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VERFAHREN ZUR DIGITALEN ÜBERTRAGUNG DES PAL-SIGNALS
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Zur theoretisch unverzerrten digitalen Übertragung, wobei von den
Quantisierungsverzerrungen abgesehen ist, muß die sogenannte Nyquist-Bedingung elngehalten
sein, d.h. die Abtastfrequenz muß zumindest doppelt so qroß sein wle die höchste
im Signal vorkommende Frequenz. Dies kann zu Bitrate führen, die nur schwer zu verarbeiten
sind, wie z.B. bei der magnetischen Bildaufzeichnung. Es besteht deshalb das bestreben,
die Bitrate möglichst weit zu verringern.
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Ein sehr bekanntes Beispiel für diese Bemühungen ist das sogenannte
Devereux-System. Bei diesem wird das PAL-FBAS-Signal mit der exakt doppelten Farbtragerfrequenz
2 x fsc abgetastet.
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Anstelle von theoretisch 11 MHz Abtastfrequenz im britischen PAL-Standard
wird nur eine Abtastfrequenz von etwa 8,8 MHz benötigt, was als Sub-Nyquist-Abtastung
bezeichnet wird. Bei dieser Abtastung entstehen störende Komponenten, die für senkrechte
Strukturen dadurch beseitigt werden, daß das Ausgangssignal des digitalen Codec
(Coder-Decoder) im Farbträgerfrequenzbereich auf ein Kammfilter gegeben wird. Am
Ende der Übertragung steht ein PAL-FBAS-Siqnal zur Verfügung, das für senkrechte
Strukturen trotz der Sub-Nyquist-Abtastung die volle Bandbreite hat. Lediglich schräge
Linien und Kanten sind im Leuchtdichtesianal Y etwas beeinflußt.
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Das Devereux-System hat Jedoch für die praktische Verwendung ganz
wesentliche Nachteile. Die Abtastfrequenz mit 2 x fsc ist kein Vielfaches der Vol
lbi ldfrequenz. Dies verursacht bei der Signalverarbeltung und Insbesondere bei
der Vollbildspelcherung erhebllche Schwierigkeiten. Bei den Signalmanipulationen,
wie z.B. in Trickaeräten, muß dauernd auf die Farbträqerphase Rückslcht genommen
werden, was kostspielige Logiken zur Folge haben kann. Auch stehen die Signale Y,
U und V digital nicht getrennt zur Verfügung, was z.B. wichtig ist, wenn an ein
"SECAM-Land" in digitaler Form die Komponentensignale Y, U, V abgegeben werden sollen
oder wenn sie aus einem SECAM-Land empfangen werden. Falls eine größere Bitrate
zur Verfügung steht als es der Abtastfrequenz 2 x fsc entspricht, läßt sich belm
Devereux-Verfahren daraus keln Vortell ziehen. Die vorliegende Erfindung vermeidet
bei
zumindest gleicher Leistungsfähigkeit diese Nachteile.
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Zur Erläuterung der Erfindung werden die folgenden Bilder verwendet:
1. Ausführungsbeispiel eines Übertragungsschemas des erfindungsgemäBen Verfahrens
2. Rekonstitutlon des PAL-Farbträgers In Bild 1 wird das analoge PAL-FBAS-Signal
über einen Tiefpaß 1 geführt. Das danach vorhandene Signal Y enthält bis auf geringe
Farbträgerreste nur noch Leuchtdichtekomponenten. Das Signal wird in der Stufe 2
vom FBAS-Signal abgezogen. Danach sind im Signal C nur noch der Farbträger und die
im Farbträgerfrequenzbereich befindlichen Leuchtdichtekomponenten Yhf vorhanden.
Das Signal C wird im Demodulator 3 mit einem Farbtragerzusatz 2 sin Ck£t+1350) demoduliert,
der, bezogen auf die U-Achse des PAL-Farbträgers, erfindungsgemäß die Phasenlage
1350 hat. <= 2 2#fsc mit fsc = PAL-Farbträgerfrequenz.
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Durch diese spezielle Phasenlage wird erreicht, daß sich am Ende sowohl
der normgemäße PAL-Farbträqer - Erklärung erfolgt mit Bild 2 - als auch die Leuchtdichtekomponenten
für senkrechte Strukturen mit voller Bildbreite, d.h. Y + Yhf, rekonstituieren lassen.
