DE19904956C2

DE19904956C2 - Verfahren und Vorrichtung zur optimalen Einstellung des Abtastzeitpunktes bei digitaler Zusatzdatenübertragung in analogen TV-Kanälen

Info

Publication number: DE19904956C2
Application number: DE1999104956
Authority: DE
Inventors: Jens Schoenthier; Adolf Finger; Hartmut Hiller; Axel Schmidt; Torsten Wojan
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 1999-02-06
Filing date: 1999-02-06
Publication date: 2001-05-10
Anticipated expiration: 2019-02-07
Also published as: DE19904956A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optimalen Einstellung des Abtastzeitpunktes bei digitaler Zusatzdatenübertragung in analogen TV-Kanälen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Für analoge TV-Systeme sind Verfahren bekannt, die auf das FBAS-Signal (Farb-, Bild-, Austast- und Synchronsignal) noch Zusatzsignale für die Übertragung weiterer Informationen (z. B. digitalisierte Tonsignale, digitale Bild- und Textdaten) überlagern bzw. in das FBAS- Signal eintasten.

Die Amplitude dieser Zusatzsignale kann je nach Verfahren in der Größenordnung des FBAS- Signales liegen, z. B. wie bei dem aus DE 31 03 406 A1 bekannten Verfahren zur Übertragung digitalisierter Tonsignale in der horizontalen Austastlücke eines Videosignales oder relativ klein gehalten werden, um Störungen und Abweichungen von der Fernsehnorm möglichst zu vermeiden, wie bei dem in der DE 195 22 590 A1 beschriebenen Verfahren und Vorrichtung zur Zusatzdatenübertragung in TV-Kanälen. In letzterem Fall ist es im Interesse einer kleinen Fehlerrate der Zusatzdaten von Vorteil, daß die Zusatzsignale auf der Sendeseite einer der Bandbreite des Fernsehkanals angepaßten Signalformung unterzogen werden und auf der Empfangsseite durch Korrelationsentscheidung detektiert werden.

Der Nachteil ist bei bekannten digitalen Korrelationsempfängern, die eine Binärentscheidung durch Auswertung von Abtastwerten herbeiführen, die notwendige Einstellung der optimalen Zeitlage der Abtastwerte.

Aus der WO 92/22 171 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem bei der Datenübertragung im Fernsehen, insbesondere beim Videotext, eine Feinsynchronisation des Abtastzeitpunktes für die Nutzdaten aus der Auswertung des Korrelationsverhaltens zwischen einer "Run-in"-Sequenz und einem im Empfänger vorliegenden Referenzsignal gewonnen wird. Dieses Verfahren erfordert jedoch die zusätzliche Übertragung einer solchen "Run-in"-Sequenz.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit denen eine automatische Einstellung des optimalen Abtastzeitpunktes eines digitalen Korrelationsempfängers für TV-Zusatzdatensignale vorgenommen werden kann, wobei eine Feinsynchronisation des Abtastzeitpunktes aus den Nutzdaten selbst ohne Verwendung einer zusätzlichen "Run-in"-Sequenz erfolgen soll.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, daß nach Einschalten des Empfängers und/oder zu festgelegten Kontrollzeiten und/oder permanent im digitalen Korrelationsempfänger eine bestimmte Anzahl von Kriterien K_A für die Lage eines jeden der L sich aus der Vorsynchronisation ergebenden und innerhalb eines definierten Bereiches befindlichen Abtastzeitpunkte berechnet werden und für die Erkennung des optimalen Abtastzeitpunktes das Maximum K_A,max dieser bestimmten Anzahl Kriterien ermittelt wird, und daß der dem Maximum zugehörige Abtastzeitpunkt als optimaler Wert für den regulären Empfang der Zusatzdaten im Korrelationsempfänger eingestellt wird. Vorteilhaft erfolgt für jeden der L Abtastzeitpunkte eine Mitteilung über eine hinreichend große Anzahl von M Datenbits, um ein stabiles, von Rauschstörungen weitgehend unabhängiges Kriterium K_A zu erhalten:

K_j bezeichne dabei den Korrelationswert und S_j den Schwellwert des jeweiligen Bits; durch die Betragsbildung stellt K_A ein datenunabhängiges Kriterium dar.

