DE3049685A1

DE3049685A1 - Method and apparatus for data-rate reduction

Info

Publication number: DE3049685A1
Application number: DE19803049685
Authority: DE
Inventors: K Lucas
Original assignee: Independent Broadcasting Authority
Current assignee: Independent Broadcasting Authority
Priority date: 1979-07-06
Filing date: 1980-07-07
Publication date: 1982-04-15
Also published as: DE2953743A1

Description

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Übertragung und.-den Empfang von^T.V.-Videosignalen in digitaler Form.

Ein bekanntes Verfahren zur bbertragung digitaler T.V.-Videosignale besteht darin, analoge T.V.-Videosignale in digitale Signale durch Abtasten des analogen Signals mit einer Frequenz umzuwandeln, die ein Vielfaches der Frequenz der Video-Zwischenträgerfrequenz (fsc) im Falle eines PAL-Signals ist. Jede Abtastung wird in ein digitales Wort umgewandelt, das beispielsweise aus 8 bits besteht. Beträgt die Abtastfrequenz 4 fsc, so beträgt die Datengeschwindigkeit angenähert 142 Mbit/s, wenn solch ein digitales Signal seriell übertragen wird. Diese Datengeschwindigkeit ist für viele Anwendungsfälle zu hoch, und es sind eine Reihe von Arbeiten zahlreicher Organisationen zur Verringerung der Datengeschwindigkeit durchgeführt worden. Eine der bekannten Techniken (bekannt unter der Bezeichnung Sub-Nyquist- Abtastung) macht von Digitalfiltern gebrauch, die es erlauben, abwechselnd Worte aus dem 4 fsc-Signal zu entfernen. Damit wird ein "Sub-Nyquist"-Signal mit einer Wortfrequenz von 2 fsc und einer Datengeschwindigkeit von angenähert 71 Mbit/s erzeugt. Es gibt jedoch Anwendungsfälle, die eine Datengeschwindigkeit von weniger als 71 Mbit/s erforderlich machen.

Die vorliegende Erfindung beruht auf der Anwendung

der differentiellen Pulscodemodulation (differential pulse code modulation, DPCM), da mit Hilfe dieser Technik die Datengeschwindigkeit herabsetzbar ist. Es wird vorausgesetzt, daß die DPCM-Technik heute allgemein bekannt ist, jedoch wird vorsorglich auf eine vollständige Beschreibung der Grundlagen der DPCM-Technik in der britischen Patentanmeldung 28 071/78 hingewiesen. Obwohl die DPCM-Technik die Datengeschwindigkeit auf eine gewünschte maximale Höhe reduziert, kann sie in einigen Fällen ein Phänomen hervorrufen, das als "Fehlervergrößerung" (error extension) bekannt ist. Das geschieht dann, wenn ein einzelner Fehler bei der Sendung oder Übertragung eine Reihe von Fehlern beim Empfänger hervorruft und in Erscheinung treten läßt, da die korrekte Wiederherstellung eines vorgegebenen bestimmten Abtastwertes von den rekonstruierten Werten vorangegangener Abtastungen abhängt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, diese Fehlervergrößerung zu verringern,bzw. zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Vielzahl pulscodemodulierter (PCM) digitaler Worte zusammengefaßt wird, von diesen Worten in regelmäßigen Intervallen eine Anzahl differentieller pulsecodemodulierter (DPCM) Worte hergestellt wird, die pulsecodemodulierten Worte den differentiellen pulsecodemodulierten Worten in regelmäßigen Intervallen zu zusammengesetzten bzw. gemischten Signalen hinzugefügt werden und daß dieses zusammengesetzte (Misch-)Signal übertragen wird.

Die erfindungsgemäße Lösung der gestellten Aufgabe wird somit durch übertragung eines Signals erreicht, welches sowohl Signale vom PCM- als auch vom DPCM-Typ enthält. Üblicherweise werden die Signale vom PCM-Typ zur Rekonstruktion eines DPCM-Abtastwertes verwendet, die so rekonstruierten DPCM-Abtastungen werden vorzugsweise nicht zur Rekonstruktion weiterer Abtastungen verwendet, jedoch für den Fall, daß sie verwendet werden, sollte dies lediglich für eine begrenzte Anzahl, beispielsweise ein- oder zweimal erfolgen.

Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird nachstehend ein Ausführungsbexspiel der erfindungsgemäßen Lösung mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben, in der

Fig. 1 ein schematisches, räumliches Abtastmuster zeigt;

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Senders gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Empfängers zum Empfang der vom Sender gemäß Fig. 2 abgegebenen Signale zeigt; und

Fig. 4 schematisch ein weiteres räumliches

Abtastmuster zur Anwendung sowohl für Chrominanz- als auch für Helligkeits-Komponenten-Signale zeigt.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung bzw. beim erfindungsgemäßen Verfahren wird eingangsseitig ein Sub-Nyquist PAL-Signal (2 fsc) empfangen und nach der übertragung ein Sub-Nyquist-Signal rekonstruiert.

τ S

In dem zusammengesetzten PAL-Signal wird die Farbinformation in der Weise übertragen, daß zwei amplitudenmodulierte Hilfsträgerwellen derselben Frequenz (fsc) mit einer Phasenverschiebung um 90° verwendet werden. Daher erfährt bei einer Abtastung mit 2 fsc jeder Hilfsträger eine Phasenumkehr zwischen den Abtastungen wie in Fig. 1 dargestellt ist. Fig. 1 zeigt auchdas resultierende räumliche Abtastschema.

Die Grundlage des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, ein Drittel der Abtastungen als PCM-Werte zu senden (d.h. jede dritte Abtastung so wie die Abtastungen a, b, c, d, h, g). Vor der Übertragung werden diese Abtastungen dazu verwendet, den Wert der verbleibenden Abtastungen (e, f) zu schätzen. Die Differenzen zwischen den Schätzungen und den tatsächlichen Werten dieser Abtastungen werden in dem Kodierer gebildet. Die Differenzwerte können mit einer niedrigeren Datengeschwindigkeit übertragen werden als die ursprünglichen PCM-Informationen entsprechend den bekannten Techniken. Im Empfänger werden die differentiellen Abtastungen auf folgende Weise rekonstruiert: Die in PCM-Form empfangenen Abtastwerte (a, b, c, d, h, g) werden wiederum dazu verwendet, Schätzwerte der verbleibenden Abtastungen (e, f) herzustellen. Diese Schätzwerte sind identisch mit den im Sender erstellten Schätzwerten. Der geschätzte Wert wird dem empfangenen differentiellen Wert in jedem Einzelfall hinzugefügt, um die ursprüngliche Information wieder zu erhalten.

Um drei Worte der ursprünglichen Daten auszusenden, ist es erforderlich,

3 χ 8 = 24 bits

zu übertragen.

Um drei Worte einer dem erfindungsgemäßen Verfahren unterworfenen Information auszusenden, wird:

ein PCM-Wort - = 7 bits

+ zwei differentielle
Worte, die zu je 4
bits zusammengefaßt
wurden = 8 bits

15 bits

ausgesendet. Die übertragenen Datengeschwindigkeit ist daher im Verhältnis 15/24 reduziert worden.

Mit dem Aussenden von einem Drittel der Worte in PCM-Form treten unter Anwendung des besonderen Musters gemäß Fig. 1 stets drei PCM-Abtastungen der korrekten Hilfsträgerphase auf, die zur Bildung sehr genauer Schätzungen für jeden der übrigen Abtastungen verwendet werden können, d. h. die PCM-Worte a, b, c können zur Schätzung der Abtastung e verwendet werden. Da die Schätzwerte sehr genau sind, können die differentiellen Worte auf eine geringe Bitzahl.zusammengedrückt werden, ohne daß ein beachtlicher Qualitätsverlust auftritt.

