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Verwahren zur Durchführung einer breitbandigen Signalübertragung Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Durchführung einer breitbandigen Signalübertragung.
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Für die Ubertragung breitbandiger Signale, wie sie Fernseh-Bildsignale
und eine Vielzahl von Sprechkanälen umfassende Trägerfrequenzsignale darstellen,
müssen Breitbandkabelstrecken und Richtfunkstrecken zur Verfügung gestellt werden,
die einen sehr hohen technischen Aufwand bedingen. Der wachsende Bedarf an solchen
breitb;aila.igen Ubertragwngsmsaien in der nahen Zukunft ist dabei nicht nur durch
die geplante Einführung des Bildfernsehens und den Wunsch nach einer größere.n Auswahl
von verschiedenen Fernsehprogrammen durch die Abnehmer zu erklären, sondern auch
durch die wachsenden Kommunikationsanforderungen zwischen rechnergesteuerten Informationszentren.
In diesem Zusammenhang erhebt sich die Frage nach einer möglichst optimalen Ausnutzung
der vorhandenen breitbandigen Übertraglungsmedien, die vor allem bei Fernsehübertragungskanälen
aufgrund des zeitlich begrenzten Programms noch keineswegs erreicht ist.
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Neben der optimalen Auselutzung von Fernsehstrecken besteht oftmals
auch der Wunsch, die Abhängigkeit der Bildqualität von den Streckeneigenschaften
zu beseitigen. Grundsätzlich ist diese Möglichkeit an sich dadurch gegeben, daß
Fcrnsehstrecken für die Übertragung von Fernsehbildsignalen in binärcodierter Form
ausgebildet werden. Dies würde jedoch einen- erheblich größeren Frequenzbedarf bedingen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für die Übertragung breitbandiger
Signale eine weitere Lösung anzugeben, die sowohl die bessere Ausnutzung von Fernsehübertraglmgs
kanälen ermöglicht als auch die geschilderte Abhängigkeit der Qualität der Übertragung
von den Strecken eigenschaften beseitigt.
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Ausgehend von einem Verfahren zur irchführung einer breitbandigen
Signalübertragung wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß sendeseitig
das digitale bzw.
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digital aufbereitete Signal in das Bildsignal, und zwar ein Mehrstufen-Digitalsignal,
eines Pseudo-Fernsehsignals umgewandelt und nach Zusetzen des Synchronimpulses über
einen Fernsehkanal übertragen wird, daß ferner empfangsseitig vom übertragenen Signal
zunächst der Synchronimpuls für Steuerzwecke abgetrennt und anschließend das-Bildsignal
des Pseudo-Fernsehsignals in das urspflingliche digitale bzw.
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digital aufbereitete Signal rückumgewandelt wird.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sich Fernsehübertragungskanäle
für die Ubertragung beliebiger breitbandiger Signale ausnutzen lassen, wenn das
zu übertragende Signal in ein Pseudo-Fernsehsignal umgewandelt wird Diese Umwandlung
läßt sich mit relativ geringem technischen Aufwand verwirklichen, wenn die Umwandlung
in der Zeitebene, also bei digitaler Form des Signals vorgenommen wird. in diesem
Zusammerffiang ist es von Vorteil, daß die Bandbreite des digitalen bzw. digital
aufbereiteten Signals wesentlich größer sein kann als die durch die Fernsehnorm
vorgegebene Bandbreite des Bildsignals des Pseudo-Fernsehsignals. Die Anpassung
geschieht in diesem Falle einfach über die Wahi der Anzahl der Stufen des das Bildsignal
darstellende Mehrstufen-Digitalsignals. Die Digitalisierung hat weiterhin den Vorteil,
daß, wie schon einleitend erwähnt worden ist, die Streckeneigenschaften nicht auf
die Qualität des Bildsignals
und damit auch nicht auf die Qualität
des dieses Bildsignals beinhaltenden Informationsgehaltes eingehen.
