DE3841173C1

DE3841173C1 - Compatible television transmission system

Info

Publication number: DE3841173C1
Application number: DE3841173A
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl.-Ing. 8000 Muenchen De Habermann
Original assignee: Institut fuer Rundfunktechnik GmbH
Current assignee: Institut fuer Rundfunktechnik GmbH
Priority date: 1988-12-07
Filing date: 1988-12-07
Publication date: 1989-11-16
Also published as: DD290985A5; US5208668A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein kompatibles Übertragungssystem gemäß dem Oberbegriff der nebengeordneten Patentansprüche 1 und 2. Ein derartiges Übertragungssystem ist in der älteren Patentanmeldung P 38 40 054.5 beschrieben.

Für verbesserte Fernsehübertragungssysteme erweist es sich schon aus Gründen der Akzeptanz durch die Öffentlichkeit als erforderlich, das Bild-Seitenverhältnis der Fernsehempfänger von bisher 4 : 3 auf 16 : 9 (=empfohlenes Bild-Seitenverhältnis künftiger HDTV-Standards) zu erhöhen, ohne die Kompatibilität zu existierenden Fernsehnormen (PAL, NTSC, SECAM) zu verlieren. Hierzu wird in der älteren Patentanmeldung P 38 40 054.5 vorgeschlagen, senderseitig zunächst jede vierte Zeile des Bildsignals abzusondern und die verbleibenden Zeilen spatial zu komprimieren oder in richtiger spatialer Lage zu interpolieren. In den frei werdenden spatialen Räumen werden am oberen und unteren Bildrand die angesonderten vierten Zeilen in verwürfelter Form zugesetzt. Das resultierende Bildsignal wird dann codiert übertragen. Aus den empfangenen, decodierten Bildsignal wird das ursprüngliche Bildsignal mit dem Bild-Seitenverhältnis von 16 : 9 dadurch rekonstruiert, daß die am oberen und unteren Bildrand zugesetzten vierten Zeilen nach erfolgter Entwürfelung in richtiger Zeilenreihenfolge in die übrigen spatial dekomprimierten Zeilen eingefügt werden. Bei der Wiedergabe des Empfangssignals auf einem herkömmlichen 4 : 3- Fernsehempfänger werden die am oberen und unteren Bildrand zugesetzten, verwürfelten Zeilen als Quasi- Rauschbalken wiedergegeben, was jedoch als störend empfunden werden kann.

Die Aufgabe der Erfindung besteht demgegenüber darin, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art dahingehend weiterzubilden, daß bei der Wiedergabe auf einem herkömmlichen 4 : 3-Fernsehempfänger die oberen und unteren Bildränder als gleichmäßige Bildflächen in beliebiger Einfärbung erscheinen und gleichzeitig die herkömmliche Fernsehkanalbandbreite von 8 MHz für die Signalübertragung nicht überschritten sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Fernsehübertragungssystems ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels in den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild der senderseitigen Anordnung bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fernsehübertragungs systems;

Fig. 2 ein Blockschaltbild der empfängerseitigen Anordnung bei dem Fernsehübertragungssystem nach Fig. 1;

Fig. 3 die Belegung eines herkömmlichen 8 MHz- Fernsehkanals mit den vom Fernsehübertragungssystem nach Fig. 1 und 2 übertragenen zwei Bildsignalbändern und den dazwischen liegenden Tonträgern, und

Fig. 4 eine schematische Darstellung der senderseitigen Expansion und der empfängerseitigen Kompression der im rechten Bild signal-Teilband von Fig. 3 übertragenen aktiven Bereiche der abgesonderten Fern sehzeilen.

In dem senderseitigen Blockschaltbild gemäß Fig. 1 ist mit 10 eine Fernsehbildquelle bezeichnet, welche mit einem Raster entsprechend einem vergrößertem Bild-Seitenverhältnis von 16 : 9 abtastet. Im dargestellten Beispielsfalle entsprechen die von der Bildquelle 10 erzeugten Bildsignale einem herkömmlichen Standard, mit Ausnahme des geänderten Bild-Seitenverhältnisses. Entsprechend dem PAL-Standard umfaßt jedes Fernsehbild 575 aktive Zeilen.

