DE3851778T2

DE3851778T2 - Videokommunikationssytem mit integriertem Phasen- und Frequenzmodulator.

Info

Publication number: DE3851778T2
Application number: DE3851778T
Authority: DE
Inventors: Gershon Miller
Original assignee: Medaon Ltd
Current assignee: Medaon Ltd
Priority date: 1987-05-15
Filing date: 1988-05-11
Publication date: 1995-02-23
Anticipated expiration: 2008-05-12
Also published as: EP0291036A3; CA1314625C; ZA883293B; US4945404A; ES2065325T3; AU1610688A; AU611150B2; EP0291036A2; EP0291036B1; ATE112916T1; DE3851778D1; IL82539A0

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Videokommunikationssystem und ebenfalls einen Phasen- oder Frequenzmodulator, der in einem solchen System enthalten ist. Die Erfindung ist besonders für die Einzelbildübertragung ("freeze frame"-Übertragung) von Videosignalen geeignet, z. B. zur Herstellung von Konferenztelefongesprächen oder zur Überwachung von Sicherheitszonen, und daher wird die Erfindung im Hinblick auf diese Anwendungen im folgenden beschrieben.
Die vorhandenen Einzelbild-Videokommunikationssysteme umfassen üblicherweise eine TV-Kamera, die eine Videoanalogausgabe der Szene, die übertragen werden soll, erzeugt, einen Analog-Digital-Wandler zur Digitalisierung der Analogsignale, einen Speicher, eine digitale Kompressionseinheit und ein Modem (Modulator-Demodulator) zur Modulierung eines Trägerwellensignals vor der Übermittlung über Telefonleitung oder Radio zu einem Empfänger. Der Empfänger in solchen Systemen umfaßt ein weiteres Modem, eine Dekompressionseinheit, einen Speicher und einen Analog- Digital-Wandler zur Rückumwandlung der Digitalsignale in Analogsignale vor Eingabe in das TV-Wiedergabesystem. Solche Systeme sind jedoch sehr kostspielig, besonders wegen der Erfordernisse einer Digitalkompressionseinheit im Sender und einer Digitaldekompressionseinheit im Empfänger.
US-Patent US-A-4 057 836 beschreibt ein Videokommunikationssystem zur Übertragung von feststehenden Bildern einer Szene während periodischer Intervalle, jedes von einer vorbestimmten Dauer, das umfaßt:eine TV-Kamera zur Erzeugung von analogen Videosignalen der Szene, die übermittelt werden soll; einen Analog-Digital-Wandler, der die analogen Videosignale in Pixel-Digital-Signale umwandelt, die den Grauwert eines jeden Pixels in der Szene darstellen; einen Speicher zur Speicherung des Pixel-Grauwertes für die vorbestimmte Dauer, eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Trägerwelle; und einen Phasen- oder Frequenzmodulator mit einer Vorrichtung zur Erzeugung einer Trägerwelle und einer Vorrichtung zur Modulierung der Trägerwelle durch den Pixel-Grauwert aus dem Speicher.
Das System, das in jenem Patent beschrieben wird, verwendet eine Anordnung zur Speicherung und ebenfalls zur Wiedergewinnung der Videoinformation sowohl mit einer langsamen als auch mit einer schnellen Abtastung. Solche Systeme sind daher sowohl sehr kompliziert als auch kostspielig.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein einfaches, billigeres System zur Übertragung und zum Empfang von feststehenden Bildern (Standbildern) zur Verfügung zu stellen.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird ein Videokommunikationssystem zur Übertragung von feststehenden Bildern einer Szene während periodischer Intervalle, jedes von vorbestimmter Länge, zur Verfügung gestellt, das umfaßt: eine TV-Kamera zur Erzeugung von analogen Videosignalen der Szene, die übertragen werden soll; einen Analog-Digital-Wandler, der die analogen Videosignale in Pixel-Digital-Signale umwandelt, die den Grauwert jedes Pixels in der Szene darstellen; einen Speicher zur Speicherung des Pixel-Grauwerts für die vorbestimmte