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Weiterhin gibt das digitale bzw. digital aufbereitete Signal die Möglichkeit,
im Bedarfsfalle eine Verschlüsselung des Signals für Geheimhaltungszwecke in einfacher
Weise vorzunehmen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden dem Pseudo-Fernsehsignal
im Bereich des Austastsignals und des Synchronimpulses sendeseitig Zusatzsignale
überlagert, die empfangsseitig vor der Rückumwandlung des Bildsignals des Pseudo-Fernsehsignals
in das ursprüngliche digitale bzw. digital aufbereitete Signal vom ankommenden Signal
abgetrennt werden. Solche Zusatz signale können beispielsweise Datensignale oder
ein Tonsignal sein.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens, bei dem eine
gesicherte Übertragung, beispielsweise eines Fernsehsignals gefordert wird, wird
sendeseitig das digitale bzw. digital aufbereitete Signal vor seiner Umwandlung
in das Bildsignal des Pseudo-Fernsehsignals einer Verschlusselung unterworfen, die
empfangsseitig im Anschluß an seine Rückumrrandlung wieder rückgängig gemacht wird.
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Im allgemeinen muß davon ausgegangen werden, daß das digitale bzw.
digital aufbereitete, zu übertragende Signal kontinuierlich ist. In diesem Falle
ist es erforderlich, das Signal über eine Zwischenspeicherung hinweg in das Bildsignal
des Pseudo-Fernsehsignals umzuwandeln und empfangsseitig das zurückgewonnene Digitalsignal
ebenfalls über eine Zwischenspeicherung hinweg in das ursprüngliche kontinuierliche
Signal rückumzusetzen.
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Wie bereits erafähnt worden ist, kommt dem Verfahren nach der Erfindung
auch für die Übertragung von Fernsehsignalen dann
Bedeutung zu,
wenn bei vorgegebener Bandbreite des Bildsignals der Einfluß der Eigenschaften der
Übertragungsstrecke auf die Bildqualität vermieden werden soll und/oder eine gesicherte
Fernsehbildübertragung vorgenommen werden soll. In diesem Zusammenhang ist es für
die Übertragung eines Fernsehsignals mit Ton sinnvoll, daß sendeseitig das analoge
Bildsignal und das analoge Tonsignal getrennt in digitale Teilsignale umgesetzt
und anschließend diese Teilsignale zeitlich gestaffelt zum eigentlichen digitalen
Signal zusarmengefaßt werden. Empfangsseitig wird dann das aus dem Bildsignal des
Pseudo-Fernsehsignals zurückgewonnene digitale Signal in zur Sendeseite umgekehrter
Schrittfolge in die ursprünglichen analogen Signale rückumgesett.
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Werden an die Qualität der Tonübertragung höhere Anforderungen gestellt,
muß also sendeseitig das Tonsignal im Rhythmus einer Abtastfrequenz abgetastet werden,
die höher ist als die Zeilenfrequenz, dann ist es erforderlich, daß wenigstens das
den Ton darstellende digitale Teilsignal sendeseitig mit dem das Bild darstellenden
digitalen Teil signal über eine Zwischenspeicherung hinweg zum eigentlichen digitalen
Signal zusammengefaßt und empfangsseitig ebenfalls über eine Zwischenspeicherung
hinweg in das ursprüngliche analoge Signal rückumgesetzt wird.
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Wie umfangreiche Untersuchungen ergeben haben, ist die Codierung eines
Fernsehsignales besonders bitsparend, wenn vom Differenz-PCM-Verfahren Gebrauch
gemacht wird.
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Besonders günstig gestalten sich die Verhältnisse in diesem Zusammenhang,
wenn das digitale Signal ein 24-13it-Differenz-PCM-Signal mit drei Bit pro Abtastwert
und das daraus abgeleitete Bildsignal des Pseudo-Fernsehsignals ein Achtstufen-Digitalsignal
ist.
