DE954164C

DE954164C - Freqnenzmodulationssystem fuer drahtlose Farbfernseh-UEbertragungen

Info

Publication number: DE954164C
Application number: DEW14715A
Authority: DE
Inventors: John William Rieke
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1953-09-17
Filing date: 1954-08-22
Publication date: 1956-12-13
Also published as: NL187347B; FR1104289A; NL110080C; GB757670A; US2841638A

Description

AUSGEGEBEN AM 13. DEZEMBER 1956

W14715 VIII a 12i a*

ist als Erfinder genannt worden

Die Erfindung betrifft drahtlose Übertragüngssysteme, insbesondere die Änderung von drahtlosen Frequenzmodulationssystemen, in der Weise, daß eine Übertragung der Farbfernsehsignale des National Television Standards Comittee (NTSC) ermöglicht wird.

Das NTSC-Farbfernsehsignal, wie es z. B. in einem Aufsatz mit dem Titel »Principles of NTSC Compatible Color Television« von C. Hirch, to W. Bailey und B. Loughlin, veröffentlicht in den »Electronics«, Februar 1952, S. 88ff., beschrieben ist, enthält Informationen, die sich auf die Helligkeit, den Farbton oder die Farbe und die Färbsättigung des durch das Signal dargestellten Bildelements beziehen. Zu diesem Zweck wird ein Signal, das in mancher Hinsicht dem üblichen Schwarzweißfernsehsignal ähnelt, verwendet, um die Helligkeitsinformation wie auch die üblichen horizontalen und vertikalen Synchronisierinformationen zu übertragen.

Die übrige Bildinformation, nämlich die Information, die sich auf die Farbe (d. h. den Farbton und die Sättigung) eines besonderen Bildelements bezieht, wird durch Modulation eines hochfrequenten Unterträgers übertragen, der dem Helligkeitssignal als Grundlinie überlagert ist. Die Phase dieses Unterträgers wird moduliert, um die Information zu übertragen, die sich auf den Farbton

bezieht, während die Amplitude gemäß der Sättigung dieses Farbtons moduliert wird. Zusätzlich wird eine kurze Schwingung des hochfrequenten Unterträgers an der »Rückflanke« eines jeden Synchronisierungssignals übertragen, um im Empfänger als Norm für die Auswertung der Phasenmodulation zu dienen.

Man hat gefunden, daß bei Übertragung solcher Fairbfernsehsignale über drahtlose Frequenzmodulationseinrichtungen das Farbfernsehsignal derart verzerrt wird, daß eine unrichtige Wiedergabe der Farbe entsteht, wenn das Signal durch einen Farbfernsehempfänger demoduliert wird.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, solche Wiedergabefehler zu vermindern oder zu beseitigen, um eine richtige Wiedergabe von farbigen Szenen durch NTSC-Farbfernsehsignale nach der Übertragung über Frequenzmodulationssysteme, insbesondere Systeme mit mehreren Verstärkerstationen zu ermöglichen.

Eine Untersuchung zeigt, daß solche Ungenauigkeiten, wiie unrichtige Wiedergabe des Farbtons und der Sättigung, dadurch entstehen, daß in drahtlosen Systemen der betrachteten Art Frequenzmodulationsübertragung verwendet wird, und ferner dadurch, daß solche drahtlosen Systeme insgesamt unter einer Hüllkurvenverzögerungsverzerrung leiden. Infolge dieser Verzögerungsverzerrung werden verschiedene Komponenten der frequenzmodulierten Schwingung mit verschiedenen Beträgen von Verzögerung oder Phasenverschiebung empfangen. Bei einem Frequenzmodulationssystem, bei dem die Frequenz des Trägers proportional der Amplitude des Modulationssignals moduliert ist, ergibt eine Hüllkurvenverzögerungsverzerrung eine solche Änderung der übertragenen Schwingung, daß Signale mit verschiedener Amplitude verschiedene Phasenverschiebungen erleiden.

