei gleich große Signale, die in man zur Einstellung (zu einer Regelspannung oder zur optischen Einstellung im Fernsehtestbild) der beiden Decoder nutzen kann.
Das Verfahren zum Komprimieren und Dekomprimieren von amplitudenmodulierten Signalen erlaubt ein sauberes Abschneiden von übertragenen Amplituden.
Ein Beispiel zum eventuellen Glätten von Dächern des Signals KS (zur Steigerung der Decodierungsgenauigkeit): Die Kalibrierungsimpulse sind zueinander direkt proportional und stehen zueinander in einem bekannten, (festgelegten) Verhältnis. Das heißt, es können auch Unebenheiten an den Dächern des Signals KS abgeschnitten werden, das Signal und die Decodierung auf die durch Kalibrierungsimpulse angegebenen Werte eingestellt werden. Bedingung dafür ist, daß der dem Signal KS zuerst hinzuaddierte Gleichspannungsanteil so groß sein muß wie derjenige, der später von den angeklemmten (mit Hilfe einer Klemmdiode) Dächern abgeschnitten wird (wegen Verlust von kleinen Daten, Abhilfe wäre: ein dritter Kalibrierimpuls mit a = 00, b = 55 oder b = 99, der aussagen könnte, ob beim falsch eingestellten Abschneiden oder beim falsch eingestellten Gleichspannungsanteil Daten verloren gegangen sind).
Eine andere Möglichkeit, wie die Unebenheiten an den Dächern zu glätten sind: Das Signal KS (und der zweite Kalibrierimpuls) wird zuerst auf den vollen Wert (auf den vollen Wert des ersten Kalibrierimpulses, auf 9999) vervollständigt, am Dach abgeschnitten (die Kalibrierimpulse auch), dann nach dem ersten Kalibrierimpuls kalibriert (auf 9999), dann wird der hinzuaddierte Wert wieder abgezogen und die beiden Decoder eingestellt, so daß an ihren Ausgängen zwei gewünschte Signale stehen (z. B. a = 55, b = 55 oder a = 00, b = 99 oder a = 99, b = 99).
b) In der Computertechnik
In der Computertechnik kommt man beim Übertragen von binären Signalen (weiter Informationen) mit einem Synchro- und mit einem Kalibrierimpuls aus. Der Synchroimpuls (ähnlich wie der Zeilenaustastimpuls in der Fernsehtechnik) dient u. a. dazu, den Kalibrierimpuls austasten zu können. Der Kalibrierimpuls KI hat den Wert von Zwei hoch Zahl der übertragenen Informationen minus Eins (KI = 2ˆn-1; n - Zahl der übertragenen Informationen). Z. B. sollen drei Informationen auf einmal übertragen werden:
2ˆ3-1 = 7.
Die Informationen (a, b, c, . . . ) werden folgendermaßen zusammengesetzt: KS = 4*c + 2*b + 1*a. Die Informationen werden folgendermaßen decodiert: Jeder Decoder (a, b, c, . . . ) prüft, wie oft sein Wert (. . . , 4, 2, 1) in den übertragenen Wert paßt: Einmal oder Nullmal. An den Ausgängen der Decoder (a, b, c, . . . ) stehen dementsprechend die Informationen (a, b, c, . . . ) auf Null oder Eins gesetzt.
Der Kalibrierimpuls für drei auf einmal übertragene binäre Informationen wird den Wert 7 haben (1*1 + 2*1 + 4*1 = 7 oder 2ˆ3-1 = 7) und wird folgendermaßen decodiert: 7-4 = 3. c = 1, weil der Wert des Decoders c (die 4) einmal in die 7 paßt. 3-2 = 1 b = 1, weil der Wert des Decoders b (die 2) einmal in die 3 paßt. 1-1 = 0, a = 1, weil der Wert des Decoders a (die 1) einmal in die 1 paßt. An den Ausgängen steht a = 1, b = 1 und c = 1.
Ein anderes Beispiel: Es werden 8 Bit auf einmal übertragen, der übertragene (komprimierte) Wert ist 33. (Der Kalibrierimpuls ist 2ˆ8-1 = 255 groß, die Decoder a bis h haben die Werte 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 und 128). h = 0, g = 0, f = 1, e = 0, d = 0, c = 0, b = 0 und a = 1, weil nur die Werte 32 und 1 passen.
Dieses Komprimierungsverfahren erlaubt die Verwendung von D/A- und A/D-Umsetzern (s. Fig. 5), indem man senderseitig einen Synchro- und einen Kalibrierimpuls mitsendet und indem man empfängerseitig zuerst die Eingangsspannung des A/D-Umsetzers kalibriert.
Der Vorteil der Kalibrierung liegt darin, daß sich bei längeren Übertragungsstrecken die Amplitudenverzerrungen oder -schwankungen mit Hilfe des Kalibrierimpulses ausregeln bzw. beheben lassen. Der Synchroimpuls kann u. U. auch zum Synchronisieren der Taktfrequenz benutzt werden.