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Anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei spielen soll
die Erfindung im folgenden noch näher erläutert werden. In der Zeichnung bedeuten:
Fig. 1 und 2 die schematische Darstellung des Verfahrens nach der Erfindung in Gestalt
eines sende-.und empfangsseitigen Blockschaltbildes, Fig. 3 eine-spezielle Ausführung
der Signalquelle nach Fig. 1, Fig. 4 eine spezielle Ausbildung des sendeseitigen
Signalumwandlers nach Fig. 1, Fig. 5 eine spezielle Ausführung eines empfangsseitigen
Signalumwandlers nach Fig. 2, Fig. 6 u. 7 die schematische Darstellung des Verfahrens
nach der Erfindung für eine gesicherte Fernsehbildübertragung in Form eines Blockschaltbildes
für die Sende- und die Empfangsseite, Fig. 8 die schematische Darstellung einer
Fernsehbildzeile eines Pseudo-Fernsehsignals nach der Erfindung.
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Das Blockschaltbild nach Fig. 1, das den prinzipiellen Aufbau der
Sende seite eines nach dem Verfahren nach der Erfindung arbeitenden Nachrichtenübertragungssystems
zeigt, weist die Signalquelle SQ auf, an deren Ausgang das zu übertragende Signal
in digitaler Form ansteht. Dieses digitale Signal wird dem sendeseitigen Signalumwandler
SSU zugeführt, der es in das Bildsignal eines Pseudo-Fernsehsignals umformt. Das
am Ausgang des sendeseitigen Signalumwandlers SSU anstehende Biidsignal ist ein
Mehrstufen-Digitalsignal, das in Fig. 1 eingetragen ist. Diesem Bildsignal, dessen
Lücken zwischen zwei Bildsignalen jeweils das Zeilenaustastsignal darstellt, wird
in der nachfolgenden SynchronsignalTAddierschaltung SZ der Synchronimpuls im Bereich
des Zeilenaustastsignals zugesetzt und das so gewonnene, in Fig. 1 ebenfalls dargestellte
Pseudo-Fernsehsignal
über den Sendeverstärker VS der eigentlichen Übertragungsstrecke zugeführt Den Takt
für den sendeseitigen Signalumwandler SSU und den Synclronimpuls erzeugt die sendeseitige
Taktzentrale STZ, die ihrerseits entweder die Signal quelle SQ synchronisiert oder
von dieser synchronisiert wird, was in der betreffenden Leitung durch zwei gegensinnige
Pfeile angedeutet ist.
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Wie Fig. 1 ferner erkennen läßt, ist im Signal zwischen der Signalquelle
SQ und dem sendeseitigen Signalumwandler SSU in unterbrochener Linie ein Verschlüsseler
VÜ eingezeichnet, der seinerseits von einem Schlüsselgenerator SG gesteuert wird.
Der Schlüsselgenerator SG ist in diesem Falle ebenfalls von der Signalquelle SQ
her oder von der sendeseitigen Taktzentrale STZ her synchronisiert. Durch die unterbrochene
Linie soll angedeutet werden, daß diese Einrichtung nur dann vorzusehen ist, wenn
das digitale Signal am Ausgang der Signalquelle SQ zu Zwecken der Geheimhaltung
einer Verschlüsselung unterworfen werden soll, Im einfachsten Fall kann dies durch
eine Modulo-2-Addition des digitalen Signals mit der vom Schlüsselgenerator SG gelieferten
Impulsfolge erreicht werden.
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Die der Sendeseite nach Fig. 1 zugehörige Empfangsseite nach Fig.
2 sieht eingangsseitig einen Entzerrerverstärker EV vor, der das ankommende Signal
verstärkt und regeneriert.
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Anschließend wird in der Synchronisiersignal-Abtrannschaltung SA der
Synchronimpuls aus dem Pseudo-Fernsehsignal ausgeblendet und zu Synchronisierarecken
der empfangsseitigen Taktzentrale ETZ zugeführt. Das auf diese Weise zurückgewonnene
Bildsignal in Form eines Mehrstufen-Digitalsignals wird vom Ausgang der Synchronisiersignal-Abtrennschaltung
dem Eingang des empfangsseitigen Signalumwandlers ESU zugeführt und in das ursprüngliche
digitale Signal umgewandelt.
