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Digitales Farbfernsehübertragungssystem
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Die Erfindung betrifft ein digitales Farbfernsehübertragungssystem
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein derartiges System ist bekannt aus
NTZ Archiv, Band 4 (1982), Heft 4, Seiten 103 bis 107, insbesondere aus Seite 104.
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Bei diesem System wird das Fernsehsignal in Form seiner Komponenten
(Y, B-Y, R-Y) mit einer Gesamtbitrate von 216 Mbit/s gemäß3 einer geltenden Studionorm
getrennt codiert, und diese Bitrate wird auf die für die Ubertragungsstrecke genannte
Bitrate von 140 Mbit/s herabgesetzt.
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Die angegebenen Lösungen zur Bitratenreduktion haben den Nachteil,
- daß eine Wandlung der Abtastfrequenz von 13,5 auf 11,25 MHz eine Verminderung
der Bildqualität gegenüber der Studionorm bedeutet, - daß die Farbdifferenzsignale
B-Y, R-Y in ihrer vertikalen Auflösung beeinträchtigt werden und - daß keine Möglichkeit
angegeben wird für die transparente übertragung eines Farbvideosignals (FBAS-Signal).
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein System der genannten Art
anzugeben, das eine übertragung der Komponentensignale mit möglichst geringer Beeinträchtigung
der Studioqualität
und außerdem eine übertragung des Fernsehsignals
in anderen Formen ermöglicht.
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Die Aufgabe wird wie im Patentanspruch angegeben gelöst.
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Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung
wird nun anhand der Zeicnungen beispielsweise näher erläutert.
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Die Fig. 1 und 2 zeigen ein Blockschaltbild des Codierers/ Decodierers
des erfindungsgemäßen Systems, wobei Fig. 2 sich an Fig. 1 anschließt.
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In Fig. 1 und 2 zeigt der obere Teil den Codierer und der untere Teil
den Decodierer des erfindungsgemäßen Farbfernsehübertragungssystems, wobei dieser
Codierer und Decodi erer, der sogenannte Codec eine gemeinsame Taktableitungsschaltung
1 haben. Gemäß der Aufgabenstellung besitzt der Codierer einen Satz von Eingängen
zu einer Sende-Schnittstellenschaltung 2 für die verschiedenen SignaLarten des Fernsehsignals,
nämlich einen Eingang für das FBAS-Signal, Eingänge für die Farbwertsignale CR,
G, B) und das zugehörige Synchronsignal S und Eingänge für die Komponenten des Farbfernsehsignals
(Y, B-Y,R-Y), nämlich das Luminanzsignal Y,
die Farbdifferenzsignale
(R-Y) und (B-Y) und das zugehörige Synchronsignal S. Diese verschiedenen Signalarten
können von unterschiedlichen beliebigen Bildquellen angeliefert werden, beispielsweise
kann das FBAS-Signal von einer Farbfernsehkamera und die beiden anderen Signale
direkt aus Fernsehstudios oder von anderen Ubertragungsstrecken stammen. Ein zur
Sende-Schnittstellenschaltong 2 gehöriger Betriebsartschalter 3 teilt dem Codierer
mit, welche Art des Eingangssignals verarbeitet werden soll. Die Sende-Schnittstellenschaltung
2 ist ein in analoger Technik ausgeführter Baustein, der eine Potentialtrennung
und eine Klemmung der Eingangssignale, um eventuelle Signalverzerrungen zu beseitigen,
aufweist, und der an seinen parallelen Ausgängen entsprechend der eingeschalteten
Betriebsart entweder Signale (FBAS, 0,0) oder (Y, R-Y, B-Y) oder (R, G, B) bereitstellt.