Dauer; eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Trägerwelle; und einen Phasen- oder Frequenzmodulator mit einer Vorrichtung zur Erzeugung einer Trägerwelle und einer Vorrichtung zur Modulierung der Trägerwelle mit den Pixel-Grauwerten aus dem Speicher; dadurch gekennzeichnet, daß der Phasen- oder Frequenzmodulator den Überschreitungspunkt der Trägerwelle um nicht mehr als 180º verschiebt, entsprechend dem Grauwert des jeweiligen Pixels im Bild; und dadurch, daß der Modulator weiterhin umfaßt: einen Wandler, der den gespeicherten Pixel-Grauwert in eine Reihe von Signalimpulsen umwandelt, von denen jeder eine Länge aufweist, die dem Momentanwert des gespeicherten Pixel- Grauwerts entspricht; wobei die Modulatorvorrichtung den Überschreitungspunkt der Trägerwelle entsprechend der Dauer der Signalimpulse verändert, um somit die Trägerwelle entsprechend dem Momentanwert des gespeicherten Pixel- Grauwerts zu modulieren.
Vorzugsweise und in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung verschiebt der Phasen- oder Frequenzmodulator den Überschreitungspunkt der Trägerwelle von 10 bis 80º.
In der bevorzugten, beschriebenen Ausführungsform ist die Trägerwelle eine Rechteckwelle.
Das neuartige Videokommunikationssystem kann eine Standard-TV-Kamera eines Industrie- oder Kabelfernsehsystems (CCTV) und einen Monitor zur Übertragung und zum Empfang von Einzelbildern verwenden, z. B. ein Bild alle 20 Sekunden. Die Videosignale können über eine Halbduplex-Zweidrahtleitung oder über Funk übermittelt werden. Der neuartige Modulator bewirkt eine schnelle Modulation, z. B. 30 000 BPS (Bits pro Sekunde), im Vergleich zu bereits bestehenden Systemen, die eine relativ geringere Geschwindigkeit, z. B. 9 600 BPS, aufweisen. So ein System bietet eine relativ hohe Auflösung; in der unten beschriebenen Ausführungsform wird z. B. jedes TV-Bild in eine Matrix von 300 · 400 Pixels unterteilt, wobei jedes Pixel bis zu 64 Grauwert besitzt, wogegen in US- Patent US-A-4 057 836 das beschriebene System 16 Grauwert umfaßt. Während der Grauwert von einzelnen Pixels durch Rauschen beeinträchtigt werden kann, wurde festgestellt, daß der Gesamteindruck im wesentlichen nicht beeinträchtigt und für Einzelbilder-TV-Kommunikationssysteme im allgemeinen geeignet ist, da das Auge dafür eingerichtet ist, das Rauschen in dem Bild (das Rauschen, das als "Schnee" erscheint) sowie "Verschiebungen" in den Schwingungen des Modems herauszufiltern, wobei die Verschiebungen als Schatten in einem Bildteil erscheinen.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden aus der unten folgenden Beschreibung offensichtlich.
Die Erfindung wird nunmehr anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, wobei:
Fig. 1 ein Blockdiagramm mit der Darstellung eines Senders in einem Videokommunikationssystem ist, der in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;
Fig. 2 ein Blockdiagramm mit der Darstellung des Empfängers im Videokommunikationssystem aus Fig. 1 ist;
Fig. 3 ein Blockdiagramm mit der Darstellung des Modulators im Sender aus Fig. 1 ist;
Fig. 4 ein Blockdiagramm mit der Darstellung des Demodulators im Empfänger aus Fig. 2 ist;
Fig. 5 eine Mehrzahl von Wellenformen zum erleichterten Verständnis der Funktionsweise des Modulators und Demodulators aus Fig. 3 und 4 darstellt; und