Das Ausgangssignal der Bildquelle 10, das entweder ein RGB-Signal oder ein YUV-Signal ist (durch eine Dreifach-Leitung angedeutet), wird einer Bildsignalverarbeitungsstufe 20 zugeführt, welche aus jeder Gruppe von vier aufeinanderfolgenden Zeilen des Bildsignals eine Zeile absondert und die verbleibenden Zeilen spatial komprimiert oder in richtiger spatialer Lage interpoliert. In den frei werdenden spatialen Räumen am oberen und unteren Bildrand werden die abgesonderten vierten Zeilen zugesetzt. Die Einzelheiten dieser Bildsignalverarbeitung sind in der Patentanmeldung P 38 40 054.5 angegeben, so daß hierauf verwiesen werden darf. Das verarbeitete Bildsignal am Ausgang der Stufe 20 wird in einem nachgeschalteten Coder 30 entsprechend der gewünschten Fernsehnorm, z. B. PAL-Norm, codiert. Anstelle einer PAL-Codierung kann in vorteilhafter Weise auch entsprechend dem sogenannten I-PAL-Verfahren (DE-PE 33 38 192) codiert werden, um Über sprech-Effekte zwischen Leuchtdichte und Farbsignalkomponenten zu vermeiden.

Der in den folgenden Schaltungsteilen verwirklichte Erfindungsgedanke beruht auf der Überlegung, die aktiven Teile der abgesonderten, am oberen und unteren Bildrand zugesetzten Zeilen zeitlich auf die Dauer eines Vollbildes zu expandieren, um dadurch deren Bandbreite zu verringern. Das hieraus resultierende Signal wird, wie Fig. 3 zeigt, innerhalb des üblichen 8 MHz-Fernsehkanals in der freien Lücke zwischen dem zweiten Tonträger und dem oberen Ende des 8 MHz-Kanals übertragen (vgl. Fig. 3, zweites Teilband). Die nicht-aktiven Teile (Austastbereiche) der abgesonderten Zeilen sowie die verbleibenden Zeilen in ihrer Gesamtheit werden in normaler Trägerlage mit unveränderter Bandbreite unterhalb des ersten Tonträgers im 8 MHz-Fernsehkanal übertragen (vgl. Fig. 3, erstes Teilband). In einem herkömmlichen 4 : 3-Fernsehempfänger liegt das erste Teilband gemäß Fig. 3 innerhalb der ZF-Durchlaßkurve, während das zweite Teilband außerhalb der ZF-Durchlaßkurve liegt und somit von einem herkömmlichen 4 : 3-Fernsehempfänger unterdrückt wird. Bei der Wiedergabe des ersten Teilbandes in einem herkömmlichen 4 : 3-Fernsehempfänger dienen die nichtaktiven Teile der abgesonderten Zeilen am oberen und unteren Bildrand nur zur Synchronisation, wobei die fehlenden aktiven Zeilenbereiche am oberen und unteren Bildrand als Balken mit durchgehender Einfärbung, z. B. schwarz oder grau, wiedergegeben wer den.

Zur Durchführung dieser Erfindungsidee wird das Ausgangssignal des Coders 30 in Fig. 1 einer Signalweiche 40 zugeführt, welche an ihrem Steuereingang 43 von dem Synchronsignal des Studios (welches auch die Bildquelle 10 steuert) getaktet wird. Die Signalumschaltung der Weiche 40 abwechselnd auf die Ausgänge 41 und 42 erfolgt in der Weise, daß dem Ausgang 41 die aktiven Teile der abgesonderten, am oberen und unteren Bildrand zugesetzten Zeilen übertragen werden. Im Falle des Ausführungsbeispiels nach der älteren Patentanmeldung P 38 40 054.5 (Reg. 773) handelt es sich um 2×72 abgesonderte Zeilen pro Vollbild bzw. 4×36 Zeilen pro 2 Halbbilder. Dem Ausgang 42 der Signalweiche 40 werden die nichtaktiven Teile bzw. Austastbereiche der abgesonderten 2×72 Zeilen sowie die verbleibenden Zeilen in ihrer Gesamtheit zugeführt. Dieser Signalanteil wird in einer Verzögerungsstufe 90 um eine noch zu erläuternde Verzögerungszeit τ verzögert und anschließend in einem Bildmodulator 100 einem ersten Bildträger aufmoduliert, welcher dem genormten Bildträger entspricht (vgl. Fig. 3, Bildträger 1). Das obere Seitenband dieses Modulationssignals besitzt eine Bandbreite von 5 MHz, während das untere Seitenband normgemäß 0,75 MHz umfaßt (vgl. Fig. 3, erstes Teilband).