Die Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruchs 4 dadurch gelöst, daß von einem oder mehreren digitalen Korrelatoren Korrelationswerte K_i und Schwellwerte S_j an eine oder mehrere Einrichtungen zur Berechnung des Kriteriums K_A ausgegeben werden, wobei das Ergebnis bzw. die Ergebnisse der Berechnung des Kriteriums K_A über einen Maximalwertsucher und eine Takt- und Zeitsteuerung an den für die Bitregenerierung zuständigen digitalen Korrelator zurückgeführt wird, und die Ausgänge dieses digitalen Korrelators (Schwellwert S_B und Korrelationswert K_B) mit einem Bitentscheider verbunden sind.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen 5 und 6 genannten Merkmalen.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß bei Inbetriebnahme und Betrieb digitaler TV- Zusatzdatenempfänger keine Einstellung des Abtastzeitpunktes durch Fachpersonal erfolgen muß.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Beispiel einer Signalform mit 4 Sützwerte mit optimalen (durchgezogenen) und nichtoptimalen (gestrichelten) Abtastzeitpunkten

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einem Korrelator

Fig. 3 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit zwei Korrelatoren

Fig. 4 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit L + 1 Korrelatoren

Fig. 5 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit L Korrelatoren

In der Fig. 1 ist beispielhaft eine Signalform mit 4 sogenannten Stützwerten dargestellt. Die gestrichelt dargestellten vertikalen Linien stellen Stützwerte 1 zu nichtoptimalen Abtastzeitpunkten dar, die sich ergeben, wenn Sender und Empfänger nicht exakt synchronisiert sind. Stützwerte 2 zu optimalen Abtastzeitpunkten sind durch durchgezogene vertikale Linien dargestellt.

Die binäre Information "0" bzw. "1" eines Datenbits wird von N Stützwerten C_i repräsentiert, für die jeweils gilt: C_i ∈ {+1; 0, -1}. Eine mögliche Stützwertstruktur für N = 4 (+ - - +) ist in Fig. 1 dargestellt.

Die Stützwerte selbst dienen bei der eigentlichen Übertragung als "Wichtung" geeigneter, das 1. Nyquist-Kriterium der Signaltheorie erfüllender Impulse.

Die Störfestigkeit der Übertragung ist dann am größten, wenn "0"- und "1"-Datenbits gleiche Energie aufweisen (Gleichwahrscheinlichkeit für die Übertragung von 0- und 1-Datenbits vorausgesetzt). Wenn der in Fig. 1 dargestellte Signalverlauf g(t) dem Datenbit d_i = 1 zugeordnet wird, dann erhält d_i = 0 den inversen, d. h. an der x-Achse gespiegelten Verlauf [-g(t)]. An den Empfänger gelangt das gesendete Signal s_i(t) = (2 . d_i - 1) . g_i(t) aufgrund der Kanaleinflüsse verzerrt und mit Rauschstörungen überlagert. Das Wesen des Korrelationsempfanges besteht darin, daß das Empfangssignal _i(t) mit dem (im Empfänger identisch zum Sender vorhandenen) Referenzsignal g_i(t) multipliziert und das Ergebnis über die Bitdauer T integriert wird. Die Binärentscheidung zur Rückgewinnung einer Schätzung _i des gesendeten Datenbits d_i erfolgt auf Grundlage des Korrelationsergebnisses K_i:

(S_i bezeichne den Schwellwert der Datenentscheidung)