Die in den jeweiligen Eingangssignalen enthaltenen Synchronisiersignale steuern
über einen Ausgang SO die Taktableitungsschaltung 1 für den Fall, daß sich die Taktableitungsschaltung
gemäß einer von zwei möglichen Taktbetriebsarten auf die ankommenden Farbfernsehsignale
synchronisieren soll.Für den Fall der anderen möglichen Taktbetriebsart, daß die
Bildquelle beispielsweise aus dem digi tagen übertragungsnetz fremdsynchronisiert
werden sol liefert die Taktableitungsschaltung ein hochstabiles Taktsignal T1 an
die Sende-Schnittstellenschaltung 2, von dem diese ein Signal S zur Fremdsynchronisation
der Bildquelle ableitet. Um die Eingangssignale möglichst gut auf die Analog-Digital-Wandlung
vorzubereiten, werden sie innerhalb der Sende-Schnittstellenschaltung in einem Anti-Aliasing-Filter
(mit linearer Phase und keinem überschwingen) gefiltert und in einer Abtast- und
Halteschaltung mit einer Abtastfrequenz von 13,5 MHz abgetastet. Die drei Ausgangssinale
(Y, B-Y, R-Y), (R, G, B) und (FBAS, 0,0) der Sende-Schnitt
stelLenschaitung
2 gelangen sodann zu drei Analog-Digital-Wandlern 4, wobei der Analog-Digital-Wandler
mit dem Eingangssignal FBAS eine Auflösung von 9 Bits und die beiden anderen Wandler
eine Auflösung von jeweils 8 Bits haben.
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Die drei Analoo Digital-Wandler arbeiten alle mit der Abtastfrequenz
13,5 MHz und wandeln ihre Eingangssignale (Y, R-Y, B-Y) oder (FBAS, 0,0) oder (R,
G, B) in digitale Worte mit jeweils 8 bzw. 9 Bits um.
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Die digitalen Ausgangssignale der AnaloglDigital-Wandler gelangen
anschließend zu einem Transcodiererd,der im Falle von (R, G, B)-Signalen diese in
Signale (Y, B-Y, R-Y) umsetzt und im Falle der Signalart (Y, B-Y, R-Y) diese unverändert
durchschaltet. Das Signal (FBAS) wird vom Ausgang des 9 bit Analog/Digital-Wandlers
direkt zu einem nachstehend erläuterten Komponenten-Multiptexer 7 geleitet. Bei
der weiteren Signalverarbeitung muß daher lediglich noch zwischen der Signalart
(Y, R-Y, B-Y) und dem Signal (FBAS) unterschieden werden.
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Daraus ergibt sich ein besonderer Vorteil des vorliegenden Systems:
weil, wie erwähnt, sämtliche kodierten Abtastwerte des FBAS-Signals unverändert
übernommen werden, ist es gleichgültig, in welcher Norm das FBAS-Signal vorliegt.
Das erfindungsgemäße System ist damit auch für eine ubertragung von Signalen verschiedener
Farbfernsehnormen wie PAL, NTSC und SECAM geeignet. Die Einschaltung des Transcodierers
bei einem RGB-Signal wird von einem Steuersignal STJ gesteuert, das der Betriebsschalter
3 Liefert.
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Vom Ausgang des Transcodierers 5 gelangen die Signale (Y, R-Y, B-Y)
zu einem Farbinterpolator 6. der dazu dient/die
beste Approximation
für die Farbdifferenzsignale zu berechnenium damit die Bitrate für die Farbdifferenzsignale
zu reduzieren.
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Eine erste Lösung verwendet hierzu einen Zwischenspeicher von 1 bis
ca. 3 Zeilen für die Komponenten (Y, B-Y, R-Y), um die Signale zweidimensional zu
filtern. Danach können die Farbsignale ausgedünnt werden.
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Eine zweite Lösung begrenzt zunächst die Bandbreite der Komponenten
CB-Y, R-Y) mit einem digitalen Filter auf 3,375 MHz; anschließend werden diese Komponenten
mit je einem Hybrid-DPCM-Coder auf 4 Bit pro Abtastwert reduziert.
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In beiden Fällen kann die horizontale Zeilenaustastlücke (mit einem
zusätzlichen kleinen Pufferspeicher bei der zweiten Lösung) eliminiert werden, wobei
der Auslesetakt T3 des Pufferspeichers gegenüber T2 verändert ist.