Am Ausgang des Demodulators 3 entstehen die Basisbandsignale, die hier so genannt
werden, weil ihr Frequenzband bei Null beginnt, In der Zeile mit + V im PAL-Farbträger
entsteht - (U-V) und in der Zeile mit - V im PAL-Farbträger entsteht - CU+V). Die
Bandbreite dieser Signale ist bereits bestimmt durch die Bandbreite des Signales
C.
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Der nachfolgende Tiefpaß 4 hat somit nur noch die Aufgabe, unerwünschte
Komponenten, die am Demodulatorausgang 3 vorhanden sind, zu unterdrücken, wie z.B.
das Signal C selbst. Der Ausgang des Tiefpasses 4 wird im Analog-Digital-Converter
5 CADC) digitalisiert und der Ausgang des Tiefpasses 1 im ADC 6.
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Bei manchen Weiterverarbeitungen der digitalen Signale an den Ausgängen
a und b wird es notwendig sein, alle Impulse seriell auf einer Verbindung zu übertragen,
wie z.B. bei der Magnetaufzeichnung. Man wird deshalb die Abtastfrequenzen für die
ADCs 5 und 6 vorzugsweise mit einem ganzzahligen Verhältnis wahlen, weil dann die
Verschachtelung der Impulse am
einfachsten wird. Zu den vorangegangenen
Erklärungen sollen nun als Belspiel einige Zahlenwerte genannt werden. Das PAL-FBAS-Slgnal
habe z.B. eine Bandbreite von 5,5 MHz, was dem britischen Standard entspricht. Der
Tiefpaß 1 schneidet bei 3 MHz ab. Dann liegt das Spektrum des Signales C zwischen
3 und 5,5 MHz. Im Demodulator 4 entstehen dann Frequenzen für die Signale -(U +
V) von 0 bis 1,4 MHz, da die Differenzfrequenzen zum Farbträgerzusatz mit 4,43 MHz
gebildet werden.
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Der Tiefpaß 4 wird etwa bei 3 MHz abschneiden. Das Signal -(U + V)
wird mit 3 MHz abgetastet und das Signal Y mit 6 MHz.
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Belde Frequenzen wird man als Vielfache der Horizontalfrequenz oder
zumindest als Vielfache der Vol lbi ldfrequenz wählen, was für die Weiterverarbeitung
sehr vorteilhaft ist. Wenn man 8 Blt pro Bildpunkt annimmt, 50 ergibt sich an den
Klemmen a und b eine Cesamt-Bitrate von 8 (6 + 3) = 72 MBit/s. Dies ist beträchtlich
weniger als die theoretische Bitrate von 8 x 2 x 5,5 = 88 MBit/s, die fidr das FBAS-Signal
notwendig wäre. Man kdnn natürlich für Bild 1 jede beliebige höhere Gesamt-Bitrate
wählen.
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An dem Ausgang b kann man mit Hilfe eines Laufzeitgliedes für eine
Zeilendauer die Signale U und V bilden, d.h. die Ausgänge a und b sind sehr nut
zur Übergabe an ein SECAM-Land geeignet. Insgesamt erkennt man, daß an den Ausgängen
a und b die genannten Nachteile des Devereux-Verfahrens vermieden sind.
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Nach der übertragung, die auch Manipulationen, wie z.B. in einem digitalen
Trickgerät, enthalten kann, werden die beiden Signale über die Eingänge c und d
den beiden Digital-Analog-Convertern DAC 7 und 8 zugeführt, die die analogen Signale
Y und -(U + V) liefern. Die zeilensequentielle Signalfolge -(U - V), -(U + V), -(U
- V) moduliert im Modulator 9 synchron, d.h. multiplikativ den Farbträgerzusatz
sin (fett + 1350).
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Das Ausgangsprodukt des Modulators wird direkt und über eine Verzögerung
von exakt einer Zeilendauer C zur Additionsstufe 11 geführt. Am Ausgang von 11 sind
der normgemäß PAL-Farbträger, gemaß Bild 2, und die Leuchtdlchtekomponenten Yhf
für senkrechte Strukturen unverzerrt vorhanden.
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Die Rekonstitution des PAL-Farbträgers soll nun mit Bild 2 erklärt
werden. Dazu Ist es wichtig darauf hinzuweisen, daß die Verzögerung um eine Zellendauer
den Zeiger für den verzögerten Farbträger um 900 im Gegenuhrzeigersinn verdreht,
relativ zum Zeiger des unverzögerten Farbträgers. Dies hängt mit der speziellen
PAL-Farbtregerfrequenz zusammen.