Zur Berechnung des optimalen Abtastzeitpunktes wird eine Vorrichtung, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, verwendet. Die Vorrichtung besteht aus einem digitalen Korrelator 4 als Kernstück eines hier nicht näher dargestellten Korrelationsempfängers. An den Eingang des digitalen Korrelators 4 ist das FBAS-Signal aufgeschaltet. Der Ausgang ist mit einer Einrichtung 5 zur Berechnung des Kriteriums K_A verbunden, und an den Eingang eines Bitentscheiders 8 aufgeschaltet. Die Einrichtung 5 zur Berechnung des Kriteriums K_A ist über einen Maximalwertsucher 6 und eine Takt- und Zeitsteuerung 7 mit dem digitalen Korrelator 4 rückgekoppelt. Das FBAS-Signal am Eingang des digitalen Korrelators 4 ist zusätzlich an die Takt- und Zeitsteuerung 7 aufgeschaltet.

Fig. 3, Fig. 4 und 5 zeigen weitere Vorrichtungen, mit denen der optimale Abtastzeitpunkt berechnet werden kann. Fig. 3 enthält im Gegensatz zu Fig. 2 zwei getrennte Korrelatoren 9 und 10, wobei 10 permanent zur Bitregenerierung genutzt wird, während 9 permanent die verschiedenen möglichen Abtastzeitpunkte durchkontrolliert. Ein eventuelles neues Optimum wird dann von der Einrichtung zur Maximalwertsuche 12 an die Takt- und Zeitsteuerung 13 mitgeteilt und von dieser im Korrelator 10 eingestellt. Fig. 4 enthält für jeden der L möglichen Abtastzeitpunkte einen Korrelator (15.1 bis 15.L), dem jeweils eine Einrichtung zur Berechnung des jeweiligen K_A,j nachgeschaltet ist (16.1 bis 16.L). Deren Ergebnisse werden in der Schaltung nach Fig. 4 von einer Einrichtung zur Maximalwertsuche 17 an die Takt- und Zeitsteuerung 18 weitergeleitet, welche den optimalen Abtastzeitpunkt im Korrelator 15.0 einstellt. Dessen Ausgabewerte K_B und S_B werden der Einrichtung zur Bitentscheidung 19 zugeführt. In der Schaltung nach Fig. 5 werden die Ergebnisse von der Einrichtung zur Maximalwertsuche 17 an einen Multiplexer 20 weitergeleitet, der den zum gefundenen Maximum gehörigen Korrelations- und Schwellwert als Ausgabewerte K_B und S_B der Einrichtung zur Bitentscheidung 19 zuführt.

Die drei Vorrichtungen nach Fig. 2, Fig. 3 und Fig. 4 und 5 sind alle dazu geeignet, den optimalen Abtastzeitpunkt einzustellen, die Anordnung nach Fig. 2 ist dabei die aufwandsgünstigste, benötigt jedoch am längsten zur Ermittlung des Optimums; zudem können während der Ermittlung des Optimums keine Bits regeneriert werden, da die Bitfehlerrate bei Abtastzeitpunkten weit außerhalb des Optimums - die während der Messung auch durchlaufen werden - sehr hoch ist. Die Anordnung nach Fig. 3 hat gegenüber der nach Fig. 2 den Vorteil, daß trotz nur wenig Mehraufwand die Ermittlung des optimalen Abtastzeitpunktes und die Bitregenerierung parallel erfolgen. Die Anordnungen nach Fig. 4 bzw. 5 sind die mit Abstand aufwendigsten, sind jedoch am schnellsten bei der Ermittlung des optimalen Abtastzeitpunktes. Fig. 5 benötigt einen Korrelator weniger als 4, allerdings kommt der Multiplexer hinzu. Auch hier erfolgt die Ermittlung des optimalen Abtastzeitpunktes gleichzeitig zur Bitregenierung.