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Der Farbinterpolator 6 liefert an seinem Ausgang wiederum 3 Signale
mit jeweils 8 Bits an den Komponenten-Multiplexer 7 und zusätzlich ein Steuersignal,
das die im Farbinterpolator bestimmten relevanten Werte der Farbdifferenzsignale
kennzeichnet. Der Komponentenmultiplexer 7 faßt nun die drei Eingangssignale so
zusammen, daß an seinem Ausgang die Signalfolge Y, Y, Fl, Y, Y, F2,... aus der Signalart
(Y, B-Y, R-Y) entsteht. Die Werte Fl und F2 sind die vom Farbinterpolator bestimmten
Repräsentanten der Farbdifferenzsignale (B-Y) und (R-Y). Der Komponentenmultiplexer
setzt im FBAS-Betrieb das geschlossen codierte FBAS-Signal mit je 9 bit pro Abtastwert
mit hilfe eines Formatwandlers in Worte mit je 8 bit um. Dies bedeutet, daß der
Komponenten-
multiplexer das Format des FBASsignals dem 8-bit-Format
der Komponenten angleicht; aus 8 Worten mit je 9 bit entstehen dabei 9 Worte mit
je 8 its.
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Eine Fernsehzeile enthält nach Eliminierung der horizontalen Zeilenaustastlücke
bei einer Abtastfrequenz von 13,5 MHz für das Luminanzsignal Y 72Q Bildpunkte mit
je 8 bit und nach Reduktion der Bandbreite für die Farbdifferenzsignale auf 3,375
MHz je 360 Farbpunkte.
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Die Reduktion im Farhinterpolator ergibt einen Wert mit 8 Bits pro
Farbpunkt (Reduktion um Faktor 2).
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Damit wird eine Fernsehzeile des Komponentensignals (Y, B-Y, R-Y)
am Ausgang des Komponenten Multiplexers mit (720 + 360) - 8 bit = 8640 Bits dargestellt;
das sind 1080 Worte à 8 bit. Das entspricht bei einer Zeilendauer von 64 sec einer
Bitrate von 135 Mbit/s.
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Ein FBAS-Signal wird durch (13,5 MHz 9 bit) = 121,5 NHz dargestellt,
wobei auf eine Zeile von 64 usec Dauer 121,5 MHz - 64 psec = 7776 Bits entfallen;
das entspricht 972 Worten à 8 bit pro Zeile.
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Da in einen noch zu erläuternden PCM-Multiplexer 10 ein Datenstrom
von vorzugsweise 4135 Mbit/s (z.B. 126,976 Mibitis) eingefügt werden soll, muß der
Datenstrom für das Komponentensignal (Y, B-Y, R-Y) weiter reduziert werden. Dies
kann mit Hilfe eines Pufferspeichers 8 zur Eliminierung der vertikalen Austastlücke
oder mit Hilfe eines nicht gezeigten digitalen Filters zur Herabsetzung der Abtastfrequenz
geschehen.
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Dieses Filter würde vorzugsweise in den Signalstrom für das Luminanzsignal
y eingefügt.
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Da das FBAS-Signal eine vergleichsweise geringe Bitrate hat, können
8 bit-Worte mit dem Inhalt "O" am Ende jeder Zeile vom Formatwandler eingefügt werden.
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Der Komponentenmultiplexer fügt in den Datenstrom der jeweiligen Signalart
zusätzlich eine Reihe von Steuerinformationen bzw. Hilfssignale aus einem nich gezeigten
Schreib-Lese-Speicher ein: - ein Synchronwort S1 (z.B. mit 32 bit) am Anfang eines
Vollbildes, - ein Synchronwort S2 (z.B. mit 32 bit) am Anfang eines Halbbildes,
- ein Wort (z.B. mit 32 bit) zu Beginn eines jeden Halbbildes und Vollbildes für
die Signalkennung, d. h. für die Betriebsart (FBAS), oder (Y, B-Y, R-Y), - ein Wort
(z.B-. mit 32 bit) zu Beginn eines jeden Halbbildes und Vollbildes für die abwechselnde
übertragung von: 1. Datum 2. Uhrzeit 3. Senderkennung: NUR1, SWF1, BR1, 4. Programmkennung
zur Steuerung der Videorecorder 5. Tonkennung: Mono, Stereo, Zweiton; Zwei/Stereokanäle;
Sprachen.