Das Signal am Ausgang 41 der Signalwache 40 wird in einer ersten Abtaststufe 50 mit einer Abtastfrequenz f _S abgetastet, welche ausreichend groß bemessen ist, um das ankommende Signal in einem Zwischenspeicher 60 einzuschreiben. Bei PAL-Signalen wird als Abtastfrequenz üblicherweise der 4fache Wert des Farbträgers gewählt. Der Zwischenspeicher 60 wird mit einer zweiten Abtastfrequenz ausgelesen, welche um das Verhältnis

kleiner ist als die Abtastfrequenz der Abtaststufe 50. In dem betrachteten Beispielsfalle beträgt die von einer weiteren Abtaststufe 70 erzeugte Abtastfrequenz zum Auslesen des Zwischenspeichers 60

Entsprechend dem Verhältnis der Abtastfrequenzen zum Einschreiben und Auslesen des Zwischenspeichers 60 beträgt der Expansionsgrad 1 : 5,34. Das expandierte Signal am Ausgang der weiteren Abtaststufe 70 hat dementsprechend nur noch eine Bandbreite von 5 MHz dividiert durch 5,34=936 kHz. Das expandierte Signal wird in einem Bildmodulator 80 einem zweiten Bildträger aufmoduliert, welcher von dem ersten Bildträger einen Frequenzabstand von ca. 6,7 MHz besitzt. Das so erzeugte Modulationssignal liegt innerhalb des 8 MHz-Fernsehkanals gemäß Fig. 3 mit seinem unteren Seitenband oberhalb des zweiten Tonträgers und grenzt mit seinem Restseitenband an die Kanalgrenze an (vgl. Fig. 3, 2. Teilband). Wie schon erwähnt, liegt dieses zweite Teilband außerhalb der ZF-Durchlaßkurve von herkömmlichen 4 : 3-Fernsehempfängern, welche nur das erste Teilband durch lassen.

Der Fernsehton wird in einer weiteren Verzögerungsstufe 110 ebenfalls um die Verzögerungszeit τ verzögert und in einem Tonmodulator 120 mit seinen stereophonen Anteilen den Tonträgern 1 und 2 gemäß Fig. 3 aufmoduliert. Sämtliche Modulationssignale werden zum Sendesignal kombiniert, wie in Fig. 1 durch die Sendeantenne 130 angedeutet ist.

Das Blockschaltbild nach Fig. 2 zeigt die empfangsseitige Signalverarbeitung sowohl für einen herkömmlichen 4 : 3-Fernsehempfänger (Bilddemodulator 190, PAL-Decoder 260 und Wiedergabeeinheit 270) als auch für einen Breitbildempfänger mit einem Bild-Seitenverhältnis von 16 : 9. Das an der Empfangsantenne 140 empfangene Sendesignal wird parallel den Bilddemodulatoren 150 und 190 zugeführt, wobei der Bilddemodulator 190 den Bildträger 1 mit dem ersten Teilband und der Bilddemodulator 150 den Bildträger 2 mit dem zweiten Teilband demodulieren. Das Signal am Ausgang des Bilddemodulators 150 muß entsprechend der senderseitigen Expansion wieder komprimiert werden, was durch Verwendung einer Abtaststufe 160 zum Einschreiben in einen Zwischenspeicher 170 und einer weiteren Abtaststufe 180 zum Auslesen des Zwischenspeichers 170 erfolgt. Die Abtastfrequenz der Stufe 180 ist dabei um das Verhältnis

größer als die Abtastfrequenz der Abtaststufe 160. Die Abtastfrequenz der Abtaststufe 180 entspricht vorzugsweise der Abtastfrequenz der senderseitigen Abtaststufe 50, d. h., sie entspricht dem Wert f _S. Das demodulierte Signal am Ausgang des Bilddemodulators 150 wird damit im Verhältnis 5,34 : 1 komprimiert und entspricht dem Signal am Ausgang 41 der senderseitigen Signalweiche 40. Die Bandbreite des komprimierten Signals beträgt dementsprechend wieder 936 kHz×5,34=5 MHz. Dieses Signal wird in der Addierstufe 220 dem Demodulationssignal (erstes Teilband gemäß Fig. 3) am Ausgang des Bilddemodulators 190 in zeitlich richtiger Lage zugesetzt, so daß das resultierende, dem PAL-Decoder 230 zugeführte Signal dem Ausgangssignal des senderseitigen PAL-Coders 30 entspricht. Dem PAL-Decoder 230 ist eine Signalverarbeitungsstufe 240 nachgeschaltet, welche die in der senderseitigen Signalverarbeitungsstufe 20 erfolgte Umordnung der Zeilen 1 aus 4 rückgängig macht. Die Wiedergabe des resultierenden Bildsignals auf dem Breitbildempfänger 250 liefert ein Fernsehbild mit vergrößertem Bild-Seitenverhältnis von 16 : 9. Wesentlich ist, daß für diese Bildübertragung der herkömmliche 8 MHz-Kanal sowohl im Studio als auch auf der Übertragungsstrecke ausreicht.

