DE2341930C3

DE2341930C3 - Digitales adaptives Fernsehübertragungssystem

Info

Publication number: DE2341930C3
Application number: DE19732341930
Authority: DE
Inventors: Ludwig Dipl.-Ing 6451 Mainflingen; Wengenroth Günther Dipl.-Ing 6100 Darmstadt Stenger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Filing date: 1973-08-20
Publication date: 1977-11-24

Description

Die Erfindung betrifft ein digitales adaptives Fernsehübertragungssystem mit verschiedenen, der jeweiligen Aussteuerung des Videosignals entsprechend auszuwählenden Quantisierungskennlinien.

Derartige Systeme erstreben eine Verbesserung der ho Eigenschaften von Verfahren, die aufgrund der Redundanz des Fernsehbildes eine Verringerung der zu übertragenden Bitrate ermöglichen. Bekannt ist in diesem Zusammenhang das auf einer Umschaltung der Quantisierungskennlinie beruhende Sliding-Scale-Verfahren (Brown E. F., A sliding Scale direct feedback pcm-coder for Television, Bell. Syst. Techn. Journ. 1969, S. 1537-1553).

Bei diesem Verfahren wird für die Übertragung der Steuersignale zur Auswahl der für den jeweiligen Bildinhalt optimalen Quantisierungskennlinie eine zusätzliche Anzahl von Bits, d.h. Kanalkapazität benötigt, die den erstrebten Effekt der Redundanzverminderung nicht voll zur Wirkung kommen läßt.

Aus der »Internationen Elektronischen Rundschau« 27 (1973) 1, Seite 12 bis 18 ist weiter ein adaptiver Interframe-Codierer für Fernsehsignale einer anderen Gattung bekannt, bei dem Quantisierungskennlinien nicht entsprechend der jeweiligen Aussteuerung des Videosignals selbst, sondern entsprechend kleiner, bei einer Differenzpulscodemodulation anfallender Differenzwerte ausgewählt werden, wobei die Auswahlinformation sich nur auf einige vorangegangene und benachbarte Bildpunkte bezieht. Diese muß nicht zur Empfangsseite übertragen werden, weil sie im Empfänger selbst ableitDar ist. Dieses Verfahren ist aber gegenüber bei der Übertragung auftretenden Fehlern anfällig.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Fernsehübertragungssystem der einleitend geschilderten Art die zur Auswahl der jeweils optimalen Quantisierungskennlinie notwendigen Signale ohne zusätzliche Kanalkapazität störsicher zu übertragen.

Es ist bereits ein Verfahren zur Gewinnung eines Steuersignals zur Anpassung der Quantisierungskennlinie adaptiver digitaler Farbfernsehübertragungssysteme an die jeweilige Aussteuerung vorgeschlagen worden. Bei dem älteren Vorschlag wird das Steuersignal zur Anpassung der Quantisierungskennlinie der Farbcoder bzw. -decoder aus der Ecken- und Konturinformation des zugehörigen Helligkeitssignals abgeleitet. Dieses Verfahren liefert jedoch nur für den Fabcoder- bzw. -decoder eine Lösung, nicht jedoch für den Helligkeitscoder- bzw. -decoder (Patentanmeldung P 22 31 612.7).

Die oben dargestellte Aufgabe der Übertragung der Steuersignale zur Auswahl der Quantisierungskennlinien in digitalen adaptiven Fernsehübertragungssystemen wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Information zur Auswahl der Quantisierungskennlinien durch Permutation der Codewörter der Codewortkombination für die dem jeweiligen analogen Bildinhalt vorausgehenden Synchronimpulse verschlüsselt mitübertragen wird.

Diese Lösung hat nicht nur den Vorteil, daß keine zusätzliche Kanalkapazität zur Übertragung der Auswahlinformation benötigt wird, sondern auch, daß die ohnehin notwendige gesicherte Übertragung der Synchron-Codewortkombination gleichzeitig die entsprechende Fehlersicherung für die Auswahlinformation ohne zusätzlichen Aufwand mitbedingt.