Für den Fall, daß sendeseitig eine
Verschlüsselung stattgefunden hat, wird das zurückgewonnene digitale Signal einer
Signalsenke SS über den wiederum in unterbrochener Linie eingezeichneten Entschlüsseler
zugeführt. Der Entschlüsseler EU wird, wieder sendeseitige Verschlüsseler VÜ, von
dem gleichen Schlüsselgenerator SG gesteuert. Die Synchronisation des Schlüsselgenerators
SG wie auch gegebenenfalls die eventuell weitere Umsetzer enthaltende Signal senke
SS werden vom Takt der empfangsseitigen Taktzentrale ETZ gesteuert.
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Die Signalquelle SQ kann beispielsweise eine binäre Datenquelle mit
hoher Bitrate sein. Ist dagegen das eigentliche Signal ein analoges Signal, wie
beispielsweise ein breitbandiges Trägerfrequenzsignal, dann umfaßt die Signalquelle
SQ einen Analog-Digitalwandler, in dem das ursprüngliche Signal für die weitere
Umwandlung zunächst digital aufbereitet wird.
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Eine solche Signalquelle SQ ist in Fig 3 dargestellt. Die Trägerfrequenzquelle
TF ist ausgangsseitig mit dem Eingang des Analog-Digitalumwandlers Wl verbunden,
derJwiederum seinen Takt von der sendeseitigen Taktzentrale STZ erhält. Am Ausgang
des Analog-Digitalwandlers Wl steht dann das aufbereitete Signal, das entweder unmittelbar
oder mittelbar über den Verschlüssel er VÜ dem sendeseitigen Signalumwandler SSU
zugeführt wird.
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Ist das digitale bzw. digital aufbereitete Signal der Signalquelle
SQ ein kontinuierliches Signal, wie das z. 3. erwähnte Trägerfrequenzsignal, dann
kann die Umwandlung dieses kontinierlichen digitalen Signals in das Bildsignal des
Pseudo-Fernsehsignals nur über einen sendeseitigen Pufferspeicher erfolgen, der
hierbei dem sendeseitigen Signalumwandler SSU zuzuordnen ist.
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Fig. 4 zeigt einen solchen sendeseitigen Signalumwandler,-bei dem
der Pufferspeicher mit PS bezeichnet ist. Der Ausgang
dieses Pufferspeichers
wird dem Digital-Digitalumwandler W2 zugeführt, der das digitale Signal einerseits
in ein Mehrstufen-Analogsignal und andererseits in ein der Fernsehnorm angepaßtes
Bildsignal umwandelt, bei dem bekanntlich der Informationsinhalt im Rhythmus der
Bildzeilen in Informationsbursts'unterteilt ist, die gegenseitig im Abstand der
Breite des Zeilenaustastsignals aufeinanderfolgen. Mit Hilfe des Pufferspeichers
PS läßt sich diese Unterteilung leicht herbeiführen. Die Steuerung des Pufferspeichers
PS und des Digital-Digitalumwandlers W2 wird dabei über die sendeseitige Taktzentrale
STZ bewirkt. Das bedeutet, daß der Digital-Digitalumwandler eine intermittierende
Arbeitsweise im Rhythmus der Zeilenfrequenz des gewünschten Pseudo-Fernsehsignals
hat.
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In entsprechender Weise ist in diesem Falle der empfangsseitige Signalumwandler
ESU nach Fig. 5 ausgebildet. Der Digital-Digitalumwandler W2 formt zunächst das
Bildsignal des Pseudo-Fernsehsignals in das ursprüngliche digitale Signal um, jedoch
im Rhythmus der Zeilenfrequenz des Pseudo-Fernsehsignals intermittierend. Über den
Entpufferspeicher ES wird dann am Ausgang dieses Speichers das ursprüngliche kontinuierliche
digitale Signal abgegeben. Die Steuerung des Digital-Digitalumwandlers W2 und des
Entpufferspeichers ES erfolgt entsprechend Fig. 2 durch die empfangsseitige Taktzentrale
ETZ.