Der Fernsehton wird mittels des Tondemodulators 200 demoduliert und dem Lautsprecher 210 des Breitbildempfängers 250 bzw. des herkömmlichen 4 : 3-Empfängers 260, 270 zugeführt. Dieser herkömmliche Fernsehempfänger gibt, wie bereits dargelegt wurde, das Ausgangssignal des Bilddemodulators 190 mit oberen und unteren Balken wieder, welche eine gleichbleibende Färbung, z. B. schwarz oder grau, aufweisen. Die Störwirkung solcher gleichbleibend eingefärbter Balken ist vergleichsweise gering und entspricht der bekannten Wiedergabe von Breitwandfilmen im Fernsehen.

Die Expansion und Kompression gemäß Fig. 1 und 2 wird nachstehend anhand von Fig. 4 näher erläutert.

In Fig. 4 sind für zwei aufeinander folgende Fernsehhalbbilder die zeitliche Lage der abgesonderten 4×36 Zeilen schematisch aufgetragen, wobei die Pakete zu je 36 Zeilen mit den laufenden Zeilennummern am Anfang und Ende des Zeilenpaketes wiedergegeben sind, und zwar:

Zeilen 587 bis 622
Zeilen 24 bis 59
Zeilen 275 bis 310 und
Zeilen 336 bis 371.

Entsprechend der Folge der Verfahrensschritte sind in Fig. 4 oben die Zeilenpakete in der Zeitlage des Signals am Ausgang der Signalweiche 40 (Fig. 1), in der mittleren Darstellung die expandierten Zeilenpakete des Signals am Ausgang der senderseitigen Abtaststufe 70 (Fig. 1) bzw. am Eingang der empfängerseitigen Abtaststufe 160 (Fig. 2) und in den beiden unteren Darstellungen die Zeilenpakete am Ausgang der senderseitigen Abtaststufe 180 bzw. die dazu zeitlich durch die Verzögerung um die Zeit τ (Stufe 90) angepaßten, verbleibenden Signale am Ausgang des Bilddemodulators 190 dargestellt. Wie man insbesondere durch den Vergleich der oberen mit der mittleren Darstellung erkennt, wird das Zeilenpaket der aktiven Bereiche der Zeilen 587 bis 622 um das 5,34fache zeitlich gedehnt, wobei unmittelbar an das Ende des gedehnten Zeilenpaketes das darauffolgende, gedehnte Zeilenpaket der Zeilen 24 bis 59 lückenlos anschließt. Gleiches gilt für den lückenlosen Anschluß der gedehnten Zeilenpakete 275 bis 310 und 336 bis 371.

Bei der empfängerseitigen Kompression werden die Zeilenpakete auf ihre ursprüngliche zeitliche Länge zurückgeführt, jedoch mit einem zeitlichen Versatz, der in Fig. 4 mit der Verzögerungszeit τ kenntlich gemacht ist. Dieser zeitliche Versatz τ rührt von der Arbeitsweise der Zwischenspeicher 60 und 170 her. Und zwar kann der Speicher 60 gleichzeitig mit dem Beginn der Zeile 587 (Zeitpunkt t₁) mit dem Einschreiben beginnen (senkrechter Pfeil von der oberen Darstellung in Fig. 4 zur mittleren Darstellung), während der empfängerseitige Zwischenspeicher 170 frühestens dann innerhalb eines Halbbildes mit dem Auslesen geendet haben kann, wenn der letzte gedehnte Abtastwert des zweiten Zeilenpaketes der Zeilen 24 bis 59 zum Zeitpunkt t₂ übertragen worden ist (senkrechter Pfeil von der mittleren Darstellung zur unteren Darstellung). Die Verzögerungszeit τ errechnet sich somit aus der Differenz zwischen der Gesamtzahl der aktiven Zeilen eines Halbbildes und der Anzahl der abgesonderten Zeilen eines Halbbildes, im betrachteten Beispielsfalle

288 - 72 = 216 Zeilen

entsprechend ca. ms. Das Signal am Ausgang 42 der Signalweiche 40 (entsprechend dem ersten Teilband in Fig. 3) wird um diese Verzögerungszeit τ in der Stufe 90 verzögert. Gleiches gilt für den Ton in der Stufe 110. Infolge der Verzögerung in der Stufe 90 liegt das Signal am Ausgang des Bilddemodulators 190 (unterste Darstellung von Fig. 4) zeitlich exakt richtig zu dem Signal am Ausgang des Zwischenspeichers 170, d. h., daß die Informationen beider Signale zeitlich exakt richtig verkämmt sind und kombiniert werden können.