Insbesondere entsteht dadurch, daß der Farbträger, der in der Phase und der Amplitude gemäß den Informationen moduliert ist, die sich auf den Farbton bzw. die Sättigung beziehen, für die Übertragung mit der Helligkeitsinformation kombiniert ist, eine Überlagerung des Farbträgers auf das Helligkeitssignal als Grundlinie. Demgemäß kann in dem frequenzmodulierten Signal dieselbe Farbinformation durch ganz verschiedene Frequenzkomponenten dargestellt werden, je nach der momentanen Helligkeit. Dadurch, daß die Phasenverschiebungen oder Verzögerungen, die diese verschiedenen Frequenzkomponenten infolge von HüllkuTvenverzögerungsverzerrung erleiden, beträchtlich verschieden sein können, kann die empfangene Farbtoninformation, die eine Phasenmodulation des Farbträgers ist, ganz verschieden von der an den Sender angelegten Information sein. Diese Diskrepanzen entstehen allein durch Änderungen der momentanen Helligkeitsinformation, die gleichzeitig übertragen, wird.

In gleicher Weise wird die Synchronisierungsschwingung des Farbträgers stets bei dem gleichen Amplitudenpegel an den Sender angelegt, sie wird infolgedessen durch die gleichen Frequenzkomponenten des frequenzmodulierten Signals dargestellt. Andererseits kann sich der AmpHtudenpegel der effektiven Grundlinie des Farbträgers stark mit der Helligkeit ändern, wie oben atisgeführt wurde, infolgedessen wird das Farbsignal in der frequenzmodulierten Schwingung durch entsprechend ver- ' schiedene Frequenzkomponenten dargestellt, für welche die Phasenverschiebungen beträchtlich verschieden sind. Wenn infolgedessen die Phase des empfangenen Farbträgers mit dem Ausgang eines Oszillators im Empfänger, der durch die Synchronisierungsfarbschwingung gesteuert wird, verglichen wird, kann die wiedergewonnene Farbtoninformation ganz verschieden von der am Sender angelegten sein, und zwar ist die Verschiedenheit nur abhängig von der jeweiligen übertragenen momentanen Helligkeit und von der Verzögerungsverzerrung des vorhandenen Übertragungssystems.

Erfindungsgemäß wird daher das Farbfernsehsignal vor dem Anlegen an den Frequenzmodulator des drahtlosen Systems so geändert, daß die schädlichen Wirkungen der bei der Übertragung über das System entstehenden Verzerrungen, verringert werden. Zu diesem Zweck wird das Farbfernsehsignal an den Frequenzm'odulationssender über ein Vorverzerrungs- oder Wertungsnetzwerk angelegt, das die tieferen Frequenzkomponenten des Signals in bezug auf die übrigen Komponenten dämpft und damit effektiv den Amplitudenbereich zusammendrückt, in dem der überwiegende Teil der Helligkeitsinformation übertragen wird. Hierdurch entsteht eine Verringerung der durch die Helligkeitssignale hervorgebrachten Frequenzabweichung des Frequenzmodulators, und dementsprechend liegen die Grundlinien der hochfrequenten Farbsignale .innerhalb eines engeren Frequenzbereichs. Die Verzögerungsverzerrung in· diesem Bereich ist geringer, als sie bei Signalen sein würde, die ohneZusammendrückung an den Sender angelegt werden, und damit werden die Phasen- und Amplitudenähderungen der hochfrequenten Farbsignale auf ein Minimum gebracht. Auf den Ausgang des Übertragungssystems wirkt ein Entzerrungs- oder Wiederherstellungsnetzwerk mit einer Kennlinie, die eine Ergänzung der Kennlinie des Vorverzerrungsnetzwerks darstellt, um das Farbfernsehsignal in seinen ursprünglichen Amplitudenbereich zurückzu- nt> bringen.

Die obigen und anderen Merkmale der Erfindung werden im einzelnen in der folgenden Erläuterung und an Hand der Zeichnungen behandelt. Erklärung der Zeichnungen:

Fig. ι ist ein Blockschema eines drahtlosen Relaissystems, das erfindungsgemäß abgeändert ist;

Fig. 2 und 3 sind Oszillogramme, welche die Wirkung der ernndungsgemäßen Vorverzerrung auf das NTSC-Farbfernsehsignal zeigen; iao

Fig. 4 ist eine graphische Darstellung, welche die Übertragungskennlinien des Vorverzerrungs- und des Wiederherstellungsnetzwerks der Fig. 1 zeigt;

Fig. 5 ist eine graphische Darstellung, welche die Verminderung der Übertragungsfehler zeigt,

die sich durch die Einführung det Vorverzerrungs- und des Wiederherstellungsnetzwerks der vorliegenden Erfindung ergibt.