Für die Erfindung ergeben sich verschiedene Ausführungsmöglichkeiten. Im einfachsten Falle wird die Auswahlinformation aus der Kenntnis der jeweiligen Bildqueile abgeleitet. Durch unterschiedliche Bildquellen (Kamera, Diageber, Farbbalkengeber) ergeben sich nämlich unterschiedliche Anforderungen an eine optimale Quantisierungskennlinie, wie nachstehend erläutert werden soll.

So werden im Falle einer PCM-Codierung vor Video-Signalen die z. B. 256 Amplitudenstufen (entspre chend 8 bit) so gestaffelt, daß sie gerade der Dynamikbereich, also die 0,7 V_ss eines Cüd-Austast-Si gnals oder die 1 V_ss eines Bild-Austast-Synchron-Signah oder Farb-Bild-Austast-Synchron-Signals abdecken

Unberücksichtigt bleiben alle die Fälle, in denen jedingt durch eine relativ geringe Dynamik des Videosignals — über weite Bereiche des Bildes nur ein Teil dieser auf den Gesamtaussteuerbereich fixierten Kennlinie ausgenutzt wird.

Im Falle einer DPCM-Codierung (DPCM = Differential-Puls-Code-Modulation) des Ldminanzsignals z. B. ist die Quantisierungskennlinie des Systems so abzugleichen, daß eine möglichst geringe Übersteuerung bei Bildvorlagen mit Testsignalcharakter oder bei elektronisch erzeugten Testsignalen entsteht. Die dann vorliegende hohe Dynamik wird aber in natürlichen Bildvorlagen nur selten erreicht, so daß bei der Codierung dieser Bilder Signal- zu Quantisierungsgeräusch-Abstand verloren geht.

Als weiteres typisches Beispiel kann der elektronisch erzeugte Farbbalkentest herangezogen werden, bei dem Farben mit 100% Sättigung auftreten. Beim Abtasten von Farbdias oder Farbfilmen sind jedoch Sättigungswerte von nur 40 bis 60% erreichbar. Damit wird bei getrennter Codierung von Luminanz- und Chrominanzsignalen im Farbkanal ebenfalls durch Berücksichtigung der besonderen Verhältnisse bei Testsignalen auf ein günstigeres Verhältnis des Signals - zum Quantisierungsgeräusch verzichtet.

Soweit diese Schwierigkeiten allein durch verschiedene Bildquellen hervorgerufen werden, bietet die Auswahl der Quantisierungskennlinie nach der Bildquelle eine einfache Lösung.

Zweckmäßig wird dann die Auswahlinformation mit der jedem Bild bzw. Halbbild vorangehenden Codewortkombination für den Bildsynchronimpuls übertragen.

Will man jedoch die Quantisierungskennlinie zusätzlich oder ausschließlich — wenigstens grob — an den wechselnden Bildinhalt anpassen, so wird die Auswahlinformation vorteilhaft aus dem Amplitudenverlauf des analogen Bildinhaltes (Bild oder Zeile), vorzugsweise der Zeile, abgeleitet.

In diesem Falle wird die Auswahlinformation zweckmäßig in der jeder Zeile vorangehenden Codewortkombination für den Zeilensynchronimpuls verschlüsselt übertragen.

Bei der Auswahl der Codewortkombination für die Synchronimpulse ist zu überlegen, ob bzw. mit welcher Wahrscheinlichkeit sie bei der Codierung der Bildinformation zufällig entstehen kann, und ob der Synchronisations-Zeitpunkt auch bei gestörter Übertragung hinreichend deutlich gekennzeichnet ist. Als geeignete Codekombination haben sich z. B. die »Barker-Codes« erwiesen (S. W. C ο 1 ο m b, R. A. S c h ' ο t ζ, Generalized Barker Sequences, IEE Transactions on Information Theory Vol. II-11, No. 4, Oct. 1965, S. 533-537 und R. H. Pettit, Pulse Sequences with good Autocorrelation Properties, The Microwave Journal, Fe. 1967, S. 63 -67). Baut man nun die Codewortkombination für die Synchronimpulse aus χ Codewörtern zu je m bit auf und ordnet jeder der demzufolge x\ Permutationsmöglichkeiten jeweils eine Auswahlinformation zu, dann bietet sich die Möglichkeit, durch Permutation dieser χ Codewörter x\ zusätzliche Informationen an den Empfänger zu übermitteln.