Die vorstehend erläuterte Verzögerung um die Verzögerungszeit τ läßt sich anschaulich ferner damit erklären, daß der senderseitige Zwischenspeicher 60 diskontinuierlich einschreibt, aber kontinuierlich ausliest und daß der empfängerseitige Zwischenspeicher 170 kontinuierlich einschreibt, aber diskontinuierlich ausliest.

Claims

1. Mit herkömmlichen Fernsehnormen kompatibles Fernsehübertragungssystem, bei dem bildquellenseitig mit einem Raster entsprechend einem vergrößerten Bild-Seitenverhältnis von 16 : 9 abgetastet wird, mit folgenden Verfahrensschritten:

a) Aus jeder Gruppe von vier aufeinanderfolgenden Zeilen des Bildsignals wird eine Zeile abgesondert und die verbleibenden Zeilen werden spatial komprimiert oder in richtiger spatialer Lage interpoliert;
b) in den frei werdenden spatialen Räumen am oberen und unteren Bildrand werden die abgesonderten vierten Zeilen zugesetzt;
c) das resultierende Bildsignal wird codiert übertragen, und
d) aus dem empfangenen, decodierten Bildsignal wird das ursprüngliche Bildsignal mit dem Bild-Seitenverhältnis von 16 : 9 dadurch rekonstruiert, daß die abgesonderten, am oberen und unteren Bildrand zugesetzten Zeilen in richtiger Zeilenreihenfolge in die übrigen spatial dekomprimierten Zeilen eingefügt werden,

dadurch gekennzeichnet, daß zur Übertragung des codierten Bildsignals folgende senderseitige Verfahrensschritte durchgeführt werden:

e) die aktiven Teile der abgesonderten, am oberen und unteren Bildrand zugesetzten Zeilen werden zeitlich auf die Dauer eines Vollbildes expandiert und auf einem am oberen Ende des Fernsehkanals liegenden zweiten Bildträger aufmoduliert, derart, daß das resultierende zweite Teilband im wesentlichen außerhalb der ZF-Durchlaßkurve eines herkömmlichen 4 : 3-Empfängers liegt;
f) die nicht-aktiven Teile (Austastbereich) der abgesonderten, am oberen und unteren Bildrand zugesetzten Zeilen sowie die verbleibenden Zeilen in ihrer Gesamtheit werden ggf. nach einer Verzögerung auf einen ersten, dem normierten Bildträger entsprechenden Bildträger aufmoduliert, derart, daß das resultierende erste Teilband im wesentlichen innerhalb der ZF-Durchlaßkurve eines herkömmlichen 4 : 3-Empfängers liegt und für diesen Empfänger das Standardsignal enthält;
g) beide modulierten Bildträger werden zusammen mit dem bzw. den Tonträger(n) zum Sendesignal kombiniert

und daß zur Rekonstruktion des ursprünglichen Bildsignals aus dem empfangenen decodierten Bildsignal folgende empfängerseitige Verfahrensschritte durchgeführt werden:

h) der am oberen Kanalende liegende zweite Bildträger wird demoduliert und das aus dem zweiten Teilband demodulierte Bildsignal wird zeitlich in den Ausgangszustand gemäß Schritt e) komprimiert;
i) der erste Bildträger wird demoduliert und das aus dem ersten Teilband demodulierte Bildsignal wird dem aus Schritt h) enthaltenen Bildsignal zeitrichtig zugesetzt, wobei das daraus resultierende Gesamtsignal decodiert und mit dem Bild-Seitenverhältnis 16 : 9 gemäß Schritt d) wiedergegeben wird.

2. Fernsehübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Durchführung des Schrittes e) folgende Teilschritte durchgeführt werden:

- Aus dem ankommenden Signal werden die aktiven Teile der abgesonderten Zeilen abgetrennt und mit einer ausreichenden Abtastfrequenz in einen ersten Zwischenspeicher eingelesen, und
- die im ersten Zwischenspeicher gespeicherten Abtastwerte werden mit einer um das Verhältnis kleineren Abtastfrequenz ausgelesen.

3. Fernsehübertragungssystem nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Durchführung des Schrittes h) folgende Teilschritte durchgeführt werden:

- das aus dem zweiten Teilband demodulierte Bildsignal wird mit einer ausreichenden Abtastfrequenz in einen zweiten Zwischenspeicher eingelesen, und
- die im zweiten Zwischenspeicher gespeicherten Abtastwerte werden mit einer um das Verhältnis größeren Abtastfrequenz ausgelesen.