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Die Fig. 6 bis 8 veranschaulichen die Ausführung des Verfahrens nach
der Erfindung zur Durchführung einer gesicherten Fernsehbildübertragung. Hierbei
besteht auf der Sendeseite des Nachrichtenübertragungssystems nach Fig. 6 die Signalquelle
SQ primär aus dem Mikrophon MN und der Fernsehkamera BD. Beide liefern ausgangsseitig
ein analoges Signal. Das Tonsignal wird im Analog-Digitalumwandler W12 zu 2 in ein
digitales Teilsignal umgesetzt, das anschließend über den Tonspeicher TS dem einen
Eingang des Multiplexers MU zugeführt wird. Das analoge Bildsignal am Ausgang der
Fernsehkamera BD wird im Analog-
Digitalumwandler Wil ebenfalls
in ein digitales Teilsignal umgesetzt, das dem anderen Ausgang des Multiplexers
MU zugeführt wird. Im Multiplexer reu werden die beiden digitalen Teilsignale zeitlich
gestaffelt zum eigentlichen digitalen Signal vereinigt. Die sendeseitige Taktzentrale
STZ wird über die Zeilenfrequenz der Fernsehkamera BD synchronisiert.
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Die sendeseitige Taktzentrale STZ steuert ihrerseits die beiden Analog-Digitalumwandler
W11 und W12, den Tonspeicher TS und den Nultiplexer MU. Der Analog-Digitalumwandler
WIl wird im Rhythmus der Zeilenfrequenz der Fernsehkamera intermittierend betrieben,
so daß das digitale Bildsignal am Ausgang des Wandlers mit dem Bildsignal der Fernsehkameras
in seinem zeitlichen Wechsel zwischen Bildsignal und- Zeilenaustastsignal übereinstimmt.
Der dem Analog-Digitalumwandler W12 nachgeschaltete Tonspeicher TS gibt die Möglichkeit,
das Tonsignal mit einer gegenüber der Zeilenfrequenz höheren Abtastfrequenz abzutasten
oder er kann dazu dienen, die vertikale Bildaustastlücke mit zwanzig Zeilen zu überbrücken.
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Dabei wird dieses Tonsignal unter Inkaufnahme eines praktisch vernachlässigbaren
Verlustes an Bildinformation zusammen mit dem eigentlichen Bildsignal als Bildsignal
des Pseudo-Fernsehsignals übertragen.
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Das im Rhythmus der Zeilenfrequenz der Fernsehkamera unterteilte digitale
Signal am Ausgang des Multiplexers MU wird nun im Verschlüsseler VÜ verschlüsselt
und anschließend im sendeseitigen Signalumwandler SSU, der hierbei aus dem bereits
beschriebenen Digital-Digitalumwandler W13 besteht,in das I4ehrstufen-Digitalsignal
umgewandelt. Anschließend erfolgt das Zusetzen des Synchronimpulses in der Synchronsignal-Addierschaltung,
dem der Sendeverstärker VS nachfolgt. Der Digital-Digitalumwandler W13 wie auch
der Schlüsselgenerator SG, der den Verschlüsseler VÜ steuert, werden über die sendeseitige
Taktzentrale STZ gesteuert. Außerdem erhält die Synchronsignal-Addierschaltung den
Synchronimpuls von dieser Zentrale.