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In Bild 2 stellt zunächst die Reihe A für die zeitlich aufeinanderfolgenden
Zellen 1, 2, 3... die normalen PAL-Farbträgerkomponenten U und V dar. Die Komponente
U liegt auf 0° und die gestrichelt eingezeichnete Demodulationsachse auf 1350. Gemäß
Reihe B sind nach dem Demodulator 3 die Signale -(U --(U + V)... vorhanden. Diese
modulieren multiplikativ auf der Empfangsseite einen kontinuierlichen Farbträgerzusatz,
der auf +1350 liegt. Die resultierenden Komponenten zeigt die Reihe C.
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hiach der Verzögerung um eine Zeilendauer haben diese Komponenten
die lagen der Reihe D. Die Addition der verzögerten und der unverzögerten Komponenten
ergibt die Reihe E. Durch Vergleich mit der Reihe A erkennt man, daß die Farbträgerkomponenten
normgemäß richtiq vorhanden sind. Selbstverständlich erhält man sie auch mit der
richtigen Amplitude. Das gleiche Resultat erhält man auch dann, wenn man auf der
Sende- und Empfangsseite die kontinuierlichen Farbtragerschwingungen sin (#t+135°)
verwendet. Würde man diese beien Schwingungen auf 450 oder 2250 legen, so erhielte
man ebenfalls die PAL-Farbträgerkomponenten. Allerdings sind diese gegenüber der
Reihe A in der Phase verdreht, was von Bedeutung ist, wenn der PAL-Farbträger der
Reihe E mit dem PAL-Farbträger eines zweiten PAL-Signales zusammenwirken soll. Der
Vollständigkeit wegen sei erwähnt, daß man erfindungsgemä.ß auch mit den Lagen 450
oder 2250 die PAL-Farbträgerkomponenten In de Reihe E richtig erhalten kann, wenn
man im verzögerten Signal die Polarität ändert. Die dazu notwendige Überlegung ist
analog zu Bild 2. Es soll deshalb auf die ausführliche Erläuterung verzichtet werden.
Es gehen allerdings die Leuchtdichtekomponenten Yhf Im Farbträgerfrequenzbereich
verloren, wle man aus der nachfolgenden Betrachtung zur Rekonstitution der Komponenten
Yhf erkennt. Dies kann man z.B. In Kauf nehmen, wenn die Bandaufspaltung In Bild
1 so gewalt wird, daß nur ein
klelner Tell von Yhf in dem Signal
C enthalten ist, da im Farb-Helmempfänaer ohnehin der Bereich von Yhf um die Farbträgerfrequenz
unterdrückt wird.
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Zur Klarstellung was mit den Leuchtdichtekomponenten Yhf=sin (#t +
#) geschieht, seien die nachfolgenden Erläuterungen gegeben. Dabel Ist angenommen,
daß= zu = 2m fH ist, mit fH = Horizontalfrequenz und m ist eine ganze Zahl. Für
die folgenden Betrachtungen sei weiterhin angenommen, daß t = O mit dem Zeilenbeginn
zusammenfällt. Das Signal C wird Im Demodulator 3 z.B. mit der Schwingung 2 sin
(#t t + 1350) demoduliert. Im Demodulator entsteht in der Zeile a 2.sin (#t+135°)
sin (#t+#) = cos [(#-#)t + 135° -wobei die höheren Frequenzen (#+#) vom Tiefpaß
4 unterdrückt werden. Die oben errechnete Komponente wird momentan übertragen und
moduliert im Modulator 9 den Farbträger 2.sin(#t+135°).
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Am Ausgang entsteht 2.sin(#+135°).cos [(#-#)t + 135° - #] = sin [(2#-#)t
+ 270° - #] + sin (#t+#) Für die Zeit t = 0 beginnt der erste Term am Pnfang der
Zeile mit sin (2700 - ) und der zweite Term mit sind An diesem Sachverhalt ändert
sich nichts, wenn das Ausgangssignal des Modulators 9 um eine Zeilendauer Zu verzögert
wird.