Fig. ι zeigt in Blockform ein typisches drahtloses Frequenzmodülationsrelaissystem, das erfindungsgemäß abgeändert ist. Ein solches drahtloses Relaissystem ist in einem Aufsatz mit dem Titel »The TD-2 Microwave Radio Relay System« durch A. A. Roetken, K. D. Smith und R. W. Friis

ίο auf S. 1041 ff. des »Bell System Technical Journal«, Oktober 1951, Teil II, beschrieben. Bei diesem System wird das Videosignal an einen Frequenzmodulationsendsender 12 angelegt, in dem es auf einen Zwiscbenfrequenzträger frequenzmäßig auf-

!5 moduliert wird. Die modulierte Schwingung wird dann auf Mikrowellenfrequenzen überlagert, um — gewöhnlich mit Hilfe von Relaisstationen wie 14 und 16 — zu einem Frequenzmodulationsendempfänger 18 übertragen zu werden, der zur Erzeugung eines Ausgangssignals eingerichtet ist, dessen Amplitude proportional der Frequenz der empfangenen Trägerfrequenzschwingung ist. Wenn, wie in-der Zeichnung dargestellt, Relaisstationen verwendet werden, wird das Mikrowellensignal zur Verstärkung auf die Zwischenfrequenz zurückgeführt und die verstärkte Zwischenfrequenzschwingung für die Weiterübertragung wieder auf die Mikrowellenfrequenz überlagert. Wenn ein solches System erfindungsgemäß abgeändert wird, wird das Farbfernseh- oder Videosignal über ein Vorverzerrungsnetzwerk 10 an den Frequenzmodulationsendsender 12 angelegt und das Ausgangssignal des Endempfängers 18 vor seinem Anlegen an die örtlichen Verteiler- oder Programmschaltungen an eine Wiederherstellungseinrichtung 20 angelegt.

Die inneren Einzelheiten des drahtlosen Relaissystems, das sich vom Frequenzmodulationssender I 12 zum Frequenzmodulationsempfänger 18 er- ! streckt, sind in bezug auf die vorliegende Erfindung nicht wichtig, abgesehen von der Tatsache, daß als Übertragungsverfahren die Frequenzmodulation vorwendet wird. Zusätzlich sei angenommen, daß die übertragene Schwingung im Laufe der Übertragung über das System eine Hüllkurvenverzögerungsverzerrung erleidet. Wie oben ausgeführt wurde, besteht die Wirkung dieser Hüllkurven-. veFzögerungsverzeirrung darin, daß die relative oder differentielle Phase verschiedener Komponenten des Videosignals verändert wird, wodurch sich Form- und Amplitudenverzerrungen der Hüllkurve ergeben. Solche Veränderungen, welche die unrichtige Wiedergabe von Farbfernsehbildern verursachen, werden erfindungsgemäß durch Anwendung von anfänglicher Vorverzerrung des Signals vor dam Anlegen an den Sender und entsprechender Wiederherstellung des Signals hinter dem Empfänger verringert oder beseitigt.

Ein typisches Farbfernsehsignal gemäß der NTSC-Norm ist im wesentlichen im Oszillcgramm der Fig. 2 dargestellt. Dieses Signal enthält Synchronisierungsimpulse 22 und durch die strichpunktierte Kurve 24 angegebene Helligkeitsinformationen, die den entsprechenden Komponenten eines einfarbigen Signals gleichen. Zusätzlich werden die Farbinformationen (Farbton und Sättigung), als 5g ■Modulationen eines hochfrequenten Unterträgers übertragen, der dem Helligkeitssignal 24 als Grundlinie überlagert ist. Dieser Unterträger wird dauernd übertragen, mit Ausnahme während der Synchronisierungsintervalle, jedoch kann er die Amplitude Null annehmen,· wenn in der Fernsehszene keine Farbe vorhanden ist. Zur Erläuterung sind nur Teile des modulierten Unterträgers dargestellt, z. B. bei 26 und 28. Die gestrichelten Linien 29 stellen die Hüllkurve des modulierten Farbträgers ^5 dar.