Fig. 6a bis 6d Diagramme sind, die weiterhin das Verständnis der Funktionsweise des Modulators und des Demodulators in den Fig. 3 und 4 verständlich machen sollen.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird das Senderende eines Videokommunikationssystems zur Übertragung von feststehenden Bildern während periodischer Intervalle von vorbestimmter Dauer dargestellt, z. B. ein Bild alle 20 Sekunden. Der Sender, dargestellt in Fig. 1, beinhaltet eine TV-Kamera 2, die analoge Videoausgabesignale der Szene, die übermittelt werden soll, erzeugt; einen Analog-Digital-Wandler 4, der die analogen Ausgabesignale in Pixel-Digital-Signale umwandelt, die den Grauwert eines jeden Pixels in der Szene darstellen; einen Videospeicher 6, der die Pixel-Digital- Werte für die vorbestimmte Dauer, z. B. 20 Sekunden, speichert; und einen Videomodulator 8, der einen Träger entsprechend dem Pixel-Digital-Wert moduliert, der zur Übertragung über Telefonleitung 10 (oder Radioverbindung) zu einem Empfänger, dargestellt in Fig. 2, im Speicher gespeichert wird. Der Empfänger in Fig. 2 umfaßt einen Videodemodulator 12, der den Pixel-Digital-Wert, der für die Modulation des Trägersignales Verwendung findet, detektiert; einen Speicher 14, der die Pixel-Digital-Werte speichert; einen Digital-Analog-Wandler 16 zur Rückumwandlung der Pixel-Digital-Werte in analoge Signale; und einen TV-Monitor 18, der die letzteren Analogsignale dazu verwendet, um das feststehende Bild zur Ansicht wieder herzustellen.
Mit Ausnahme der Modulatoreinheit 8 in Fig. 1 und der Demodulatoreinheit 12 in Fig. 2 können alle Einheiten, die in den Fig. 1 und 2 dargestellt sind, kommerzielle Standardteile sein, und daher werden die Einzelheiten über ihren Aufbau und ihre Funktionsweise hier nicht weiter behandelt. Anhand eines Beispieles kann jedes TV-Bild in eine Matrix von 300 · 400 Pixels (Bildelemente) aufgeteilt werden, wobei jedes bis zu 64 Grauwert (0=schwarz, 63=weiß) aufweist, die als 6 binäre Bits dargestellt werden können.
Die Modulatoreinheit 8 im Sender aus Fig. 1 wird eingehender in Fig. 3 dargestellt. Kurz gesagt erzeugt sie einen Rechteckwellenträger, wandelt das modulierende elektrische Signal vom Videospeicher 6 (Fig. 1) in Signalimpulse um, von denen jeder eine Dauer aufweist, die dem Momentanwert der modulierenden elektrischen Signale (die gespeicherten Pixel-Grauwert) entspricht, und verändert den Überschreitungspunkt jeder Rechteck-Halbwelle entsprechend der Dauer der Signalimpulse, um somit den Rechteckwellenträger entsprechend der Pixel-Digital-Werte zu modulieren.
Insbesondere beinhaltet der Modulator 8, wie in Fig. 3 gezeigt, einen Eigenoszillator 20, der eine Hochfrequenz- Rechteckwelle erzeugt. Diese wird durch einen Teiler 22 in eine Rechteckwelle niedrigerer Frequenz umgewandelt, dargestellt durch Wellenform (a) in Fig. 5. Beispielsweise kann der Oszillator 20 bei einer Frequenz von 1 MHz betrieben werden und die Rechteckwellensignalausgabe vom Teiler 22 2,5 kHz betragen.
Der Grauwert (0-63) jedes Pixels wird in einen Abwärtszähler 24 über seinen 6-Bit-Eingang eingegeben. Der Zähler 24 wird durch den Teiler 22 gesteuert, der die Ladezeit des Grauwertpegels des nächsten Pixels bestimmt. Der Zähler 24 wird seinerseits durch ein Flip-Flop 26 gesteuert, das durch die Ausgabe des Zählers 24 aktiviert wird, um für jedes digitale Signal einen Impuls mit einer Dauer, die dem digitalen Wert des entsprechenden Pixels entspricht, zu erzeugen; die Ausgabe des Flip-Flops wird durch die Wellenform (b) in Fig. 5 dargestellt.
Die letzteren Impulswellenformen (b) vom Flip-Flop 26 werden zusammen mit dem Rechteckwellenträger vom Teiler 22 in einem EXKLUSIV-ODER Schaltkreis 28 empfangen. Dieser Schaltkreis erhöht den Stromnulldurchgangspunkt einer jeden Rechteck-Halbwelle entsprechend der Dauer des Impulses, der vom Flip-Flop 26 eingegeben wird, um somit die Rechteckwellenträger-Wellenform (a) aus Fig. 5 entsprechend der momentanen Pixelwertwellenform (b) zu modulieren. Das so modulierte Trägersignal ist durch die Wellenform (c) in Fig. 5 dargestellt.
