DE3304006A1

DE3304006A1 - Verfahren zur bitratentransformation von digitaler farbfernsehuebertragung fuer oeffentliche netze

Info

Publication number: DE3304006A1
Application number: DE19833304006
Authority: DE
Inventors: Helmut Dr.-Ing. 3000 Hannover Martin
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-02-02
Filing date: 1983-02-02
Publication date: 1984-03-15
Also published as: DE3304006C2

Description

Verfahren zur Bitratentransformation von digitaler Farbfernsehübertragung für öf-
fentliche Netze Digitale Verfahren im Bereich des Farbfernsehens werden im Studiobereich bald die Norm sein. Die Übertragung über die öffentlichen Netze wird ebenfalls zügig digitalisiert werden. Da auch die Fernsehgerätetechnik zu digitalen Verfahren übergeht, ist damit zu rechnen, daß die Digitalisierung schrittweise vom Studio bis zum Fernsehgerät eingeführt wird.
Besondere Bedeutung kommt bei der Digitalisierung den Schnittstellen der öffentlichen Übertragungsnetze zu. Während sich je nach den gewählten Verfahren für die Digitalisierung die Übertragungsraten für die Bitströme ergeben, verlangen die öffentlichen Netze das Einhalten von genormten Übertragungsraten. Beide weichen im allgemeinen voneinander ab. Dies sei an dem Beispiel der geschlossenen Kodierung des FBAS-Signals des Pal-Verfahrens erläutert: eine hohe Qualität der PCM-Übertragung wird erreicht, wenn die Abtastfrequenz exakt das dreifache oder besser noch das vierfache der Farbhilfsträgerfrequenz von fc = 4.433.618,75 Hz beträgt (s. a. angegebene Literaturstelle (1)).
Das ergibt bei einer Abtastfrequenz abt von 3xfc 851,2548 Abtastungen je Zeile 532.034,25 Abtastungen je Bild und 106.406.850,0 Bit/s bei fabt von4xfc: 1.135,0064 Abtastungen je Zeile 709.379,0 Abtastungen je Bild und 141.875.800,0 Bit/s.
Die in der Nähe dieser Bitraten liegende genormte Übertragungsrate im öffentlichen Netz beträgt: füb 139.264.000 Bit/s.
Die Farbhilfsträgerfrequenz und die von ihr abgeleiteten Werte haben maximale Abweichungen von 1 x 10-6, während die öffentlichen Netze maximale Abweichungen von 15 x 10-6 zulassen. Zur Übertragung der Bitströme digitalisierter Farbfernsehbilder muß eine Bitratentransformation vorgenommen werden. Ist eine Erhöhung erforderlich, können zusätzliche Zeichen übertragen werden, eine Herabsetzung ist durch Herausnehmen redundanter Wörter während der Übertragung möglich. Redundante Teile sind in den horizontalen und vertikalen Austastlücken vorhanden. Nach der Übertragung über das öffentliche Netz und vor der weiteren Verarbeitung müssen entweder die zusätzlichen Zeichen herausgenommen bzw. die redundanten Zeichen wieder hinzugefügt werden. Das kann realisiert werden, indem jeweils das Vollbild mit 625 Zeilen in einen Digitalspeicher geleitet, die gesamte Bitzahl in der gewünschten Weise verändert und über das öffentliche Netz übertragen wird. Dieses Verfahren ist jedoch relativ aufwendig, da bei fabt = 17,7.. MHz der Abtastzyklus sich erst nach 625 Zeilen wiederholt. Bei fabt = 13,3.. MHz wiederholt sich der Abtastzyklus erst nach vier Vollbildern! Da eine Fernsehzeile, deren Abtastpunkte nicht ganzzahlig sind, nicht als kleiner Block in einem Digitalspeicher bearbeitet werden kann, sind die mit herkömmlichen Methoden möglichen Bitratentransformationen zu aufwendig, um in größerem Umfang, beispielsweise in den Endgeräten selbst, eingesetzt zu werden. Es besteht daher die Aufgabe, auf möglichst einfache Weise den durch Analog-Digitalwandlung entstandenen Datenstrom so zu verändern, daß er über das öffentliche Netz übertragen werden kann und dieser so entstandene Datenstrom nach der Übertragung und vor der weiteren Verarbeitung wieder exakt rekonstruiert wird.