Um Amplitudenstörungen auf den Übertragungsstrecken zu vermeiden, kann senderseitig das komprimierte Signal bekannterweise auf einen HF-Träger frequenzmoduliert werden.
Erzielte Vorteile sind:
  • 1) Die Kompatibilität in der Fernsehtechnik. Das Signal a kann bei handelsüblichen Fernsehgeräten ( ohne irgendeine zusätzliche Behandlung) als Helligkeitssignal wiedergegeben werden, weil der Fehler am übertragenen Helligkeitssignal unter 1% liegt. Durch das Abrunden des originalen Helligkeitssignals nach unten und das Hinzuaddieren des Signals b entsteht ein Fehler, der sich teilweise oder ganz aufhebt oder der kleiner als 1% (als eine Graustufe, eine von Hundert) ist (z. B. wird das Signal a′ = 5599 auf a′ = 5500 abgerundet, und es wird das Signal b = 00 hinzugerechnet, wodurch ein Fehler von 0,99% entsteht. Wird jedoch b = 99, hebt sich der Fehler auf). Eine Helligkeitsänderung von 1% wird das Auge kaum wahrnehmen können.
  • 2) Die Möglichkeit einer Übertragung von dreidimensionalen Bildern über einen Fernsehkanal. Man überträgt mit Signal a das linke Bild, mit Signal b das rechte Bild oder mit Signal b nur die seitliche Verschiebung des rechten Bildes zum linken (das rechte kann simuliert werden).
  • 3) Die Möglichkeit einer Übertragung von mehreren binären Signalen in der Computertechnik (mit einer Leitung und mit einer Frequenz) auf einmal.
  • 4) Die Teilung der Signale a, b, . . . ist direkt proportional zur Teilung der Kalibrierungsimpulse. Sie stehen zueinander in einem bekannten, (festgelegten) Verhältnis. Darum lassen sich Amplitudenverzerrungen oder -schwankungen mit Hilfe des Kalibrierimpulses ausregeln bzw. beheben.
  • 5) Die Speicherkapazität der Massenspeicher wie Disketten, Bänder und CD′s kann evtl. vergrößert werden.
  • 6) Die Zugriffszeit auf diese Massenspeicher kann evtl. verkürzt werden, weil anstelle eines Bits mehrere Bits auf einmal (mit einer Leitung) gelesen/geschrieben werden können.
  • 7) Die Möglichkeit einer Übertragung von mehreren binären Signalen mit Hilfe eines Fernsehsignals. Z. B. könnte man in den drei ersten und in den drei letzten Zeilen des Fernsehbildes in jeder Sekunde 780.000 Bit übertragen (6 Zeilen × 650 Bildpunkte × 25 Bilder/s × 8 Bit/Bildpunkt = 780.000)
  • 8) Übertragen von einigen wenigen binären Informationen direkt im Helligkeitssignal (z. B. drei Bits pro Bildpunkt, das würde zusätzliche 30.420.000 Bit/s transportieren (650 Bildpunkte × 624 Zeilen × 25 Bilder/s × 3 Bit = 30.420.000 Bit/s), z. B. für einen erweiterten Videotext oder andere Dienste. (Der erste Kalibrierimpuls hätte dann den Wert von 1. KI = 100*a + (4*b + 2*c + 1*d) = 997; a - Helligkeitssignal; b,c,d - Binärsignale), der zweite Kalibrierimpuls (ist nicht unbedingt nötig) hätte einen gewählten Wert von z. B. 2. KI = 557.
Anwendungsbeispiel 1
Verfahren zum Komprimieren und Dekomprimieren von amplitudenmodulierten Signalen, insbesondere in der Fernseh- und Computertechnik nach Patentanspruch 1, ist in Fig. 2 beschrieben.
Signale a und b und c sollen übertragen werden. Signal a wird mit einhundert multipliziert (a′ = 100*a), Signal b wird mit zehn multipliziert (b′ = 10*b) und Signal c mit eins (c′ = 1*c). Signal a′ wird nach unten auf ganze Hunderter abgerundet, Signal b′ wird nach unten auf ganze Zehner abgerundet, Signal c′ wird nicht abgerundet. Die Signale a′ und b′ und c′ werden zusammenaddiert. Das Summensignal KS = 100*a + 10*b + 1*c (oder KS = a′ + b′ + c′) wird einen beliebigen Wert von 000 bis 999 haben.
Der erste Kalibrierimpuls hat den Wert von 999, weil er den maximalen Wert haben soll, besteht also aus a = 9, b = 9 und c = 9 (900 + 90 + 9 = 999), weil alle Signale (a, b, und c) in diesem Beispiel einen Wert von 0 bis 9 haben können.