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6. Fernwirkkanal mit Passwort: z. B. für eine Bildfernsprechkamera.
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und andere Steuerinformationen.
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- Wörter "O" (z.B. mit insgesamt 64 bit) am Ende jeder Zeile
als
Reserve zur Aufnahme von Coderedundanz für die Fehlersicherung.
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Am Ausgang des Komponentenmultiplexers für die Komponentensignale
beträgt die Bitrate ca. 136 Mbitis, einschließlich Hilfssignale aber ohne Horizontalaustastlücke.
Ein anderer Ausgang für das FBAS-Signal liefert eine Bitrate (z. B.
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von 126,976 MHz) passend zum Eingang eines Kanalcodierers 9.
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Der Ausgang für das FBAS-Signal ist direkt mit dem Kanalcodierer 9
verbunden, wogegen der Ausgang für das Komponentensignal zum Pufferspeicher 8 gelangt.
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Die zugehörigen Ausgabetakte des Komponentenmultiplexers 7 sind mit
Hilfe der Taktableitungsschaltungen 2 ebenso wie alle zuvor genannten Takte von
den ankommenden und zu übertragenden Farbfernsehsignalen abgeleitet.
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Im Ausgangs-Datenstrom des Komponentenmultiplexers 7 ist bei der Betriebsart
der getrennten Codierung noch die Vertikalaustastlücke enthalten, deren Anteil am
gesamten Datenstrom 8 X, d. h. bei 135 Mbitls 10,8 Mbit/s beträgt.
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Diese vertikale Austastlücke wird mit Hilfe des Pufferspeichers 8
(z. B. einem dynamischen Umiaufspeicher) eliminiert. Pro Halbbild sind 287,5 Zeilen
mit Bildinhalt belegt; diese Zahl wird auf 288 Zeilen aufgerundet; 24,5 Zeilen werden
pro Halbbild eliminiert. Damit benötigt der Pufferspeicher eine Größe von ca. 17
Zeilen mit je 1080 Worten ä 8 bit.
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Falls die Horizontalaustastlücke noch nicht im Pufferspeicher der
FarbinterpoLators 6 beseitigt worden ist, so kann sie auch in entsprechender Weise
von dem Komponentenmulti-
plexer nachgeschalteten Pufferspeicher
8 beseitigt werden.
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Der Einschreibetakt des Pufferspeichers 8 ist in jedem Falle gleich
dem Ausgangstakt des Komponentenmultiplexers für das Komponentensignal, der, wie
bereits erwähnt, von den zu übertragenden Farbfernsehsignalen abgeleitet ist. Der
Auslesetakt des Pufferspeichers 8, der für eine herabgesetzte Bitrate von 126,97
Mbitis sorgt, wird in der Taktableitung nicht wie die vorhergehenden Takte von den
ankommenden Farbfernsehsignalen, sondern von dem Takt der weiterführenden PCM-Ubertragungsstrecke
abgeleitet. Damit gleicht der Pufferspeicher 8 beachtliche Taktschwankungen der
Quellen der Farbfernsehsignale gegenüber dem Takt der PCM-übertragungsstrecke aus.
Außerdem erlaubt er es, die Bitrate seines Ausgangs-Datenstroms an den Zeitmultiplexrahmen
anzupassen, der für einen zwischen ihm und der PCM-übertragungsstrecke befindlichen
PCM-Multiplexer gewünscht wird. Falls es notwendig ist, kann er die Taktanpassung
auch noch mittels einer positiven Stopftechnik ergänzen.
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Dem Pufferspeicher 8 ist der Kanalcodierer 9 nachgeschaltet, der an
jede Fernsehzeile Wörter mit insgesamt 64 Bits hinzufügt, die aus dem Zeileninhalt
ermittelt werden und die im Empfänger eine Fehlerkorrektur ermöglichen. Die Fehlersicherung
verwendet pro Fernsehzeile einen zyklischen Blockcode nach Bose-Chaudhuri mit einer
Blocklänge von vorzugsweise n= 4095 bit; damit werden nur die höchstwertigen Bits
der PCM-Werte geschützt.