Man kann nun in Fortführung des Erfindungsgedankens den Bildinhalt (Bild bzw. Zeile) in χ Zeitabschnitte unterteilen und die dem Bild bzw. der Zeile jeweils vorangehende Synchroncodewortkombination in einer solchen Permutation übertragen, daß für jeden Zeitabschnitt des Bildes bzw. der Zeile die voraussichtlich

optimale Quantisierungskennlinie vorangestellt wird.

Hat man z.B. einen 12stelligen Code für die Synchronisierung ausgewählt, dann kann diese Kombination in drei Codewörter zu je 4 bit aufgeteilt werden. Die drei Codewörter sind nach den Gesetzen der Kombinatorik vertauschbar und bieten 3! also 6 verschiedene Möglichkeiten der Signalisierung; es ist also möglich, pro Zeile oder pro Bild 3 Unterabschnitte mit je zwei verschiedenen Kennlinientypen zu unterscheiden.

Mit einem 16stelligen Code ergeben sich entsprechend 4! also 24 verschiedene Kombinationen.

Es ist bei dieser Technik allerdings darauf zu achten, daß χ /77-stellige Codewörter auch bei χ ■ τη= η in der Störfestigkeit nicht mit einer n-stelligen Wortkombination vergleichbar sind. Die Störsicherheit ist jedoch x-mal höher als die eines einfachen /n-stelligen Codes.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild der Sendeseite eines bekannten digitalen Fernsehübertragungssystems,

F i g. 2a ein vereinfacht dargestelltes Blockschaltbild der Sendeseite eines adaptiven digitalen Fernsehübertragungssystems mit den Merkmalen der Erfindung,

F i g. 2b seine Wirkungsweise,

F i g. 3 eine schematische Darstellung der empfangsseitigen Decodierung der Auswahlinformation aus der Synchron-Codewortkombination.

In F i g. 1 ist die zur Codierung der analogen Synchronisation notwendige, im Prinzip bekannte Anordnung im Blockschaltbild dargestellt. Danach wird das Eingangssignal in einem Amplitudensieb in den BiId- und in den Synchronanteil aufgespalten. Der Bildanteil wird einem herkömmlichen TV-PCM/DPCM-Coder zugeführt. Die Synchronisationsimpulse werden in einem nachgeschalteten Impulsformer aufgetrennt in Zeilensynchronisationsimpulse H bzw. Bildsynchronisationsimpulse V. Die Impulse auf diesen zwei Kanälen werden differenziert, und die resultierenden schmalen Nadelimpulse steuern einen nachgeschalteten Taktgenerator. Dieser synchronisiert den TV-PCM-Coder und zwei Wortgeneratoren für H und V. Die verschiedenen Komponenten werden dann in einer Multiplexeinrichtung zu einem Kanal zusammengefaßt.

Auf der Empfangsseite wird die ankommende gemischte Information verschiedenen Detektoren zugeführt, die den Bitfluß ständig nach den spezifischen Synchron-Codewortkombinationen absuchen. Stimmt die zeitliche Wiederkehr der gefundenen Kombinationen mit einem vorgegebenen Zeitraster überein, ist Synchronismus erreicht.

Die empfangsseitigen Detektoren bestehen im allgemeinen aus einem Schieberegister, aus Additionsund Schwellwertnetzwerken. Die ankommende Information wird kontinuierlich durch das Schieberegister getaktet und mit einer fest programmierten Codekombination verglichen. In der Additionsschaltung bildel sich eine Treppenfunktion aus, die den Grad der Übereinstimmung zwischen einlaufendem Bitstrom und gespeicherter Information anzeigt. Durch Erniedriger des Schwellwertes lassen sich auch noch Codekombinationen auswerten, die von der gespeicherten Informa tion, ζ. B. durch fehlerhafte Übertragung auf dei Leitung, um ein bestimmtes Maß abweichen. Zusätzliche Sicherheit kann man aus der Tatsache gewinnen, daß die Synchron-Codewortkombination periodisch wieder kehrt (im Fall der Zeilensynchronisation mit 15,625 kHz und daß demgegenüber andere, ebenfalls gefundene

aber falsche Codewort-Kombinationen, die mit einer vorgegebenen Periodizität wiederkehren, statistisch verteilt sind.