Der zweite Kalibrierimpuls hat dann einen gewählten Wert von z. B. 555 (a = 5, b = 5, c = 5). Der erste Decoder Da trennt das Signal a′ (a′ = 500), indem er das Signal KS auf ganze Hunderter abrundet (nach unten) (d. h. auch, wieviele ganze Hunderter in den Wert von 555 hinein passen), dividiert durch 100 und gewinnt das Signal a (a = 5) Außerdem gewinnt er noch das Differenzsignal KS′ = 55 (555-500 = 55). Der zweite Decoder Db trennt das Signal b′ (b′ = 50), indem er versucht, wieviele ganze Zehner in den Wert von 55 hinein passen (er rundet ab) dividiert durch 10 und gewinnt das Signal b (b = 5). Der dritte Decoder Dc zieht das Signal b′ von dem Differenzsignal KS′ ab (55-50 = 5) und gewinnt somit das Signal c (c = 5). Am Ausgang der Decoder stehen alle drei Informationen wieder zur Verfügung.
Anwendungsbeispiel 2
Verfahren zum Komprimieren und Dekomprimieren von amplitudenmodulierten Signalen, insbesondere in der Fernseh- und Computertechnik nach Patentanspruch 1, ist in Fig. 4 und 5 beschrieben.
Es sollen acht binäre, digitale Signale (z. B. auf einem HF-Träger) auf einmal übertragen werden. Zuerst wird ein Synchroimpuls, der z. B. um 20% größer als der Kalibrierimpuls ist, gesendet. Als zweiter der Kalibrierimpuls (KI), dessen Wert KI = 2ˆ8-1 = 255 (oder a = 1, b = 1, . . . , h = 1, a′ = 1*a = 1, b′ = 2*b = 2, . . . , h′ = 128*h = 128, KI = a′ + b′ + . . . + h′ = 1 + 2 + . . . + 128 = 255) ist. Die binären, digitalen Signale werden in ein analoges Signal (z. B. mit Hilfe eines D/A-Umsetzers) umgewandelt und in der Zeit zwischen dem KI und dem nächsten Synchroimpuls SI gesendet.
*** Damit es gleich aussieht: "dem Kalibrierimpuls KI" *** Empfängerseitig wird zuerst der Synchroimpuls SI gewonnen und mit seiner Hilfe der KI ausgetastet. Mit dem KI werden die Decoder (bzw. der A/D-Wandler) so kalibriert (z. B. die Eingangsspannung für den A/D-Wandler zubereitet (vergrößert/verkleinert)), daß am Ausgang die Signale a = 1, b = 1, . . . , h = 1 stehen. Die aus dem KI gewonnene Regelgröße hält an und kann mit dem nächsten KI korrigiert werden. (Um ganz genau kalibrieren zu können (denn die Eingangsspannung des A/D-Wandlers muß nicht immer einen linearen Verlauf haben), müßten mehrere Kalibrierungsimpulse gesendet werden, um den linearen Verlauf der Eingangsspannung des A/D-Umsetzers wieder herzustellen zu können).
Das S in Fig. 5 kann ein Massenspeicher sein (wie Diskette, Magnetband, CD) oder eine Übertragungsstrecke (Luft, Kabel, Lichtwellenleiter).
Vorteile
1) Die Übertragung kann bis zu acht mal so schnell wie die nicht komprimierte.
2) Auf den Massenspeicher passen ca. acht mal mehr Informationen.

Claims (5)

1. Verfahren zum Komprimieren und Dekomprimieren von amplitudenmodulierten Signalen, insbesondere in der Fernseh- und Computertechnik, dadurch gekennzeichnet, daß im amplitudenmodulierten Signal mindestens zwei Signale übertragen werden.
2. Verfahren zum Komprimieren und Dekomprimieren von amplitudenmodulierten Signalen, insbesondere in der Fernseh- und Computertechnik nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Decodieren (zum Trennen der Signale) ein Synchro- und mindestens ein Kalibrierimpuls verwendet werden.
3. Verfahren zum Komprimieren und Dekomprimieren von amplitudenmodulierten Signalen, insbesondere in der Fernseh- und Computertechnik nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Signal mit einem Faktor multipliziert wird und mit dem anderen Signal addiert wird.
4. Verfahren zum Komprimieren und Dekomprimieren von amplitudenmodulierten Signalen, insbesondere in der Fernseh- und Computertechnik nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das übertragene, komprimierte Signal auf der Empfängerseite nach einem Kalibrierimpuls verhältnisgleich hergestellt und das Signal decodiert wird.
5. Verfahren zum Komprimieren und Dekomprimieren von amplitudenmodulierten Signalen, insbesondere in der Fernseh- und Computertechnik nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Decoder auf der Empfängerseite nach einem Kalibrierimpuls eingestellt werden.
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