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In der Betriebsart FBAS übernimmt der Kanalcode, an seinen Eingang
das codierte FBAS-Signal vom Komponentenmultiplexer und in der anderen Betriebsart
das Ausgangssignal des Pufferspeichers. In einem speziellen PCM-Multiplexer 10 werden
das
Ausgangssignal des KanaLcodierers 9 und Eingangssignale von 2 Hilfskanälen die in
ihrer Kanalkapazität zwei PCM-30-Systemen entsprechen, gemeinsam mit Synchronisationssignalen
und Signalen aus Hilfskanälen für Signalisierungszwecke zu der für die vierte PCM-Hierarchie
genormten Bitrate von 139,264 Mbit/s zusammengefaßt. Ein jeder Hilfskanal mit der
Kanalkapazität von einem PCM-30-System kann 2 Stereo-Ton-SignaLe Cauch Fernsehton)
aufnehmen. Zu jedem Hilfskanal steht ein entsprechendes Taktsignal zur Verfügung.
Bevor dieses Multiplexsignal auf die PCM-übertragungsstrecke gelangt, wird es in
einem CMI-Codierer in den CMI-Leitungscode (CMI=Coded Mark Inversion) umgesetzt.
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Im folgenden wird der empfangsseitige Decodierer beschrieben.
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Das Multiplexsignal empfängt der im unteren Teil der Fig. 1 dargestellte
Decodierer, in dem die bisher beschriebenen Funktionen umgekehrt ablaufen. Hier
setzt der CMI-Decodierer den empfangenen Datenstrom in den ursprünglichen Code des
PCM-Multiplexer 10 um, worauf ein PCM-Demultiplexer 13 von dem Datenstrom die Signale
der Hilfskanäle abspaltet und zum Kanaldecodierer 13 lediglich den Farbfernsehbildanteil
des Datenstroms durchläßt. Der Kanaldecodierer 14 korrigiert aufgrund der im Empfangssignal
enthaltenen Fehlerschutzinformationen Ubertragungsfehler und veranlaßt einen nachfolgenden
Pufferspeicher 15, die vorausgegangene Zeile zu wiederholen, wenn ein unkorrigierbares
Muster auftritt.
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Sämtliche bisher beschriebenen empfangseitigen Funktionen einschließlich
des Einschreibhens des empfangenen Signals in den Pufferspeicher 15 erfolgen im
Takt T6. Der Pufferspeicher 15 erhöht entsprechend dem sendeseitigen Puffer-
speicher
8 wieder die Bitrate von 126,976 Mbit/s auf 136 Mbit/s, d. h. er schafft wieder
die ursprünglich vorhandenen Lücken im Komponentensignal (Y, B-Y, R-Y). wie bereits
auf der Sendeseite beschrieben, bildet auch der empfangsseitige Pufferspeicher 15
die Trennstelle zwischen den Takten, die von der PCM-übertragungsstrecke abgeleitet
werden und den Takten die im empfangenen Videosignal enthalten sind. Die Takte der
Empfangsseite sind mit dem zusätzlichen Index E gekennzeichnet.
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Das Ausgangssignal des Kanaldecoders gelangt direkt zu einem zweiten
Eingang (FBAS) eines Komponentendemultiplexer 16, dessen erster Eingang (Y, B-Y,
R-Y) das mit der heraufgesetzten Bitrate vom Pufferspeicher gelieferte Signal erhält.