Die praktische Realisierung der Multiplikation und Integration kann stabil, schnell und präzise auf digitalem Wege realisiert werden (wobei aus der Integration eine Summation wird). Dazu wird das Empfangssignal im zeitlichen Abstand der Stützwerte ausgewertet und diese Abtastwerte r_A(t_i) werden anschließend in ein Binärwort r_A(t_i) = (r₁, r_2, . . r_N) gewandelt. Für die zeitlich korrekte Integration, d. h. genau von Beginn bis zum Ende eines Datenbits, ist eine Synchronisation erforderlich. Für die Lösung dieses Synchronisationsproblems, das für die zeitliche Lage der Abtastwerte ebenso gilt, wird die Synchroninformation des FBAS-Signals genutzt.

Das Zeitregime arbeitet folglich unabhängig vom Pegel der Zusatzsignale. Entscheidend für die korrekte Funktion des Systems ist, daß die Synchronisation der Zusatzsignale in Sender und Empfänger in gleicher Weise durchgeführt wird. Dies wird durch identische Synchronisationsschaltungen gewährleistet.

Entsprechend der sendeseitig vorgenommenen Eintastung der Zusatzsignale wird die Folge der analog/digital-gewandelten Abtastwerte im digitalen Korrelator - dem Kern des Empfängers - zuerst multiplikativ mit dem binären Referenzsignal verknüpft. Anschließend werden die Produkte einem pausenfrei arbeitenden Integrator ("totzeitfreier" Integrator) zugeführt. Dessen Realisierungsprinzip ermöglicht es, während der Entscheidung über ein Datenbit bereits den ersten gewichteten Abtastwert des nächsten Bits aufzunehmen. Der Integrator summiert alle N mit dem Referenzsignal gewichteten Abtastwerte, die zu einem Bit gehören, auf. Eine zusätzliche Schaltung ermittelt parallel den für die aktuelle Bitentscheidung zutreffenden Schwellwert, anhand dessen am Ende des Bits (d. h. der Integration) die Entscheidung über den Wert des gesendeten Bits getroffen wird.

Die zeitliche Lage der Abtastwerte wird mit hoher Präzision, im Ausführungsbeispiel mit der Systemtaktzeit 37,037 ns = 1/27 MHz durch die Synchronisationsschaltung definiert. Durch unterschiedliche Gruppenlaufzeiten auf dem Übetragungswege (Freiraum, Kabel, Filter, . . .) treten zeitliche Verschiebungen von Signalanteilen unterschiedlicher Frequenz auf. Bezogen auf einen fixen Synchronzeitpunkt t₀ im Sender und (unterschiedlichen) Empfängern muß eine Feineinstellung des Abtastzeitpunktes durchgeführt werden, um optimale an den Stützwerten der Zusatzsignale liegende Abtastzeitpunkte (1. Nyquist-Kriterium) zu erhalten.

Bezugszeichenliste

1

Stützwert zu nichtoptimalem Abtastzeitpunkt

2

Stützwert zu optimalem Abtastzeitpunkt

3

analoge Signalform mit Abtastwerten (Punkte)

4

digitaler Korrelator

5

Einrichtung zur Berechnung des Kriteriums K_A

6

Optimalwertsucher

7

Takt- und Zeitsteuerung

8

Bitentscheider

9

digitaler Korrelator

10

digitaler Korrelator

11

Einrichtung zur Berechnung des Kriteriums K_A

12

Optimalwertsucher

13

Takt- und Zeitsteuerung

14

Bitentscheider

15.0

digitaler Korrelator

15.1

-

15

.L digitaler Korrelator

16.1

-

16

.L Einrichtung zur Berechnung des Kriteriums K_A

17

Optimalwertsucher

18

Takt- und Zeitsteuerung

19

Bitentscheider

20

Multiplexer
S_i

Schwellwert
K_i

Korrelationswert
S_B

Schwellwert für Bitentscheidung
K_B

Korrelationswert für Bitentscheidung
FBAS-Signal Farb-Bild-Austast-Synchron-Signal