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An Ende der Zelle a beginnt das oben berechnete Signal aus dem Laufzeitglied
auszutreten und trifft in der Additionsstufe 11 mit dem momentan übertragenen Signal
zusammen. Für dieses gilt: Der Farbträger im Demodulator 9 hat zu Beginn der auf
die Zeile a zeitlich folgenden Zeile b relativ zum Zeilenanfang der Zeile a 2.sin
(#t + 1350) = 2.sin(2700+1350), d.h. der Farbträger beginnt am Anfang der Zeile
b als -cos Cflt t + 1350), während für die Leuchtdichtekomponente weiterhin sin
(#t +tf) gilt. Der Demodulator 3 liefert somit während der Zeile b - 2 cos (flt
+ 135°). sin (S t +#) = - sin [(# - #)t - 135° +
Diese Komponente
wird während der Zeile b momentan übertragen und liefert in Modulator 9 2 . cos
(#t + 135°) . sin [(#-#)t - 135° +#] = -sin [(2# -i£')t + 2700 - y] + sln (CO t
+ Der erste Term beginnt am Zeilenanfang für t = O mit -sin 2700.
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Er Ist In Gegenphase zum entsprechenden verzögerten Term aus der Zelle
a, den er auslöscht. Die Leuchtdichtekomponenten sin ((pt +y>) dagegen addleren
sich in der Stufe 11 und bleiben erhalten. In Bild 1 Ist deshalb trotz der sequentiellen
Übertragung der Basissignale -(# + v) im abgehenden PAL-Signal das Leuchtdichtesignal
im gesamten Frequenzbereich des ursprünglichen PAL-FBAS-Signales für senkrechte
Strukturen vorhanden.
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Die Rekonstitution des PAS-Farbträgers und der Leuchtdichtekomponenten
Yhf ist auch möglich, ohne daß auf den Modulator 9 ein Laufzeitglied # nachfolgt.
Die anzuwende Methode ergibt sich aus Bild 2. Um den Farbträger der Reihe E zu erzeugen,
muß das momentan übertragene Signal die Schwingung 2 sin (Sit + 135°) modulieren
(Reihe C). Außerdem muß das jeweils um eine Zeilendauer verzögerte Basissignal der
Reihe B die Schwingung 2.cos (#t + 135°) modulieren. Es wird somit ein zweiter Modulator
benötigt, dessen Ausgangssignal zum Ausgangssignal des Modulators mit 2'sin (#t
+ 1350) addiert wird. Das Schema ist gestrichelt in Bild 1 eingezeichnet.
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Das Basisbandsignal läuft direkt zum Modulator 13, dem sin (#t + 135°)
zugeführt wird. Das Basisbandsignal läuft auch über die Verzögerung 1 t4 und wird
im Modulator 15 mit cos (#t + 135°) moduliert. Die Addition beider Ausgangssignale
In 16 liefert den Farbträger der Reihe E und die Leuchtdichtekomponenten yhf Für
die Leuchtdichtekomponente sin (#t +#) gilt folgende Überlegung, wobel angenommen
Ist, daß t = 0 zum Beginn der Zelle a. In der Zelle a entsteht im Demodulator 3
aus sin (#t + #) cos [(#-#)t + 135° - #]. Dieses Signal wird In 14 um eine Zeilendauer
verzögert und moduliert in 15,
bezogen auf den Anfang der Zeile
b 2 sin (#t + 135°) cos [(#-#)t + 135° - #] sin [(2#-#)t + 270° - #] + sin (#t +
#) Während der Zeile b entsteht Im Dempdulator 3, bezogen auf den Anfang der Zelle
b -2 cos (#t + 135°) . sin (#t + #) = -sin [(# - #)t - 135° + #] Dieses Signal moduliert
momentan im Modulator 13 und erzeugt, bezogen auf den Anfang der Zeile b -2 cos
(Rt + 1350) sin [(i2 -)t + 135°- #] = -sin [(2#-#)t + 270° - #] + sin (#t + #) Da
die Ausgangssignale beider Modulatoren addiert werden, bleibt nur der Term sin (#t
+ #) übrig.
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Die in Bild; 1 gestrichelt eingezeichnete Anordnuna bietet einen weiteren
Vorteil. Man kann nämlich das Laufzeitglied 14 im digitalen Bereich realisieren,
was in der Praxis wesentlich einfacher Ist als die Realisierung der analogen Laufzeitverzögerung
10, da die Slqnale ohnehin digitalisiert sind. In diesem Falle wird man den Dlgltal-Analog-Conv%rter
7 nach dem Laufzeitglied 14 und vor dem Modulator 15 anordnen. Das unverzögerte
digitale Signal wird man dann über einen zweiten Digltal-Analog-Converter zum Modulator
13 führen.
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L e e r s e i t e