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Der Komponentendemultiplexer synchronisiert auf die Synchronisationsworte
am Halbbildanfang, erkennt die vorliegende Signalkennung und zerlegt das Komponentensignal
wieder in die drei 8 bit-Signale (Y, Fl, F2> bzw. wandelt bei der anderen Betriebsart
der an seinem zweiten Eingang erscheinende (FBAS)-Signal mit Hilfe eines Formatwandlers
wieder in das 9 bit Format um. Er trennt die Hilfssignale ah; von den darin enthaltenen
Synchronisierinformationen, die nicht aus der PCM-üBertragungsstrecke, sondern von
der entfernten Bildquelle stammen, leitet die Taktableitungsschaltung 1 den Eingangstakt
T 5E des Komponentendemultiplexers 16 (gleichzeitig auch Ausgangstakt des Pufferspeichers
15) sowie die Takte, die für die nachfolgenden Funktionseinheiten notwendig sind,
ab. DieBild-Synchronisiersignale werden an einem Ausgang SOE an eine Empfangs-Schnittstellenschalter
17 zur Signalausgabe gegeben. Ein Betriebsartschaltung 18 steuert dabei die auszugebende
Signalart (R, G, B, S) odei (Y, B-Y, R-Y, S).
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Werden Komponentensignale empfangen, so wird ein dem Komponentendemultiplexer
16 nachgeschalteter Farbinterpolator 19 in Betrieb geschaltet. Dieser Farbinterpolator
realisiert im wesentlichen die Umkehrfunktion des sendeseitigen Farbinterpolators.
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Für den Fall, daß im Pufferspeicher 15 nicht die Horizontalaustastlücke
geschaffen worden ist, übernimmt dies ein zum Farbinterpolator 19 gehörige Pufferspeicher.
Auf den Farbinterpolator 19 folgt ein Transdecodierer 20, der die Komponentensignale
(Y, B-Y, R-Y) falls gewünscht in (R, G, E)-Signale umsetzt. Von den Ausgängen des
Transdecoierers 20 gelangen die Signale auf drei parallele Digital-Analog-Wandler
21, die ihre Eingangssignale mit einer Frequenz von 13,5 vIHz entsprechend der Sendeseite
wieder in analoge Werte umsetzen.
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Falls FBAS-Signale empfangen werden, liefert der Komponentendemultiplexer
an dem Ausgang des Formatwandlers das (FBAS)Signal mit 9 bit direkt zu einem der
Analog-Digital-Wandler. Gleichzeitig liefert der Komponenten-Demultiplexer ein Steuersignal
ST1E an den Transdecodierer, der daraufhin seine Ausgänge abschaltet. Für den Fall,
daß es erwünscht ist , das FBAS -Signal in unterschiedlichen Fernsehnormen (PAL,
NTSC doer SECAM) am Ausgang zur Verfügung zu haben, enthält die Empfangs-Schnittstellenschaltung
17 die entsprechenden Normwandler, die gemäß der gewünschten Betriebsart in Betrieb
gesetzt werden.
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Der Empfangs-Schnittstellenschaltung 17, sind der gewünschten Betriebsart
entsprechende Empfangsgeräte, beispielsweise Farbfernsehempfänger oder Bildaufzeichnungsgeräte
nachgeschaltet.
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Da das beschriebene System u. a. über einen volltransparenten übertragungsweg
für das FBAS -Signal verfügt, kann das (FBAS)-Signal jede Art von Zusatzinformationen
(z. B.
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die Fernseh-Begleittöne) enthalten.
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Zur Prüfung des Gesamtsystems wird im Codierer in der Nähe des Eingangs
ein digitaler Bildmustergenerator vorgesehen, mit dem verschiedene Arten von Bildmustern
erzeugt werden können. Das Muster kann empfangsseitig visuell ausgewertet werden
nach Durchlaufen des Gesamtsystems oder von Teilen des Gesamtsystems.
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Dazu wird nach jeder Funktionseinheit des Codierers eine schaltbare
Querverbindung zu der entsprechenden Funktionseinheit des Decodierers vorgesehen;
damit kann das System modulweise geprüft werden.
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Für den Anschluß von Studiogeräten wird je eine digitale Ein-Ausgabeschnittstelle
(mit 216 Mbit/s) im Codierer und Decodierer zwischen den Analog-Digital-Wandlern
4 und dem Transcodierer 5 bzw. dem Digital-Analog-Wandler 21 und dem Transdecodierer
20 vorgesehen.
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