Claims

1. Verfahren zur automatischen Abtastzeitpunkt-Einstellung eines digitalen Korrelationsempfängers zur TV-Zusatzdatenübertragung, der durch geeignete Auswertung des FBAS-Signals vorsynchronisiert ist und bei dem das FBAS-Nutzsignal im Empfänger entsprechende Abtastzeitpunkte entlang der Signalform aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß nach Einschalten des Empfängers und/oder zu festgelegten Kontrollzeiten und/oder permanent im digitalen Korrelationsempfänger eine bestimmte Anzahl von durch Korrelation über eine Bitdauer T ermittelten Kriterien K_A für jeden sich aus der Vorsynchronisation ergebenden Abtastzeitpunkt berechnet werden und für die Erkennung des optimalen Abtastzeitpunktes das Maximum K_A,max dieser bestimmten Anzahl Kriterien ermittelt wird, und daß der dem Maximum zugehörige Abtastzeitpunkt als optimaler Wert für den regulären Empfang der Zusatzdaten im Korrelationsempfänger eingestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kriterium K_A für die Lage der Abtastzeitpunkte aus den Ergebnissen der Korrelationsentscheidungen für eine Anzahl von Datenbits berechnet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch schrittweise Veränderung der Abtastzeitpunkte innerhalb eines definierten Bereiches das Maximum K_A,max gefunden wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, mit wenigstens einem digitalen Korrelator (4) im Empfänger, dem ein FBAS-Signal zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß von dem digitalen Korrelator (4) Korrelationswerte K_i und Schwellwerte S_i an eine Einrichtung (5) zur Berechnung des Kriteriums K_A ausgegeben werden, wobei das Ergebnis der Berechnung des Kriteriums K_A über einen Maximalwertsucher (6) und eine Takt- und Zeitsteuerung (7) an den digitalen Korrelator (4) zurückgeführt wird, und die Ausgänge des digitalen Korrelators (4) mit dem Schwellwert S_i und dem Korrelationswert K_i mit einem Bitentscheider (8) verbunden sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei digitalen Korrelatoren (9 und 10) im Empfänger, denen ein FBAS-Signal zugeführt wird, vorgesehen sind, von dem digitalen Korrelator (9) Korrelationswerte K_i und Schwellwerte S_i an eine Einrichtung (11) zur Berechnung des Kriteriums K_A ausgegeben werden, wobei das Ergebnis der Berechnung des Kriteriums K_A über einen Maximalwertsucher (12) und eine Takt- und Zeitsteuerung (13) an den digitalen Korrelator (10) zurückgeführt wird, und die Ausgänge des digitalen Korrelators (10) mit dem Schwellwert S_i und dem Korrelationswert K_i mit einem Bitentscheider (14) verbunden sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß L + 1 bzw. L digitale Korrelatoren (15.0, 15.1 bis 15.L bzw. 15.1 bis 15.L) im Empfänger, denen ein FBAS-Signal zugeführt wird, vorgesehen sind, von den digitalen Korrelatoren (15.1 bis 15.L) Korrelationswerte K_j (j = 1 . . L) und Schwellwerte S_j(j = 1 . . L) an Einrichtungen (16.1 bis 16.L) zur Berechnung der Kriterien K_A,j (j = 1 . . L) ausgegeben werden, wobei das Ergebnis der Berechnung der Kriterien K_A,j (j = 1 . . L) entweder über einen Maximalwertsucher (17) und eine Takt- und Zeitsteuerung (18) an den digitalen Korrelator (15.0) oder über einen Maximalwertsucher (17) an einen Multiplexer (20) zurückgeführt wird, und die Ausgänge des digitalen Korrelators (15.0) bzw. die Ausgänge des Multiplexers (20) mit dem Schwellwert S_B und dem Korrelationswert K_B mit einem Bitentscheider (19) verbunden sind.