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Empfangsseitig wird das ankommende Pseudo-Fernsehsignal im Entzerrerverstärker
EY verstärkt und regeneriert. In der Synchronimpuls-Abtrennschaltung wird der Synchronimpuls
für die Synchronisation der empfangsseitigen Taktzentrale ETZ abgetrennt und anschließend
in dem den empfangsseitigen Signalumwandler ESU darstellenden Digital-Digitalumwandler
W23 das Mehrstufen-Digitalsignal in das im Rhythms der Zeilenfrequenz unterbrochene
digital verschlüsselte Signal rückumgewandelt. Dem Ausgang des empfangsseitigen
Signalumwandlers ist der Entschlüsseler EÜ nachgeschaltet, der wiederum vom Schlüsselgenerator
SG gesteuert wird. Das entschlüsselte digitale Signal wird anschließend im Kanalteiler
KT in die beiden digitalen Teilsignale aufgespalten, von denen das dem Bildsignal
entsprechende digitale Teilsignal im Digital-Analogumwandler W21 und das dem Ton
entsprechende digitale Teilsignal über den Tonspeicher TS hinweg im Digital-Analogiunwandler
W22 in das analoge Signal rückumgewandelt werden. Beide Analogsignale werden dann
dem mit S bezeichnetzen Verbraucher zugeführt. Der Verbraucher S, die beiden Digital-Analogumwandler
W21 und W22, der Tonspeicher TS und der Kanalteiler KT bilden gemeinsam die Signalsenke
SS.
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Bei der in Fig. 8 dargestellten Fernsehzeile eines Pseudo-Fernsehsignals,
wie sie bei der Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung entsprechenden Fig.
6 und 7 vorliegt, ist davon ausgegangen, daß das digitale Signal am Ausgang des
Multiplexers MU ein 24-MBit-Signal ist. Dieses Signal wird über die Analog-Digitalumwandier
Wil und W12 gewonnen, die dabei die jeweiligen Analogsignale in Differenz-PCM-Signale
umsetzen. Dabei arbeitet der Analog-Digitalumwandler W11 mit drei Bit pro Abtastwert
und der Analog-Digitalumwandler W12 mit neun Bit pro Abtastwert. Die beiden Differenz-PCM-Signale
werden dann im Multiplexer 14U zu dem eigentlichen digitalen Signal, und zwar einem
24-MBit-Differenz-PCM-Signal zusammengesetzt. Dieses 24-MBit-Signal
erleidet
während seines Durchganges durch den Verschlüsseler keine Veränderung seines Bittaktes
und wird anschließend im sendeseitigen Signalumwandler in ein Achstufen-Digitalsignal
umgewandelt, dessen Frequenzumfang damit dem Frequenzumfang eines üblichen Fernsehkanals
angepaßt ist. Der den sendeseitigen Signalumwandler SSU darstellende Digital-Digitalumwandler
W13 ist dabei ein üblicher Decodierer, der jeweils drei Bit in einen acht mögliche
Amplitudenstufen aufweisenden Abtastwert umsetzt. In entsprechender Weise istder
Digital-Digitalumwandler W23, der den empfangsseitigen Signalumwandler darstellt,
ein üblicher Codierer, der die im Bildsignal des Pseudo-Fernsehbildes aufeinanderfolgenden
Abtastwerte jeweils in ein Dreibitsignal rückumsetzt.
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Wie in Fig. 8 angegeben ist, entspricht der Zeilennorm von 15625 Hertz
die Dauer einer Zeile von 64 Mikrosekunden, von denen 12 Mikrosekunden für das Zeilenaustastsignal
Ss einschließlich des Synchronimpulses Sp und 54 Mikro sekunden für das Bildsignal
B einschließlich des Tonsignals T zur Verfügung stehen. Das auf einem Fernsehschirm
übereinander geschriebene Bildsignal B mit dem Tonsignal T, die zusammen das Bildsignal
des Pseudo-Fernsehsignals bilden, hat die in Fig. 8 dargestellte Augenstruktur,
die hierbei jedoch nicht maßstabsgerecht ist. Jede Fernsehbildzeile umfaßt 1536
Bit, von denen 1239 Bit für das eigentliche Bild und 9 Bit für den Ton zur Verfügung
stehen. Die Zeilenfrequenz des Fernsehsignals ist dabei mit der Bitfrequenz korreliert,
was im allgemeinen Fall jedoch nicht gegeben sein muß. Soll kein Informationsinhalt
verlorengehen, ist es lediglich erforderlich, daß die Bitfrequenz des Bildsignals
des Pseudofernsehsignals mit der Zeilenfrequenz korreliert.
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8 Patentansprüche 8 Figuren