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe der Bitratentransformation von PCM kodierten Farbfernsehsignalen mit oder ohne Ton- und Zeichenübertragung in der horizontalen Austastlücke mit geringem elektronischen Aufwand erreicht, indem der Datenstrom der Quelle wortseriell in einen Durchlaufspeicher geleitet wird - dies geschieht mit dem Takt 1 (originaler Wort takt) - und indem ein parallel zum Durchlaufspeicher arbeitender Controller die horizontalen Austastlücken erkennt, wobei der H-Puls mit der für die Wortsynchronisierung notwendigen Zeichenfolge eingeleitet wird, und in die horizontale Austastlücke (s. Abb. 1 u. 2) die notwendige Anzahl zusätzlicher Zeichen hinzufügt oder redundante Zeichen herausnimmt, je nach der Aufgabe, die Bitraten zu erhöhen oder zu erniedrigen. Der veränderte Datenstrom wird aus dem Durchlaufspeicher mit dem Takt 2 (Worttakt gemäß der Bitrate des öffentlichen Netzes) herausgelesen und vor der Übertragung dem Parallel-Serien-Wandler zugeführt. Auf der Empfangsseite läuft der Vorgang in umgekehrter Reihenfolge ab. Die Anzahl der herauszunehmenden oder hinzuzufügenden Zeichen je Fernsehzeile errechnet sich wie folgt: Takt 1 - Takt 2 W = Takt 1 - Takt x Abtastungen je Zeile Takt 1 Die Wortanzahl W ist im allgemeinen eine Zahl mit mehreren Dezimalstellen nach dem Komma, und die einzuhaltenden Toleranzen lassen nur eine geringfügige Änderung dieses Wertes zu. Im Falle der Datenreduktion von 141.875.800,0 bit/s auf 139.264.000,0 ergibt sich W = 20,8944 Wörter je Zeile Die erforderliche Taktreduktion kann z. B. mit zwei vergleichenden Zählern erfolgen, die jeweils von den zu vergleichenden Takten ihre Zählimpulse erhalten und die in möglichst kurzen Zeitzyklen bis zu aus dem Taktverhältnis errechneten Zahlen zählen.
Die Zähler müssen zu genau gleichen Zeitpunkten diese Werte erreichen, die Abweichungen liefern Stellgrößen für den zu "ziehenden" Generator für Takt 2. Die Zähler müssen zyklisch durchlaufen, so werden Abweichungen addiert, und es ist eine bitgenaue Rekonstruktion möglich. Auf der Empfangsseite wird die Takttransformation in umgekehrtem Zählerverhältnis vorgenommen. Die Arbeitsweise der Taktwandler geht aus den Blockschaltbildern Bild 3 und 4 hervor (s. d.). Die Differenzwörter werden stets an der gleichen Stelle, d. h. nach der gleichen festgelegten Zahl Wörter hinter dem Wortsynchronzeichen herausgenommen oder hinzugefügt. Sie werden mit einem Kennungszeichen eingeleitet, das gleichzeitig die Anzahl der Wörter angibt. Um die geforderte Zahl Wörter im Mittel zu erreichen, es sind keine ganzen Zahlen, stehen dem sendeseitigen Prozessor zwei Zahlen zur Verfügung, die wie nachfolgend erläutert nach einem bestimmten Verfahren in einer sich ergebenden Reihenfolge verwendet werden.
Da der Takt 2 durch ein zu wählendes, ganzzahliges Teilerverhältnis festgelegt wird und die aus den Bitraten gewonnenen Zahlen sehr groß sein können, ist es möglich und empfehlenswert, von den sich aus dem Beispiel ergebenden genauen Zählerzahlen und damit von dem Verhältnis: 139264000 bit/s mit den annähernd 50247 141875800 bit/s genauen Zählerzahlen 49322 leicht abzuweichen, um zu kleineren Zahlen zu kommen, um auch in kleineren Zeitintervallen Stellgrößen von den vergleichenden Zählern zur Frequenzkorrektur zu erhalten.
Nachfolgend ist ein Programm wiedergegeben, mit dem die gewünschten Zählerzahlen errechnet werden können.