Unter Bezugnahme auf Fig. 2 werden 2 fsc-Daten zu jeweils 8 bit pro Wort einer Reihenschaltung von Verzögerungselementen eingegeben. Die Verzögerungselemente bestehen*1 Wort-Verzögerungselementen 20 und Zeilen-Vorzögerungselementen 21 (566 Worte) und sind in der Weise angeordnet, daß alle Abtastungen a, b, c, d, e, f, g, h simultan erhältlich sind. Die Ein-

gangsdaten durchqueren die Verzögerungszeilen mit einer Taktgeschwindigkeit von 2 fsc und Register 22 sind zu einem Drittel dieser Verzögerungselemente ergänzt, so daß die zugehörigen Abtastungen gespeichert werden können.

Die Anordnung erzeugt Schätzungen der Abtastwerte e, f durch Anwendung gewichteter Summen der PCM-Abtastungen:

Schätzwert für f = -3125 g + -3125h + -375d Schätzwert für e = -3125 a + -3125c + -375b

Die verwendeten Koeffizientenkönnen dabei geändert werden.

Die Schätzwerte der Abtastungen e, f werden von den tatsächlichen Werten dieser Abtastungen abgezogen, die in den Registern 23 zur Erzeugung der differentiellen Worte Δ ₊₊ undA__ gespeichert sind.

Die differentiellen Worte werden dann für die Obertragung zusammengefaßt unter Verwendung eines Festspeichers mit wahlfreiem Zugriff (ROM 24 in Fig. 2 werden die beiden Worte zu insgesamt 8 bit unter Verwendung eines linearen Kodierers zusammengefaßt) . Die differentiellen Worte werden zusammen mit den PCM-Worten in einem Ausgangsregister 25 zur seriellen Übertragung multiplext.

«
Fig. 3 stellt den Aufbau des Dekoders dar und ist ähnlich der Anordnung gemäß Fig. 2 aufgebaut, so daß gleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern versehen sind.

Wenn die zusammengefaßten Daten empfangen werden, werden die PCM-Worte von den zusammengefaßten differentiellen Worten getrennt. Ein nichtlinearer Dekoder 34, der die umgekehrten Eigenschaften des Kodierers aufweist, wird zur Rückbildung der differentiellen Worte eingesetzt. Neue Schätzwerte von den Abtastwerten e, f werden erstellt unter Verwendung der PCM-Daten; diese Schätzwerte sollten identisch zu denen im Kodierer gebildeten sein. Die neuen Schätzwerte werden den differentiellen Worten hinzugefügt, um das 2 fsc-Videosignal zu rekonstruieren.

Derselbe Algorithmus kann auf verschiedene Art realisiert werden. Zum Beispiel können bei Anwendung des orthogonalen Musters gemäß Fig. 1 Abtastwerte der vorangegangenen und der nachfolgenden Zeile anstelle der zwei vorangegangenen und zwei späteren Zeilen verwendet werden. Das obenstehende Ausführungsbeispiel bezieht sich nur auf zusammengesetzte PAL-Signale, die mit 2 fsc abgetastet werden, und der wesentliche Gegenstand besteht darin, daß PCM-Daten in dem speziellen Schema gemäß Fig. 1 mit differentiellen Informationen zur Übertragung gemischt werden. Mit anderen Worten, es wird ein Abtastwert unter Verwendung eines PCM-Abtastwertes derselben Phase und derselben Zeile zusammen mit PCM-Abtastungen derselben Phase und der vorangegangenen und nachfolgenden Zeile rekonstruiert.

Obwohl die obenstehende Beschreibung nur im Zusammenhang mit einem zusammengefaßten PAL-Signal erfolgt ist, ist es selbstverständlich, daß die Komponenten der Chrominanz- und Helligkeitssignale in derselben

Weise, aber getrennt behandelt werden können. Für einen solchen Fall ergibt sich sogar mehr Spielraum im Schema der übertragenen PCM- und DPCM-Worte, da es nicht erforderlich ist, sich um die Hilfsträgerphase zu kümmern, und es ist vorteilhaft, die Verzögerungselemente in der Weise zu ändern, daß ein sofort angrenzender Abtastwert zu dem zu rekonstruierenden DPCM-Abtastwert bei der Herstellung des DPCM-Abtastwertes verwendet wird. Ein überarbeitetes Schema der PCM- und DPCM-Abtastungen, das für den Gebrauch bei zusammengesetzten Chrominanz- und Helligkeits-Signalen ist in Fig. 4 dargestellt. Dieses Schema beruht auf einem rechtwinkligen Raster und ist eins aus einer Vielzahl von Mustern, die verwendet werden können.

Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, sind die PCM-Abtastungen durch Kästchen dargestellt, und die DPCM-Abtastwerte werden im Falle des Abtastwertes a durch den unmittelbar vorangegangenen Abtastwert, denselben Abtastwert der nächsten Zeile und dem nachfolgenden Abtastwert der vorangegangenen Zeile gebildet. Im Falle des Abtastwertes b wird der DPCM-Abtastwert aus dem unmittelbar nachfolgenden Abtastwert derselben Zeile, demselben Abtastwert der vorangegangenen Zeile und dem vorangegangenen Abtastwert der nachfolgenden Zeile gebildet. Die Proportionen jedes der verschiedenen PCM-Abtastwerte sind in Fig. 4 eingetragen.

«
Eine Anordnung zur Erzeugung einer dem Schema der Fig. 4 entsprechenden Funktion ist für den Fachmann unter Zuhilfenahme der Anordnungen gemäß den Figuren

geeignet ist,

MT 10

2 und 3 ohne weiteres möglich.

Diese Erfindung kann sowohl bei der Senderabstrahlung oder beim Satellitenfunk als auch bei der Videoaufzeichnung digitaler Signale angewendet werden.

Claims

Independent Broadcasting Authority, 70 Brompton Road, London SW3, Großbritannien

Verfahren und Anordnung zur Herabsetzung der Datengeschwindigkeit

Ansprüche

Π J Verfahren zur übertragung digitaler Informationen, dadurch gekennzeichnet, aaß eine Vielzahl pulscodemodulierter (PCM) digitaler Worte zusammengefaßt wird, von diesen Worten in regelmäßigen Tntervalien eine Anzahl differentieller pulsecodemodulierter (DPCM) Worte hergestellt wird, die pulsecodemodulierten Worte den differentiellen pulsecodemodulierten Worten in regelmäßigen Intervallen zu zusammengesetzten bzw. gemischten Signalen hinzugefügt werden und daß dieses zusammengesetzte (Misch-) Signal übertragen wird.

DN/sg
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zusammengefaßte Signal eine Folge von Wortgruppen enthält, von denen jede Gruppe ein pulsecodemoduliertes Wort und zwei differentielle pulsecodemodulierte Worte umfaßt.
3. Verfahren zur übertragung digitaler Informationen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Information in Zeilenform übertragen wird und jeder DPCM-Abtastwert dadurch gebildet wird, daß PCM-Abtastwerte derselben Zeile, einer vorangegangenen Zeile und einer nachfolgenden Zeile verwendet wird.
4. Verfahren zur übertragung digitaler Informationen nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedes PCM-Wort η digits und 2 DPCM-Worte η + 1 digits umfaßt.
5. Anordnung zur Übertragung digitaler Informationen, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Zusammenfassung einer Vielzahl von pulsecodemodulierter (PCM) digitaler Worte, eine Einrichtung zur Erzeugung differentieller pulsecodemodulierter Worte (DPCM) aus ausgewählten pulsecodemodulierten Worten in regelmäßigen Abständen, eine Einrichtung zur Zusammenfassung der PCM- und der DPCM-Worte zu einem zusammengefaßten (Misch-)Signal und einer Einrichtung zur Übertragung des zusammengesetzten (Misch-)Signals.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Zusammenfassung der digitalen PCM-Worte Verzögerungseinrichtungen zur Verzögerung der PCM-Abtastwerte um ein oder mehrere Worte

und um eine oder mehrere Zeilen enthält.
7. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammenfassungs-Einrichtung in der Weise aufgebaut ist, daß ein PCM-Wort zwei DPCM-Worten hinzugefügt wird. .