DE3304006C2

DE3304006C2 -

Info

Publication number: DE3304006C2
Application number: DE19833304006
Authority: DE
Inventors: Helmut Dr.-Ing. 3000 Hannover De Martin
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-02-02
Filing date: 1983-02-02
Publication date: 1990-12-13
Also published as: DE3304006A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bitratentransformation von PCM-kodierten Farbfernsehsignalen.

Aus der US-PS 43 06 249 ist ein Verfahren zur Übertragung digitaler Fernsehsignale bekannt, bei dem im Sender Abtastwerte regelmäßig unterdrückt werden und im Empfänger unterdrückte Abtastwerte durch Schätzwerte ersetzt werden.

Digitale Verfahren im Bereich des Farbfernsehens werden im Studiobereich bald die Norm sein. Die Übertragung über die öffentlichen Netze wird ebenfalls zügig digitali siert werden. Da auch die Fernsehgerätetechnik zu digitalen Verfahren übergeht, ist damit zu rechnen, daß die Digitalisierung schrittweise vom Studio bis zum Fernsehge rät eingeführt wird.

Besondere Bedeutung kommt bei der Digitalisierung den Schnittstellen der öffentli chen Übertragungsnetze zu. Während sich je nach den gewählten Verfahren für die Di gitalisierung die Übertragungsraten für die Bitströme ergeben, verlangen die öffentli chen Netze das Einhalten von genormten Übertragungsraten. Beide weichen im allge meinen 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 vier fache der Farbhilfsträgerfrequenz von

f_c = 4 433 618,75 Hz

beträgt (nachrichten elektronik 35 (1981), Heft 8).

Das ergibt bei einer Abtastfrequenz

f_abt von 3 × f_c:
851,2548 Abtastungen je Zeile
	532 034,25 Abtastungen je Bild und
	106 406 850,0 Bit/s
bei f_abt von 4 × f_c:	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:

f_üb = 139 264 000 Bit/s.

Die Farbhilfsträgerfrequenz und die von ihr abgeleiteten Werte haben maximale Ab weichungen von 1 × 10^-6, während die öffentlichen Netze maximale Abweichungen von 15 × 10^-6 zulassen. Zur Übertragung der Bitströme digitalisierter Farbfernsehbilder muß eine Bitratentransformation vorgenommen werden. Ist eine Erhöhung erforder lich, können zusätzliche Zeichen übertragen werden, eine Herabsetzung ist durch Her ausnehmen redundanter Wörter während der Übertragung möglich. Redundante Teile sind in den horizontalen und vertikalen Austastlücken vorhanden. Nach der Übertra gung über das öffentliche Netz und vor der weiteren Verarbeitung müssen entweder die zusätzlichen Zeichen herausgenommen bzw. die redundanten Zeichen wieder hin zugefügt werden. Das kann realisiert werden, indem jeweils das Vollbild mit 625 Zeilen in einen Digitalspeicher geleitet, die gesamte Bitzahl in der gewünschten Weise verän dert und über das öffentliche Netz übertragen wird. Dieses Verfahren ist jedoch rela tiv aufwendig, da bei f_abt = 17,7 . . . MHz der Abtastzyklus sich erst nach 625 Zeilen wie derholt. Bei f_abt = 13,3 . . . MHz wiederholt sich der Abtastzyklus erst nach vier Vollbil dern! 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 Um fang, beispielsweise in den Endgeräten selbst, eingesetzt zu werden. Es besteht daher die Aufgabe, auf möglichst einfache Weise den durch Analog-Digitalwandlung ent standenen 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 eine 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 Worttakt) - und indem ein parallel zum Durchlaufspeicher ar beitender 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 Zei chen hinzufügt oder redundante Zeichen herausnimmt, je nach der Aufgabe, die Bitra ten zu erhöhen oder zu erniedrigen. Der veränderte Datenstrom wird aus dem Durch laufspeicher 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:

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 Abwei chungen liefern Stellgrößen für den zu "ziehenden" Generator für Takt 2. Die Zähler müssen zyklisch durchlaufen, so werden Abweichungen addiert, und es ist eine bitge naue 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 erläu tert nach einem bestimmten Verfahren in einer sich ergebenden Reihenfolge verwen det 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 Zeitin tervallen Stellgrößen von den vergleichenden Zählern zur Frequenzkorrektur zu erhal ten.

Nachfolgend ist ein Programm wiedergegeben, mit dem die gewünschten Zählerzahlen errechnet werden können.

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 Taktab weichung von 1 × 10^-5

Zählerzahl 1 = 163
Zählerzahl 2 = 160
Abweichung = -4,2 × 10^-6

Bei dem gewählten Zählerverhältnis ergibt sich als Wert für die im Mittel zu entneh menden 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 × (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 erge bende Wortzahl redundanter Zeichen herausgenommen wird. Nach einer kurzen Ein laufzeit 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 einge fügt.

In dem anderen oben angegebenen Beispiel für einen Anwendungsfall der Bitratenerhö hung zur Anpassung an die Übertragungsraten des öffentlichen Netzes ergibt sich fol gende Rechnung:

Eingabe:
Bitrate 1 = T 1 = 106406850 bit/s
Bitrate 2 = T 2 =139264000 bit/s
maximale Abweichung = 1 × 10^-5

Ergebnis:
Zählerzahl 1 = 353
Zählerzahl 2 = 462
Abweichung = -4,62 × 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 × (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 × 10^-5

Ergebnis:
Zählerzahl 1 = 319
Zählerzahl 2 = 334
Abweichung = -8,02 × 10^-6

Daraus ergibt sich die mittlere Zahl der in der horizontalen Austastlücke einzufügen den 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 ge nügen, 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 zu sätzliches Kennzeichen die Form der Austastlücke, am besten erfolgt das unmittelbar hinter dem Synchronzeichen, gekennzeichnet und wird ferner zu Beginn des Burstes ei ne Schwingung desselben - 4 bzw. 3 Abtastwerte, die sich verfahrensbedingt dann etwa 10mal wiederholen - dem Analog-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 Empfangs seite ergeben sich entsprechende Vereinfachungen.

Sollen die Bitraten der künftigen Komponentenkodierung an die Bitraten des öffentli chen Netzes oder sogar an die international festgelegte Rahmenstruktur mit Block synchronisation durch Bitratentransformation gemäß der Erfindung angepaßt werden, so kommt hierbei die Flexibilität der Erfindung besonders zum Tragen:

Abtastfrequenz 13,5 MHz

Für die Übertragung der aktiven Zeilen bei zeilensequentieller 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 Rah men. 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 erheb liche 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-Rahmen struktur ist nach dem Verfahren durch Taktkopplung zwischen Ton- und Rahmentakt in Verbindung mit Durchlaufspeichern auf der Sende- und Empfangsseite auch bei der üb lichen, an sich asynchronen Stopftechnik möglich. Das bietet besonders bei der gegen Jitter sehr empfindlichen, hochwertigen Tonübertragung große Vorteile.

Claims

1. Verfahren zur Bitratenttransformation von PCM-kodierten Farbfernsehsignalen, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Sendeseite der zu transformierende Daten strom wortseriell in einen Durchlaufspeicher geleitet wird, daß dem zu transfor mierenden Datenstrom mittels eines Controllers, dem zwei, in einem festen Ver hältnis stehende, vorgegebene Takte zugeführt werden, zur Datenratenreduk tion eine vorgegebene Anzahl redundanter Wörter in der horizontalen Austast lücke entnommen bzw. zur Datenratenerhöhung eine solche Anzahl Wörter in der horizontalen Austastlücke hinzugefügt wird, daß der Datenstrom im transfor mierten Worttakt 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 her auszunehmenden oder hinzuzufügenden Datenwörter je Fernsehzeile sich wie folgt errechnet: wobei Takt 1 der Takt des zu transformierenden und Takt 2 der des transformier ten Datenstroms ist und wobei W, im allgemeinen keine ganze Zahl, die mittlere Wortzahl bedeutet, die durch wechselweises ein- oder mehrmaliges, zeilenwei ses Entfernen oder Hinzufügen von einer kleineren Anzahl Wörter als W sowie ein ein- oder mehrmaliges, zeilenweises Entfernen oder Hinzufügen von einer größe ren Anzahl Wörter als W letztere im Mittel erreicht wird und wobei zur Rekon struktion 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 Kennungs zeichen 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 glei chen Wortabstand hinter dem Wortsynchronsignal und dies wiederum zu Beginn des H-Pulses liegt und daß zum Erreichen der mittleren Wortzahl W nur die Kom bination zweier ganzer Zahlen W_u und W_o verwendet werden, wobei 1. W_u = nach unten gerundete Zahl W und
2. W_o = W_u + 1 sind.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Takttransfor mation mittels zweier vergleichender Zähler durchgeführt wird, die unabhängig voneinander von den beiden zu vergleichenden Takten getaktet werden und je weils 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 Zäh ler wird eine Stellgröße für einen Generator 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 ver lorengeht.

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 zugelasse nen 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 ins besondere 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 Vertikallücken stattfindet.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch Taktkopp lung zwischen Ton- und Rahmentakt in Verbindung mit Durchlaufspeichern auf der Sende- und Empfangsseite zwischen dem Rahmen und der für die Tonübertra gung vorgesehenen Untereinheit mit entsprechenden Zählerzahlen und der Durchlaufspeicheranordnung gemäß dem Verfahren eine synchrone, jitterfreie, hochwertige Tonübertragung ermöglicht wird.