Flußdiagramm:

Eingaben:

Takt 1 = T1

Takt 2 = T2

max = DEL

1C

I

v T1/T2

II

1

Z = N+ I ,

D I = (Z/N-V)/V

1T (A + 0,5)

ABS (D I)<DEC

JA

Drucke Ergebnis

Zählerzahl 1 = Z

Zählerzahl 2 = N

Abweichung = D I

Soll z. B. die oben angeführte Bitrate T 1 = 141875800 bit/s an die des öffentlichen Netzes von T 2 = 139264000 bit/s gemäß dem Verfahren der Erfindung angepaßt bzw.

transformiert werden, so ergibt die Rechnung bei einer maximal zulässigen Taktabweichung von 1 x 10-5 Zählerzahl 1 = 163 Zählerzahl 2 = 160 Abweichung = - 4,2 x 10-6 Bei dem gewählten Zählerverhältnis ergibt sich als Wert für die im Mittel zu entnehmenden redundanten Wörter je Zeile bei Wörtern mit 8 Bit und einer Zeilenfrequenz von 15625 Hz: 141875/00/8/15625 = 1135,0064 Wörtern/Zeile zu entnehmen: 1135,0064 x (163-160)/163 = 20,8897 Wörter/Zeile Der Controller der Sendeseite (Bild 3) sorgt nun dafür, daß stets an der gleichen Stelle hinter dem Wortsynchronsignal die sich aus dem Füllgrad des Durchlaufspeichers ergebende Wortzahl redundanter Zeichen herausgenommen wird. Nach einer kurzen Einlaufzeit sind das zyklisch: 1 Zeile 20 Wörter und dann anschließend 8 bzw. 9 Zeilen 21 Wörter.
Wie bereits geschildert, wird die Serie Wörter durch ein Kennungszeichen eingeleitet, das der sendeseitige Controller setzt und aus dem die Anzahl 20 oder 21 der aus dem Datenstrom entfernten Wörter für den Controller der Empfangsseite ersichtlich ist.
Dort werden die entnommenen redundanten Wörter wieder in den Datenstrom eingefügt.
In dem anderen oben angegebenen Beispiel für einen Anwendungsfall der Bitratenerhöhung zur Anpassung an die Übertragungsraten des öffentlichen Netzes ergibt sich folgende Rechnung: Eingabe: Bitrate 1 = T 1 = 106406850 bit/s Bitrate 2 = T 2 = 139264000 bit/s maximale Abweichung = 1 x 10-5 Ergebnis: Zählerzahl 1 = 353 Zählerzahl 2 = 462 Abweichung = -4,62 x 10-6 Daraus ergibt sich als mittlere Zahl der in der horizontalen Austastlücke einzufügen den Wörter bei 851,2548 8 Bit-Wörter/Zeile 851,2548 x (462-353)/353 ergibt: 262,8520487 einzufügende Wörter je Zeile.
Es liegt nahe, daß hier nicht redundante Wörter eingefügt werden, sondern solche mit einem Nachrichteninhalt. Auch andere Möglichkeiten bieten sich an, indem z. B. die Bitzahl je Abtastung auf 10 erhöht wird, dann ergibt sich folgende Rechnung: Eingabe: Bitrate 1 = 133008562,5 bit/s Bitrate 2 = 139264000 bit/s maximale Abweichung = 1 x 10-5 Ergebnis: Zählerzahl 1 = 319 Zählerzahl 2 = 334 Abweichung = -8,02 x 10-6 Daraus ergibt sich die mittlere Zahl der in der horizontalen Austastlücke einzufügenden Wörter bei 851,2548 10 Bit-Wörter/Zeile 881,2548 * (334-319)/319 ergibt: 40,028 einzufügende Wörter je Zeile Für den sendeseitigen Controller folgt, daß dieser im eingespielten Zustand einmal 41 10 Bit Wörter in die horizontale Austastlücke eingefügt wird, danach etwa 35 mal 40 Wörter, die Nachrichten enthalten können. Der empfangsseitige Controller nimmt diese Wörter wieder heraus, ehe sie der weiteren Verarbeitung auf der Fernsehseite zugeleitet werden.
Zu der Anzahl verschiedener Ausgleichswörter sei bemerkt, daß in jedem Fall zwei genügen, und zwar die nach unten abgerundete, errechnete mittlere Wortzahl und die um eine Einheit höhere Zahl.