Fig.2a zeigt eine vereinfachte Darstellung der Sendeseite eines adaptiven digitalen Fernsehübertragungssystems mit den Merkmalen der Erfindung. In dem vereinfachten Blockschaltbild ist anders als bei F i g. 1 das Amplitudensieb zur Trennung des Bildinhaltes von den Austast- bzw. Synchronsignalen, der Impulsformer und der Taktgenerator nicht dargestellt worden. Diese Teile der Sendeseite sind zwischen dem Eingangssignal und den beiden Eingängen der hier in einem Schaltungsblock zusammengefaßten Wortgeneratoren für die Horizontal- und Vertikal-Synchronwortkombination vorzusehen. ι s

Zusätzlich zu dem Blockschaltbild nach F i g. 1 wird eine Aufteilung der Zeile in drei untereinander gleich lange Teile '/37 durch drei Verzögerungselemente durchgeführt. Außerdem erfolgt eine getrennte Dynamikkontrolle des Amplitudengangs jedes dieser drei Teile. Aufgrund der Dynamikkontrolle wird einmal die sendeseitige Auswahl der jeweils optimalen Quantisierungskennlinie (zum Decoder weisender Pfeil) und zum anderen die Bildung der Steuersignale für die entsprechende Permutation der Codewortkombination für den Zeilen-Synchronimpuls (zum Wortgenerator weisender Pfeil) durchgeführt.

Die so verschlüsselte Auswahlinformation über die sendeseitig gewählte Quantisierungskennlinie wird wie in F i g. 1 mit dem in PCM bzw. DPCM codierten Bildinhalt der Zeile zeitlich verschachtelt und gemeinsam übertragen.

Fig.2b zeigt die Wirkung der Erfindung bei drei Unterbereichen pro Zeile und zwei verschiedenen Kennlinientypen. Gewählt wurden in diesem Beispiel zwei Kennlinien, die einmal auf 100%, zum anderen auf 50% des Aussteuerbereiches bezogen werden, d. h., in allen Unterbereichen, in denen analoge Spannungswerte nicht größer als 50% vorkommen, gilt die auf 50% bezogene Kennlinie, in allen anderen die auf 100% bezogene Kennlinie.

Im einzelnen zeigt F i g. 2b den Amplitudenverlauf über eine Zeile, begrenzt durch die vorhergehende und die nachfolgende Austastlücke, mit dem nach unten weisenden Zeilen-Synchronimpuls. Im ersten Drittel der gemäß F i g. 2a in drei gleich lange Unterbereiche unterteilten Zeile liegt eine Aussteuerung über dem 50%-Wert vor, so daß hier die am unteren und am oberen Ende am Anfang des Unterbereichs 1 angedeuteten 256 Amplitudenstufen auf den gesamten Aussteuerbereich entfallen und somit eine gröbere Stufung bedingen. Im zweiten Drittel (Unterbereich 2) bleibt die Amplitude unter 50% der maximal möglichen Aussteuerung. Hier wird die Dynamikkontrolle die zweite zui Auswahl stehende Quantisierungskennlinie auswählen welche die 256 Amplitudenstufen, wie am Anfang de; Unterbereichs 2 angedeutet, nur auf die Hälfte de; gesamten Aussteuerbereichs verteilt und demnach ein« relativ feine Quantisierung des Amplitudengangs zuläßt Die Verhältnisse im Unterbereich 3 entsprechen dener im Unterbereich 1.