Außerdem enthält das Signal noch Schwingungen 32 mit Unterträgerfrequenz, »,die gewöhnlich Farbsynchronisierschwingungssignale genannt werden und die im Farbfernsehempfänger benutzt werden, um die Wiedergewinnung der Farbinformation aus der Signalschwingung zu ermöglichen.

Bei der Prüfung des Oszillogramms der Fig. 2 erkennt man, daß, abhängig von der Helligkeit des Bildelements, das durch die zusammengesetzte Signalsehwingung dargestellt wird, die Grundlinie des modulierten hochfrequenten Unterträgers, dar einen besonderen Farbton und eine besondere Sättigung darstellt, in einem großen Amplitudenbereich des Videosignals und nach der Frequenzmodulation für die drahtlose Übertragung bei entsprechenden Trägerfrequenzen liegen kann. Die Wirkung dieses Vorganges läßt sich bei Übertragung über eine Einrichtung mit Hüllkurvenverzögerungsverzerrung an. Hand der graphischen Darstellung der Fig. 5 verstehen»

In dieser Darstellung ist die Kurve 30 eine Auftragung der relativen Verzögerung als Funktion der Frequenz und stellt die Hüllkurvenverzögerungsverzerrung für ein typisches drahtloses Relaissystem mit einem Zwischenfrequanzdurchlaßband von 66 bis 74 MHz dar. Das Fernsehsignal der Fig. 2 ist als ausgezogene Linie 34 wiedergegeben (wobei die Hüllkurve der Farbfrequenzkomponiente im Interesse der Übersichtlichkeit weggelassen ist), deren Amplitudengrenzen so gewählt sind, daß sie mit den Frequenzen zusammenfallen, bei denen diese Amplituden bei einem typischen Frequenzmodulationssystem übertragen werden können. Damit ist die untere Amplitudengrenze der Synchronisierimpulse 22 bei der unteren Frequenzgrenze des Durchlaßbandes festgelegt, und die maximale Signalamplitude reicht bis zur oberen Grenze des Bandes.' Man erkennt, daß bei einer Änderung der Amplitude des Videosignals sich die Frequenz des zwischenfrequenten. Trägers über den gesamten Bereich zwischen 66 und 74 MHz ändert. Wie durch die Kurve 30 dargestellt ist, ändert sich die Verzögerung in diesem Bereich wesentlich; die Verzögerungsabweichung·, die der vollen Frequenz- iaⁿ abweichung entspricht, ist durch den Abstand der Linien α und b angegeben. Oftmals reichen die Änderungen der relativen Phase und der Amplitude, die einer solchen Verzögerungsabweichung -entsprechen, aus, um größere Änderungen in der Wiedergäbe der Farbe im Empfänger zu verursachen.

Das Vorverzerrungsnetzwerk ίο, das am Eingang des Endsenders 12 eingeschaltet ist, wirkt auf das videofrequente Signal der Fig. 2 so ein, daß der Amplitudenbereich, welcher durch den grijßeren Teil der Komponenten des Videosignals, das die Helligkeitsinformation darstellt, eingenommen wird, wesentlich verringert wird. Da der größte Teil der wichtigen Helligkeitsinformation durch die niedrigen Frequenzen dargestellt wird, kann

ίο das Vorverzerrungsnetzwerk io eine Übertragungskennlinie der Art haben, wie sie durch die Kurve 36 der Fig. 4 dargestellt ist. Man erkennt, daß die Wirkung dieser Kennlinie im wesentlichen darin besteht, die niedrigen Frequenzkomponenten des angelegten Signals in bezug auf die höheren für alle Frequenzen bis zu etwa 1 MHz zusammenzudrücken oder zu dämpfen (man beachte, daß die Frequenz auf einer logarithmischen Koordinate aufgetragen, ist). Frequenzkomponenten oberhalb dieser Grenze werden ohne wesentliche Amplitudenänderung übertragen.

Die Wirkung einer solchen Vorverzerrung auf das in Fig. 2 dargestellte Farbfernsehsignal ist an Hand des Oszillogramms der Fig. 3 ersichtlich.