Das modulierte Trägersignal wird durch einen Tiefpaßfilter gegeben, der die hochfrequenten Oberwellen entfernt, wodurch ein modulierter Träger erzeugt wird, der mehr einer Sinuswelle ähnelt. Dieses Signal wird im Verstärker 32 verstärkt und dann über den Koppler 34 an die Telefonleitung abgegeben.
Wie in Fig. 4, die den Empfänger darstellt, veranschaulicht, wird das modulierte Trägersignal, das von der Telefonleitung 10 über den Koppler 36 empfangen wird, durch einen Filter 38 übertragen, der auf die Frequenz des Trägers (2,5 kHz) eingestellt ist, um das Rauschen zu entfernen und wird dann in einem Verstärker 40 verstärkt. Das verstärkte Signal wird in einen Eingang eines Komparators 42 eingegeben, während der andere Eingang ein Bezugssignal empfängt, um am Ausgang des Komparators ein Rechteckwellensignal zu erzeugen, dargestellt durch die Wellenform (e) in Fig. 5, das dem modulierten Rechteckwellensignal, d. h. Wellenform (c) der Fig. 5 entspricht, das durch die Sendeeinheit 8 übertragen wird.
Das modulierte Rechteckwellensignal wird dann- in einen Stromnulldurchgangsdetektor 44 eingegeben, der den Überschreitungspunkt jeder Halb-Rechteckwelle detektiert, um einen Impuls an jedem Überschreitungspunkt zu erzeugen wie durch Wellenform (f) der Fig. 5 dargestellt. Diese Impulse werden zum Setzen eines Flip-Flops 46 verwendet.
Das Flip-Flop 46 wird durch Impulse, die von einem Eigenoszillator 48 erzeugt werden, zurückgestellt, nachdem die Impulse durch den Teiler 50 übertragen worden sind. Der Oszillator 48 kann mit der gleich hohen Frequenz, z. B. 1 MHz, wie der Oszillator 20 im Modulator aus Fig. 3 betrieben werden, jedoch reduziert der Teiler 50 die Frequenz eher auf 5 kHz als auf 2,5 kHz. Zusätzlich zu den 5 kHz-Impulsen zur Rückstellung des Flip-Flops 46 liefert der Teiler 50 ebenfalls 1 MHz-Impulse, um einen Zähler 52 zu takten, der mit dem Ausgang des Flip-Flops 46 verbunden ist.
Die 5 kHz-Impulse, die durch den Teiler 50 an das Flip-Flop 46 angelegt wurden, sind durch Wellenform (g) in Fig. 5 dargestellt, und der Ausgang des Flip-Flops ist durch Wellenform (h) dargestellt. Es wird damit ersichtlich, daß die Wellenform (h), die vom Flip-Flop ausgegeben wird, den Impulsen, dargestellt durch Wellenform (b) in Fig. 5, bei denen die Dauer jedes Impulses dem Grauwert des jeweiligen Pixels entspricht, ähnlich ist. Der Zähler 52 gibt den digitalen Wert aus, der den Grauwert eines jeden solchen Pixels darstellt.
Diese digitalen Werte werden zum TV-Monitor 18 übertragen (Fig. 2), wobei das ursprüngliche Bild, wie durch die TV-Kamera 2 im Sender der Fig. 1 übertragen, wieder hergestellt wird.
Fig. 6a stellt das Video-Signal dar, wie es ursprünglich durch die TV-Kamera im Sender empfangen wurde. Fig. 6b und 6c stellen die im Träger erzeugte Phasenverschiebung entsprechend der Grauwerte der Pixel- Elemente dar. Es wird aus den Fig. 6b und 6c ersichtlich, daß die 64 Grauwerte der Pixel-Elemente eine Phasenverschiebung der Trägerwelle um nicht mehr als 90º erzeugen, nämlich von 10º bis 80º. Fig. 6d zeigt, wie die Trägerwelle (F1) durch die Pixel-Werte phasenverschoben wird, um den modulierten Träger (F2) zu erzeugen.
Während die Erfindung im Hinblick auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben wurde, ist es bemerkenswert, daß viele Varianten, Änderungen und andere Verwendungen der Erfindung möglich sind.
Wenn technische Merkmale in den Ansprüchen mit Bezugszeichen versehen sind, so sind diese Bezugszeichen lediglich zum besseren Verständnis der Ansprüche vorhanden. Dementsprechend stellen solche Bezugszeichen keine Einschränkungen des Umfangs solcher Elemente dar, die beispielsweise durch solche Bezugszeichen gekennzeichnet sind.

Claims

1. Videokommunikationssystem zur Übertragung von Standbildern einer Szene in periodischen Intervallen von vorbestimmter Dauer, das umfaßt:

eine TV-Kamera (2), die analoge Videosignale der Szene, die übertragen werden soll, erzeugt;

einen Analog-Digital-Wandler (4), der die analogen Videosignale in Pixel-Digital-Signale umwandelt, die den Grauwert eines jeden Pixels in der Szene darstellt;

einen Speicher (6) zur Speicherung der Pixel-Grauwerte für die vorbestimmte Dauer;

eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Trägerwelle; und

einen Phasen- oder Frequenzmodulator mit einer Vorrichtung zur Erzeugung einer Trägerwelle (20) und einer Vorrichtung zur Modulierung der Trägerwelle (22+) durch die Pixel-Grauwerte aus dem Speicher;

dadurch gekennzeichnet, daß der Phasen- oder Frequenzmodulator den Überschreitungspunkt der Trägerwelle um nicht mehr als 180º in Übereinstimmung mit dem Grauwert des jeweiligen Pixels im Bild verschiebt;

und dadurch, daß der Modulator weiterhin einen Wandler (24, 26) umfaßt, der den gespeicherten Pixel-Grauwert in eine Reihe von Signalimpulsen umwandelt, von denen jeder eine Dauer aufweist, die dem Momentanwert des gespeicherten Pixel-Grauwerts entspricht; wobei die Modulatorvorrichtung (8) den Überschreitungspunkt der Trägerwelle in Übereinstimmung mit der Dauer des Signalimpulses verändert, um dadurch die Trägerwelle in Übereinstimmung mit dem Momentanwert des gespeicherten Pixel-Grauwerts zu modulieren.

2. System nach Anspruch 1, wobei der Phasen- oder Frequenzmodulator den Überschreitungspunkt der Trägerwelle von 10 bis 80º in Übereinstimmung mit dem Grauwert des entsprechenden Pixels im Bild verschiebt.

3. System nach einem der Ansprüche 1 oder 2, das weiterhin einen Filter (30) zur Entfernung der hochfrequenten Oberwellen der modulierten Trägerwelle umfaßt, um einen modulierten Träger zu erzeugen, der einer Sinuswelle nahe kommt.

4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Wandlervorrichtung einen Zähler (24) umfaßt, der den Digitalwert des gespeicherten Pixel-Grauwerts zählt, sowie ein Flip-Flop (26), das betätigt wird, um für jeden gespeicherten Pixel-Wert einen Signalimpuls zu erzeugen, dessen Dauer dem Digitalwert des entsprechenden gespeicherten Pixel- Wertes entspricht.

5. System nach Anspruch 4, wobei die Modulatorvorrichtung weiterhin einen Exklusiv-Oder Schaltkreis (28) aufweist, der den Überschreitungspunkt jeder Rechteck- Halbwelle in Übereinstimmung mit der Dauer des Signalimpulses verändert.

6. Videokommunikationssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, weiterhin einen Empfänger zum Empfang und zur Wiedergabe der Signale umfassend, die durch den Sender übertragen werden, wobei der Empfänger umfaßt: einen Phasen- oder Frequenzdemodulator (12) zur Erfassung der Pixel- Digital-Werte aus dem modulierten Trägersignal, die zur Modulierung des Trägersignales verwendet werden; einen Speicher (14) zur Speicherung der detektierten Pixel- Digital-Werte; einen Digital-Analog-Wandler (16) zur Umwandlung der Pixel-Digital-Werte in Analogsignale; und einen TV-Monitor (18), der die letzteren Analogsignale dazu verwendet, um Standbilder wiederzugeben.

7. Videokommunikationssystem nach Anspruch 6, wobei der Demodulator (12) einen Stromnulldurchgangsdetektor (44) umfaßt, zur Erfassung des Überschreitungspunktes jeder Halbwelle des Trägersignals und zur Erzeugung eines Impulses in Übereinstimmung dazu; ein Flip-Flop (46), das durch den Ausgang des Stromnulldurchgangsdetektors gesteuert wird; und einen Zähler (52), der durch das Flip-Flop gesteuert wird, um einen Digitalwert entsprechend jedem Überschreitungspunkt des Trägers und dadurch entsprechend den Video-Analog- Signalen, die in den Modulator eingegeben werden, aus zugeben.

8. Videokommunikationssystem nach Anspruch 7, wobei der Demodulator weiterhin einen Eigenoszillator (48) und einen Teiler (50) umfaßt, der Rechteckwellen erzeugt, die die doppelte Frequenz der Rechteckwellen des Trägersignals, das im Modulator erzeugt wird, aufweisen, wobei die Rechteckwellen, die im Demodulator erzeugt werden, dazu verwendet werden, das Flip-Flop und den Zähler im Demodulator zu steuern.

9. Videokommunikationssystem nach Anspruch 7, wobei der Demodulator weiterhin einen Komparator (42) umfaßt, der das empfangene, modulierte Trägersignal in ein moduliertes Rechteckwellen-Trägersignal umwandelt, bevor es zum Stromnulldurchgangsdetektor übertragen wird.