Die folgende Tabelle gibt mögliche Zuordnungen ar wenn für die Synchronisierung eine 12stellige Code kombination ausgewählt wurde. Diese 12stellige Korn bination kann wie folgt zusammengestellt werde: (Codewort 1 und 2 sind 4stellige Barkercodes)

LLL0_

Codewort 1

LLOL

OLQL

Mögliche
Permutationen

Kennlinientyp (in %)
in den Unterbereichen

Bemerkung

1	2	3	50	50	50 1
			50	50	100]
1	3	2	50	100	50
2	1	3	50	100	100
2	3	1	100	50	50
3	1	2	100	50	100
3	2	1	100	100	50)

100

100, ausgewählte Kennlinientypen
50 50 100

ausgewählte Kcnnlinicntypcn
100 100 100

Fig.3 zeigt die empfangsseitige Auswertung der Codewortkombinationen für die Synchronimpulse, die verschlüsselt die Information für die sendeseitig gewählte Quantisierungskennlinie enthalten.

Ähnlich wie bereits bei dem bekannten digitalen Femsehübertragungssystem beschrieben, wird der ankommende Bitstrom ständig auf das Vorkommen der Synchronwort-Codekombination untersucht. Zum Unterschied zur bekannten Ausführung wird der ankommende Bitstrom jedoch über drei parallele Schieberegister mit jeweils 4 Speicherplätzen geführt, wobei in jedem der drei parallel zu den Schieberegistern

do geschalteten Detektoren 1 bis 3 nach einem der
möglichen Codeworte gesucht wird. Im Beispiel d F i g· 3 lautet die gesuchte Synchron-Codewortkoml nation LLLO LLOLOLOL Synchronismus ist erreicl wenn alle Elemente dieser Kombination eingetroffi sind. Mit der Reihenfolge der Af Codeworte d Codewortkombination wird gleichzeitig die Reihenf< ge der vom gesendeten Bildinhalt abhängigen, scndesi tig gewählten, optimalen Quantisierungskennlini festgelegt. Diese lassen sich dann auf der Empfangsse
durch entsprechendes Umschalten des nicht gezcichr ten Decoders einstellen.

llier/iN Hlatt

Claims

2341 Patentansprüche:

1. Digitales adaptives Fernsehübertragungssystem mit verschiedenen, der jeweiligen Aussteuerung des Videosignals entsprechend auszuwählenden Quantisierungskennlinien, dadurch gekenn. chnet, daß die Information zur Auswuui der Quantisierungskennlinien durch Permutation der Codewörter der Codewortkombination für die dem jeweiligen analogen Bildinhalt vorausgehenden Synchronimpulse verschlüsselt mitübertragen wird.

2. Fernsehübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswahlinformation aus der Kenntnis der jeweiligen Bildquelle (Kamera, Diageber, Farbbalkengeber) abgeleitet wird.

3. Fernsehübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswahlinformation aus dem Amplitudenverlauf des analogen Bildinhaltes (Bild, Zeile) abgeleitet wird.

4. Fernsehübertragungssystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswahlinformation in der jedem Bild bzw. Halbbild vorangehenden Codewortkombination für den Bildsynchronimpuls übertragen wird.

5. Fernsehübertragungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswahlinformation in der jeder Zeile vorangehenden Codewortkombination für den Zeilensynchronimpuls übertra- yo gen wird.

6. Fernsehübertragungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Codewortkombination für die Synchronimpulse aus χ Codewörtern zu je m bit aufgebaut ist und daß jeder der demzufolge xl Permutationsmöglichkeiten jeweils eine Auswahlinformation zugeordnet ist.

7. Fernsehübertragungssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Codewortkombination aus drei Codeworten mit je 4 bit aufgebaut ist, wobei zwei Codeworte nach dem Barker-Code zusammengesetzt sind.

8. Fernsehübertragungssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Bildinhalt (Bild bzw. Zeile) in χ Zeitabschnitte unterteilt ist und daß die dem Bild bzw. der Zeile jeweils vorangehende Synchroncodewortkombination in einer solchen Permutation übertragen wird, daß für jeden Zeitabschnitt des Bildes bzw. der Zeile die voraussichtlich optimale Quantisierungskennlinie vorangestellt wird.