Besteht die Aufgabe, größere Teile der horizontalen Austastlücke von FBAS-Signalen für die Übertragung zusätzlicher Zeichen zu nutzen, so muß berücksichtigt werden, daß die normale Austastlücke auch ohne Burst vorkommt und daß es in der vertikalen Austastlücke bei den Vor-, Haupt- und Nachtrabanten noch zwei weitere Formen der horizontalen Austastlücke und somit insgesamt vier Formen gibt. Wird durch ein zusätzliches Kennzeichen die Form der Austastlücke, am besten erfolgt das unmittelbar hinter dem Synchronzeichen, gekennzeichnet und wird ferner zu Beginn des Burstes eine Schwingung desselben - 4 bzw. 3 Abtastwerte, die sich verfahrensbedingt dann etwa 10mal wiederholen - dem Analag-Digitalwandler zugeführt und die digitalisierten Werte dann dem Datenstrom hinzugefügt, dann kann der größte Teil der horizontalen Austastlücke für Ton-, Zeichen- und Datenübertragung genutzt und das FBAS-Signal trotzdem exakt rekonstruiert werden.
Beispiele für die Taktwandler sind in den Abb. 3 u. 4 als Zusatzgeräte konzipiert, um in den bekannten Datenstrom von PCM-kodierten FBAS-Signalen eingefügt zu werden.
Beim Integrieren in die PCM-Sende- und Empfangseinrichtungen vereinfacht sich der Aufbau erheblich, da sich dann sendeseitig die Serien-Parallel-Wandlung erübrigt und alle Takte des originalen Datenstromes zur Verfügung stehen, und auf der Empfangsseite ergeben sich entsprechende Vereinfachungen.
Sollen die Bitraten der künftigen Komponentenkodierung an die Bitraten des öffentlichen Netzes oder sogar an die international festgelegte Rahmenstruktur mit Blocksynchroniation durch Bitratentransformation gemäß der Erfindung angepaßt werden, so kommt hierbei die Flexibilität der Erfindung besonders zum Tragen: Abtastfrequenz 13,5 MHz gesamte Zeile aktive Zeile Bildpunkte/Zeile Y = 864 (720) R- Y = 432 (216) B- Y = 432 (216) Für die Übertragung der aktiven Zeilen bei zeilenesequentieller Übertragung der Farbzeilen, was bezogen auf die waagerechte Auflösung voll ausreicht, ergeben sich 135,000 Mbit/s Mit dem Verfahren gemäß der Erfindung kann z. B. eine Reduktion mit T 1 = 2928 und T 2 = 2839 auf 1392640000 * 2839/2928 = 135,0309 Mbit/s vorgenommen werden.
Das erlaubt eine synchrone Übertragung in dem nach CCITT G.751 festgelegten Rahmen. Während die aktive FS-Zeile obiger Konzeption 8640 Bit benötigt, werden mit 135,0309 Mbit/s je Zeile 1,9726 Bit zusätzlich übertragen, die z. B. in jeder 13. Zeile zur Synchronisation zu 24 Bit zusammengefaßt werden können, was für die Sicherheit der Übertragung und hinsichtlich des Fangverhaltens der Zeilensynchronisation erhebliche Vorteile bietet. Während die Halbbilder vorteilhaft nach "Programm" gefahren werden, d. h. in jeder 13. Zeile erfolgt die Einfügung der Zeilensynchronisation, erfolgt der Ausgleich der überschüssigen Bits gemäß dem Verfahren im "freien Lauf" jeweils in der vertikalen Austastlücke.
Auch synchrone Tonübertragung in der international festgelegten CCITT-Rahmenstruktur ist nach dem Verfahren durch Taktkopplung zwischen Ton- und Rahmentakt in Verbindung mit Durchlaufspeichern auf der Sende- und Empfangsseite auch bei der üblichen, an sich asynchronen Stopftechnik möglich. Das bietet besonders bei der gegen Jitter sehr empfindlichen, hochwertigen Tonübertragung große Vorteile.
Literatur: Dr. Ing. H. Martin Digitale Ubertragungvon Farbfernsehsignal mit Stereo-Begleitton über ein Glasfaser-KTV-Netz Nachrichten-Elektronik H.8-1981

Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zur Bitratentransformation von PCM-kodierten Farbfernsehsignalen, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Sendeseite der zu transformierende Datenstrom wortseriell in einen Durchlaufspeicher geleitet wird, daß dem zu transformierenden Datenstrom mittels eines Controllers, dem zwei, in einem festen Verhältnis stehende, vorgegebene Takte zugeführt werden, zur Datenratenreduktion eine vorgegebene Anzahl redundanter Wörter in der horizontalen Austastlücke entnommen bzw. zur Datenratenerhöhung eine solche Anzahl Wörter in der horizontalen Austastlücke hinzugefügt wird, daß der Datenstrom im transformierten Wort tat aus dem Durchlaufspeicher wortseriell herausgelesen und der Übertragungsleitung nach Parallel-Serienwandlung bitseriell zugeleitet wird und daß auf der Empfangsseite nach dem gleichen Prinzip, nur in umgekehrter Weise, der originale Datenstrom exakt wiederhergestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl W der herauszunehmenden oder hinzuzufügenden Datenwörter je Fernsehzeile sich wie folgt errechnet: W = Takt 1- Takt 2 x Abtastungen je Zeile Takt 1 wobei Takt 1 der Takt des zu transformierenden und Takt 2 der des transformierten Datenstroms ist und wobei W, im allgemeinen keine ganze Zahl, die mittlere Wortzahl bedeutet, die durch wechselweises ein- oder mehrmaliges, zeilenweises Entfernen oder Hinzufügen von einer kleineren Anzahl Wörter als W sowie ein ein- oder mehrmaliges, zeilenweises Entfernen oder Hinzufügen von einer größeren Anzahl Wörter als W letztere im Mittel erreicht wird und wobei zur Rekonstruktion des originalen Datenstroms durch den empfangsseitigen Taktwandler der Zeitpunkt und die Anzahl der aktuelle entnommenen oder hinzugefügten Wörter durch ein redundantes, gegen einfache Bitfehler gesichertes Kennungszeichen markiert und ersichtlich sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kennungszei chen stets im gleichen Wortabstand hinter dem Wortsynchronsignal stets im gleichen Wortabstand hinter dem Wortsynchronsignal und dies wiederum zu Beginn des H-Pulses liegt und daß zum Erreichen der mittleren Wortzahl W nur die Kombination zweier ganzer Zahlen Wu und WO verwendet werden, wobei 1. u = nach unten gerundete Zahl W und 2. WO = u + 1E sind.
4. Verfahren nach Anspructi 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Takttransformation mittels zweier vergleichender Zähler durchgeführt wird, die unabhängig voneinander von den beiden zu vergleichenden Takten getaktet werden und jeweils zyklisch bis zu den errechneten Grenzzahlen zählen - nach Erreichen dieser Zahlen wird ohne Pause im gleichen Takt wieder mit 1 beginnend hochgezählt -und aus der zeitlichen Differenz des Erreichens der Grenzzahlen der beiden Zähler wird eine Stellgröße für den Generator 2 erzeugt, wodurch sich ein durch die Zählergrenzwerte vorgebenes exaktes Taktverhältnis einstellt, und wobei durch die Addition der Abweichungen durch die zyklisch zählenden Zähler kein Bit verlorengeht.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß von dem exakten sich aus den beiden Bitraten ergebendem Zählerverhältnis mit großen Zahlen und zeitlich großem Abstand des Anfalls von Stellgrößen im Rahmen der zugelassenen Toleranz der Bitraten für das Übertragungsnetz abgewichen wird, um zu kleineren Zählergrenzzahlen zu kommen und kleineren zeitlichen Abständen des Anfalls von Stellgrößen.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die FS-Zeile insbesondere bei der Komponentenkodierung so stark reduziert wird, daß während der Dauer einer FS-Zeile lediglich der Inhalt der aktiven Zeile und ein oder einige Bits übertragen werden, die nach mehreren der Zahl nach festgelegten Zeilen zur Mehrzeilen-Synchronisation benutzt werden können, und daß der notwendige Wortausgleich gemäß dem Verfahren lediglich in den Vertikal lücken stattfindet.
7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch Taktkopplung zwischen Ton- und Rahmentakt in Verbindung mit Durchlaufspeichern auf der Sende- und Empfangsseite zwischen dem Rahmen und der für die Tonübertragung vorgesehenen Untereinheit mit entsprechenden Zählerzahlen und der Durchlaufspeicheranordnung gemäß dem Verfahren eine synchrone, jitterfreie, hochwertige Tonübertragung ermöglicht wird.