Man erkennt, daß die Synchronisierimpulse 22 und die Helligkeitsschwingung 24 in der Amplitude etwa um einen Faktors verringert sind, während die Farbsignale 26 und 28 und die Farbschwingungssynchronisiersignale 32 mit höherer Frequenz im wesentlichen keine Amplitudenänderung erfahren. Man wird ferner bemerken, daß die Grund-.linien dieser hochfrequenten Signale infolge einer solchen Vorverzerrung in einem stark eingeschränkten Amplitudenbereich liegen im Vergleich zu dem Bereich, der durch die Grundlinien des ungeänderten Farbfernsehsignals der Fig. 2 eingenommen wird.

Das abgeänderte Fernsehsignal der Fig.' 3 ist als gestrichelte Kurve 38 in Fig. 5 ebenfalls eingetragen. Man wird laicht erkennen, daß zwischen den Frequenzen der modulierten Schwingung, dem eingeschränkten Amplitudenbereich entsprechend, in dem die Grundlinien der Farbsignale der abgeänderten Schwingung liegen, die Verzögerungsabweichung, die durch die Linien b und c definiert ist, wesentlich verringert ist. Infolge dieser Wirkung werden die Farbsignale über die Frequenzmodulationseinrichtung mit stark verringerten Änderungen der relativen Phase und Amplitude übertragen, und die Farbinformation bleibt im System richtig erhalten.

Wie oben festgestellt wurde, wird der Ausgang des Frequenzmodulationsempfängers an eine Wiederherstellungsschaltung 20 angelegt, die so aufgebaut ist, daß die Helligkeitsinformation wieder in ihren ursprünglichen Amplitudenbereiich zurückgeführt wird, wie er durch die Eingangssignalschwingung eingenommen wurde. Dies geschieht durch ein Netzwerk mit einer Übertragungskennlinie, die eine Ergänzung der Kennlinie des Voranhebungsnetzwerks 10 ist und die durch die Kurve der Fig. 4 dargestellt ist.

Es ist bekannt, daß eine Zusammendrückung der tieferen Frequenzkomponenten, des Farbfernsehsignals zu einer Verschlechterung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses des Übertragungssystems für die tieferen Frequenzkomponenten führt. Jedoch begünstigt das charakteristische dreieckige Rauschspektrum des Frequenzmodulationssystems die tieferen Frequenzkomponenten stark. Die Verschlechterung des Signals-zu-Rausch-Verhältnisses kann daher ohne wesentliche Beeinträchtigung der Gesamtübertragungskennlinie in Kauf genommen werden. Daraus folgt, daß das Farbfernsehsignal bei Anwendung der Erfindung über Frequenzmodulationssysteme mit Verzögerungsverzerrung übertragen werden kann, ohne daß bedeutende Verzerrungen in den Teilen des Signals auftreten, 'welche die Farbinformation enthalten, und daß es ohne bedeutende Vergrößerung des Rausches wiedergewonnen werden kann.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Frequenzmodulationssystem zur Übertragung von Farbfernsehsignalen, bei dem die Farbe durch Modulation einer Trägerwelle relativ hoher Frequenz dargestellt wird, welche einem die Helligkeit darstellenden Signal mit verhältnismäßig niedriger Frequenz überlagert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Farbfernsehsignale dem Sender des Frequenzmodulationssystems über ein Verzerrungsnetzwerk zugeführt werden, welches dazu dient, den Amplitudenbereich der an den Sender angelegten Farbfernsehsignalkcmponenten niedrigerer Frequenz in bezug auf die Komponenten höherer Frequenz zusammenzudrücken und somit zwecks Verringerung der die Farbkomponenten des Signals beeinträchtigenden Verzögerungsverzerrung den Frequenzbereich zu verengen, innerhalb dessen die Farbkomponeiiten der Signale gesendet werden, und daß der Empfänger des Frequenzmodulationssystems mit einem komplementären Entzerrungsnetzwerk ausgestattet ist, welches auf den Empfängerausgang in der Weise einwirkt, daß die empfangenen Farbfernsehsignale auf ihren ursprünglichen Amplitudenbereich gedehnt werden.

2. Frequenzmodulationssystem nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß das Verzerrungsmittel den Amplitudenbereich der Signalkomponenten mit Frequenzen, bis herauf zu etwa ι MHz zusammendrückt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen