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BESCHREIBUNG
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ubertragen eines
Fernsehsignals gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie auf eine Schaltungsanordnung
zum Empfangen eines demgemäß übertragenen Fernsehsignals.
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Bei verbesserten Fernsehsystemen wird aufnahmeseitig zur Erzielung
einer höheren Auflösung mit einer gegenüber herkömmlichen Fernsehnormen (PAL, NTSC)
etwa verdoppelten Zeilenanzahl (mehr als 1000 aktive Zeilen) abgetastet. Da eine
derart vergrößerte Bilddetailauflösung in vertikaler Richtung eine entsprechend
erhöhte Horizontalauflösung zwecks Vermeidung eines Astigmatismus zwangsläufig erfordert,
ergibt sich im Vergleich zu herkömmlichen Fernsehsystemen bei unverändertem normgemäßen
Bild-Seitenverhältnis von 4: 3 ein um nahezu das Vierfache höherer Bandbreitenbedarf.
Die Übertragung solcher HDTV-Signale (High Definition Television = hochauflösendes
Fernsehen) stellt wegen dieses Bandbreitenbedarfs wirtschaftlich ein nahezu unlösbares
Problem dar. Hinzu kommt, daß hochauflösende Fernsehsysteme nur dann die erforderliche
Akzeptanz beim Konsumenten erwarten können, wenn zur Vergrößerung des horizontalen
Blickwinkels das Bild-Seitenverhältnis auf 5 : 3 oder sogar 2 : 1 geändert wird;
aus dieser Überlegung heraus ergibt sich ein noch höherer Bandbreitenbedarf
zwischen
20 und 30 MHzr der auch bei Satelliten-Direktfernseh-Ubertragungskanälen nicht verfügbar
ist.
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Wegen dieses enormen Bandbreitenbedarfs geht ein von Prof. Dr. Wendland
gemachter Vorschlag dahin, die höhere Bildqualität der von hochauflösenden Fernsehkameras
gelieferten HDTV-Signale zur besseren Ausnutzung eines herkömmlichen Fernsehübertragungskanals
einzusetzen, in dem das HDTV-Signal sendeseitig mittels eines Standard-Konverters
auf die Zeilenanzahl (z.B. 575 aktive Zeilen) und die Bildwechselfrequenz (z.B.
50 Hz) herkömmlicher Fernsehsysteme konvertiert und dabei vertikal gefiltert wird.
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Durch diese Maßnahme läßt sich wegen des in vertikaler Richtung vergrößerten
Kell-Faktors eine gegenüber herkömmlichen Fernsehsystemen höhere Bilddetailauflösung
in vertikaler Richtung erzielen. In horizontaler Richtung ergibt sich wegen der
unveränderten Bandbreite des herkömmlichen Fernsehübertragungskanals keine Auflösungsverbesserung.
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Zum Verständnis des Kell-Faktors ist auf folgendes hinzuweisen: Bei
einem mit Signalabtastung arbeitenden System, wie es die Zeilenstruktur eines Fernsehbildes
darstellt, wird der maximal übertragbare Informationsgehalt durch das Nyquist-Theorem
bestimmt, welches besagt, daß bei einer vorgegebenen Abtastfrequenz fS maximal eine
Frequenz 0,5 fS 5 störungsfrei übertragen werden kann. Dies setzt jedoch voraus,
daß vor der Abtastung, also im optischen Teil des Abtastsystems, durch ein relativ
steilflankiges Filter die Frequenzkomponenten größer als 0,5 f5 unterdrückt werden,
da ansonsten diese Komponenten in Spiegellage bezüglich f5 in den Frequenzbereich
O - 0,5 fS fallen und sich als sogenannte Alias-Störungen bemerkbar machen würden.
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Die Filtereigenschaften optischer Systeme von Fernsehkameras zeigen
jedoch keinen steilflankigen, sondern einen angenähert gaussschen Verlauf, so daß
der tatsächlich übertragene Informationsgehalt weit unterhalb der Grenze des
Nyquist-Theorems
liegt und durch einen Reduktionsfaktor, den erwähnten Kell-Faktor beschrieben wird.
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Das mit einer gegenüber herkömmlichen Fernsehsystemen erhöhten Frequenz
f5 abgetastete HDTV-Signal unterliegt zwar denselben Einschränkungen bezüglich der
Filtereigenschaften des optischen Systems, hat aber im Vergleich zu einem herkömmlichen
Fernsehsignal wegen der erhöhten Abtastfrequenz eine entsprechend höhere Auflösung.
Man kann nunmehr entsprechend dem Vorschlag von Prof. Wendland durch eine nachgeschaltete,
steilflankige elektrische Filterung denjenigen Bereich aus dem HDTV-Signal herausfiltern,
welcher der theoretischen Grenze des herkömmlichen Fernsehsystems entspricht, wodurch
sich insoweit ein höherer Kell-Faktor, sprich ein höherer Informationsgehalt des
resultierenden Signals ergibt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, Maßnahmen anzugeben, wie
unter Verwendung von Satelliten-Direktfernseh-Ubertragungskanäle die gesamte Informationsmenge
eines konvertierten HDTV-Signals sowohl in vertikaler als auch in horizontaler Richtung
übertragen werden kann, wobei dennoch ein Empfang mittels herkömmlicher Fernsehempfänger
gewährleistet ist.
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Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs
1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens nach dem Patentanspruch
1 ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 4.
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Eine Schaltungsanordnung zum Empfangen eines gemäß dem erfindungsgemäßen
Verfahren übertragenen Fernsehsignals höherer Auflösung ergibt sich aus dem Patentanspruch
5.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Schaltungsanordnung nach dem Patentanspruch
5 ergeben sich aus den Patentansprüchen 6 bis 7.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Es zeigt: Fig. 1 ein Blockschaltbild der sendeseitigen Ausbildung
eines erfindungsgemäßen Ubertragungssystems; Fig. 2 ein Blockschaltbild der empfängerseitigen
Ausbildung eines erfindungsgemäßen Ubertragungssystems, und Fig. 3a schematische
Darstellungen der zeitlichen bis 3k Längen von Fernsehzeilen oder Teilen hiervon
an entsprechend markierten Stellen des Ubertragungssystems nach Fign. 1 und 2 sowie
die zugehörigen Bandbreiten für die Luminanzkomponenten.
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Der in Fig. 1 veranschaulichten, sendeseitigen Schaltungsanordnung
wird die Luminanzkomponente eines HDTV-Signals zugeführt. Die Farbkomponente des
HDTV-Signals wird einer identisch aufgebauten Schaltungsanordnung zugeführt, welche
wegen der im Vergleich zur Luminanzkomponente geringeren Bandbreite der Farbkomponente
geänderte Bemessungen aufweist. Das betrachtete HDTV-Signal enthält mehr als 1000
aktive Zeilen und mindestens 50 Bewegungsphasen (Halbbilder) pro Sekunde.
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Die vorliegend betrachtete Luminanzkomponente des HDTV-Signals wird
mittels eines Standard-Konverters 10 in ein
konvertiertes HDTV-Luminanzsignal
umgesetzt, dessen aktive Zeilenzahl einer herkömmlichen Fernsehnorm entspricht,
beispielsweise 575 aktive Zeilen bei insgesamt 625 Zeilen.
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Die Halbbild-Folgefrequenz von beispielsweise 50 Hz bleibt unverändert.
Im Unterschied zu herkömmlichen Fernsehnormen besitzt jedoch das konvertierte Signal
ein von 4 : 3 auf 5 : 3 oder 2 : 1 vergrößertes Bild-Seitenverhältnis.
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Hierdurch ergibt sich eine absolut notwendige obere Grenzfrequenz
für den Ubertragungskanal des konvertierten Signals nach folgender Formel: (Zeilenzahl)
2 (Bild-Seitenverhältnis) . (Vollbilder/sec) 2. tI - (Austastgrad) Für 575 aktive
Zeilen, 50 Halbbilder pro Sekunde, einem Bild-Seitenverhältnis von 5 : 3 und einem
Austastgrad von 25 % ergibt sich eine obere Grenzfrequenz für die Ubertragung des
Luminanzanzeils des konvertierten HDTV-Signals von etwa 9,2 MHz.
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Bei der Konversion des HDTV-Signals mittels der Stufe 10 erfolgt eine
steilflankige vertikale Filterung mittels Transversalfilter sowie eine horizontale
Filterung mittels eines Tiefpasses mit einer Grenzfrequenz entsprechend der vorstehenden
Formel, im betrachteten Beispielsfalle 9,2 MHz.
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Die für die Region I nach CCIR geplanten Satelliten-Direkt-Fernsehübertragungskanäle
erlauben für eine Vollversorgung bei minimalem Overspill eine maximale Video-Bandbreite
zwischen 5 und 6 MHz. Als übertragungsverfahren kommen eine Zeitmultiplexübertragung
von zeitkomprimierten Luminanz- und Farbkomponenten oder eine herkömmliche PAL-Ubertragung
in Betracht. Das Zusammenfügen der mit Hilfe von Schaltungsanordnungen gemäß Fig.
1 getrennt behandelten Luminanz- und Farbkomponenten erfolgt im Sender entsprechend
dem
gewählten Übertragungsverfahren und ist nicht näher dargestellt.
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Um die eine Bandbreite von beispielsweise 9,2 MHz aufweisende Luminanzkomponente
des konvertierten HDTV-Signals über die betrachteten Satelliten-Direktfernseh-Ubertragungskanäle
transportieren zu können, wird das konvertierte Signal am Ausgang der Stufe 10 zwei
Signalzweigen 20 und 30 gleichzeitig zugeführt. Der Signalzweig 30 führt zu dem
kompatiblen übertragungskanal 40, dessen Signal mit herkömmlichen Fernsehempfängern
wiedergegegeben werden kann. Zu diesem Zweck wird im Signalzweig 30 das normgemäße
Bild-Seitenverhältnis von 4 : 3 wieder hergestellt. Und zwar erfolgt zunächst eine
Filterung der Luminanzkomponente (Fig. 3a) des konvertierten HDTV-Signals mittels
eines Tiefpasses 31, welcher eine Grenzfrequenz von 5,75 MHz aufweist. Der so erhaltene
untere Teil des von 0 - 9,2 MHz reichenden Frequenzbandes wird mittels einer im
Signalzweig 20 angeordneten Subtraktionsstufe 21 von dem nichtbegrenzten Frequenzband
gemäß Fig. 3a subtrahiert, so daß in dem Signalzweig 20 der von 5,75 - 9,2 MHz reichende
obere Teil des Frequenzbandes und im Signalzweig 30 der von 0 - 5,75 MHz reichende
untere Teil des Frequenzbandes verarbeitet werden. Diese Aufteilung des Frequenzbandes
erfolgt entsprechend dem Verhältnis a/(2-a), wobei a der Quotient aus dem Wert des
vergrößerten Bild-Seitenverhältnisses(z.B. 5 : 3) und dem Wert des normgemäßen Bild-Seitenverhältnisses
4 : 3 ist. Diese Bemessung geht von der Voraussetzung aus, daß in dem Ubertragungskanal
40 die gleiche Informationsmenge übertragen wird wie in dem nachstehend erläuterten
Ubertragungskanal 50. Im betrachteten Beispielsfalle beträgt der Wert von a 5 :
4.
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Aus dem unteren Teil gemäß Fig. 3b des Frequenzbandes werden die dem
Unterschied zwischen dem vergrößerten Bild-
Seitenverhältnis von
5 : 3 und dem normgemäBen Bild-Seitenverhältnis von 4 : 3 entsprechenden zeitlichen
Randabschnitte jeder Fernsehzeile von 52 ßs Dauer mittels einer Austaststufe 32
abgetrennt. Sowohl die abgetrennten Randabschnitte gemäß Fig. 3f als auch der Mittelabschnitt
gemäß Fig. 3h werden mittels eines Expanders 33 zeitlich gedehnt.
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Der Expansionsgrad entspricht dem Quotienten 1/a zwischen dem Wert
des genormten Bild-Seitenverhältnisses von 4 : 3 und dem Wert des vergrößerten Bild-Seitenverhältnisses
von beispielsweise 5 : 3, woraus sich ein Expansionsgrad von 4 : 5 ergibt. Die Bandbreite
der gedehnten Signale (Fign. 3g und 3i) wird im Verhältnis der erfolgten Dehnung
von 5,75 MHz auf 4,6 MHz verringert. Der gedehnte Mittelabschnitt (Fig. 3i) des
unteren Teils des Frequenzbandes stellt die Luminanzkomponente des kompatiblen Ubertragungskanals
40 dar.
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Der obere, von 5,75 - 9,2 MHz gemäß Fig. 3c reichende Teil des Frequenzbandes
wird im-Signalzweig 20 mittels eines Frequenzumsetzers 22 in seiner Frequenz lage
nach unten in den Bereich 0 - 3,45 MHz verschoben. Das umgesetzte Signal (Fig. 3d)
wird dann mittels eines Zeitkompressors 23 mit einem dem Wert 1/(2-a) = 4 : 3 entsprechenden
Kompressionsgrad zeitlich so komprimiert, daß, wie aus dem Vergleich der Figuren
3e und 3g ersichtlich ist, die durch die Kompression freigewordenen Zeitabschnitte
den Längen der expandierten Randabschnitte (Fig. 3g) des unteren Teils des Frequenzbandes
entsprechen. Infolge der Kompression vergrößert sich die Bandbreite des komprimierten
Signals gemäß Fig. 3e entsprechend dem Kompressionsgrad von 3,5 auf 4,6 MHz. Damit
weisen die Signale gemäß Fig.
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3e und Fig. 3g die gleiche Bandbreite von 4,6 MHz auf, was Voraussetzung
für ihre zeitmultiplexe Zusammenfügung mittels des Multiplexers 24 ist. Das gemultiplexte
Signal gemäß Fig. 3k entspricht der restlichen Luminanzkomponente
des
konvertierten HDTV-Signals, welcher in dem kompatiblen Ubertragungskanal 40 nicht
übertragbar ist. Dieser Rest (Signal gemäß Fig. 3k) wird vielmehr in einem gesonderten,
nicht kompatiblen Übertragungskanal 50 übertragen.
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Die über die übertragungskanäle 40, 50 transportierten Signale gemäß
Fign. 3i bzw. 3k werden empfangsseitig (Fig. 2) zugeordneten Signalzweigen 70 bzw.
60 zugeführt, wobei das Eingangssignal (Fig. 3i) des Signalzweiges 70 unmittelbar
von einem herkömmlichen Fernsehempfänger 80, welcher ein normgemäßes Bild-Seitenverhältnis
von 4 : 3 aufweist, verarbeitet werden kann.
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Der Signalzweig 60 enthält hinter seinem Eingang einen Zeit-Demultiplexer
61, welcher die Wirkung des Multiplexers 24 (Fig. 1) rückgängig macht und die Signale
gemäß Fign. 3e und 3g liefert. Das Signal gemäß Fig. 3e wird mittels eines Expanders
62 nach MaBgabe des Wertes (2-a), also im Verhältnis 3 : 4 zeitlich gedehnt, wodurch
die Wirkung des Kompressors 23 (Fig. 1) rückgängig gemacht wird. Das gedehnte Signal
gemäß Fig. 3d wird mittels eines Frequenzumsetzers 63 in den Bereich 5,75 - 9,2
MHz rückumgesetzt (Fig. 3c) und einer Addierstufe 64 zugeführt.
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Einem im Signalzweig 70 angeordneten Kompressor 71 werden von dem
Demultiplexer 61 das Signal gemäß Figv 3g sowie das Eingangssignal gemäß Fig. 3i
des Signalzweiges 70 zugeführt, wo beide Signale nach Maßgabe des Quotienten a aus
dem vergrößerten Bild-Seitenverhältnis 5 : 3 und dem normgemäßen Bild-Seitenverhältnis
4 : 3, also im Verhältnis 5 : 4, zeitlich komprimiert werden. Die resultierenden,
komprimierten Signale (Fig. 3f und 3h) werden mittels; eines Kombinierers 72 zum
Signal gemäß Fig. 3b kombiniert,
welches wiederum in der Addierstufe
64 mit dem rückumgesetzten Signal gemäß Fig. 3c zusammengefügt wird. Das Summensignal
am Ausgang der Addierstufe 64 entspricht der Luminanzkomponente des konvertierten
HDTV-Signals, das sich zusammen mit der mittels identischer Signalzweige 60 und
70 gewonnenen Farbkomponente des konvertierten HDTV-Signals einem speziellen HDTV-Empfänger
mit einem vergrößerten Bild-Seitenverhältnis von 5 : 3 zuführen läßt.
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Im Falle der Verwendung der PAt-Norm als Obertragungsverfahren muß
der Tiefpaß 31 für die Bearbeitung der Luminanzkomponente des konvertierten HDTV-Signals
durch eine Filteranordnung aus zwei Tiefpässen und einem Transversalfilter ersetzt
werden, welche in der horizontal/vertikalen Frequenzebene einen kreuzförmigen Luminanzbereich
ausfiltert. In den von der Kreuzform freigelassenen Ecken der horizontal/vertikalen
Frequenzebene kann in den übertragungskanälen 40, 50 der quadraturmodulierte Farbträger
untergebracht werden. Im Falle der Verwendung eines Zeitmultiplex-Ubertragungsverfahrens
für die zeitkomprimierten Luminanz- und Farbkomponenten kann für die Filteranordnung
31 ein einfaches Tiefpaßfilter verwendet werden.
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Im Falle eines vergrößerten Bild-Seitenverhältnisses von 2 : 1 ergeben
sich für die in Fign. 3a bis 3k angegebenen Bänder folgende Werte: Fig. 3a 0 bis
9,2 MHz Fig. 3b 0 bis 5,75 MHz Fig. 3c 5,75 bis 9,2 MHz Fig. 3d 0 bis 3,45 MHz Fig.
3e 0 bis 4,6 MHz Fig. 3f 0 bis 5,75 MHz Fig. 3g 0 bis 4,6 MHz Fig. 3h 0 bis 5,75
MHz Fig. 3i 0 bis 4,6 MHz Fig. 3k 0 bis 4,6 MHz
Der Kompressionsfaktor
des Kompressors 23 beträgt 4 : 3 und des Kompressors 71 5 : 4; die Grenzfrequenz
des Tiefpasses 31 ist 5,75 MHz; der Expansionsgrad des Expanders 33 beträgt 4 :
5 und des Expanders 65 3 : 4.