DE69129622T2

DE69129622T2 - Hybrid-analog-digital-signalverarbeitung

Info

Publication number: DE69129622T2
Application number: DE69129622T
Authority: DE
Inventors: Jae S. Winchester Ma 01890 Lim
Original assignee: Massachusetts Institute of Technology
Current assignee: Massachusetts Institute of Technology
Priority date: 1990-02-23
Filing date: 1991-02-22
Publication date: 1998-12-17
Anticipated expiration: 2011-02-23
Also published as: ATE167601T1; KR920704482A; DE69129622D1; WO1991013506A1; KR0183369B1; EP0516741B1; CA2075065A1; JPH05503623A; EP0516741A4; CA2075065C; EP0516741A1; AU7456491A; AU637684B2; US5309478A

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen für hybrides Senden und Empfangen von Analog/Digital-Informationssignalen.
Bei der Signalübertragung, beispielsweise beim Senden von Video- oder Sprachsignalen, wird ein Analogsignal häufig vollständig im Analogbereich dargestellt, oder aber vollständig im Digitalbereich. Bei der Pulsamplitudenmodulation zum Beispiel wird in regelmäßigen Intervallen ein Zug von Impulsen mit einer dem Analogwert entsprechenden Amplitude gesendet. Bei der Pulscodemodulation wird der Analogwert in Binärzahlen umgesetzt und in Form einer seriellen Kette von Bits gesendet. Für jeden der beiden Bereiche gibt es Vorteile und Nachteile.
Das Senden von Analogsignalen ist in einer Vielfalt von Anwendungen erwünscht. Bei der Übertragung von Analogsignalen, beispielsweise mittels Funk, Kabel, Satellit, Faseroptik oder Draht, erleidet das empfangene Analogsignal möglicherweise einen Qualitätsverlust aufgrund von weißem Rauschen, Störung aus anderen Signalen, Echos aufgrund von Mehrwege-Übertragung und Frequenzverzerrung. Als Ergebnis kann im Fall von Radio- oder Fernsehsendungen beispielsweise die Bildqualität typischer Heimempfänger beträchtlich verschlechtert sein im Vergleich zu dem Studiosignal.
Wir beschreiben im folgenden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum selektiven Erhöhen, Verringern oder Unverändert-Belassen des Rauschabstands von Teilen eines analogen Sendesignals. Im Ergebnis ist es möglich, den Rauschabstand einiger Analogwerte zu steigern, den Rauschabstand anderer Analogwerte zu senken und den Rauschabstand der übrigen Werte eines gegebenen Analogsignals unbeeinflußt zu lassen, um dadurch einen Übertragungskanal entsprechend den Kennwerten des zu sendenden Signals besser zu nutzen. In einer ersten Betriebsart erreicht die hybride Analog/Digital-Darstellung eines Analogwerts eine Verringerung der Kanalverschlechterung. In einer zweiten Betriebsart, die der ersten Betriebsart hinzugefügt ist, erreicht eine Darstellung eines Analogwerts und von B Bits digitaler Information eine effizientere Nutzung eines gegebenen Kanals. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Quellensignal um ein Videosignal oder um ein Audiosignal, und die hybride analoge/digitale oder analoge Darstellung basiert auf der Transformation oder Teilband-Signalanalyse des Quellensignals.
Der BBC Research Department Report Nr. 1969/46 von P. C. J. Hill und R. J. Packer beschreibt eine Versuchsanordnung für Tests mit Videosignalen in Verbindung mit hybrider Pulscodierung. Hill und Packer beschreiben ein Doppelimpuls-HPCM-System, bei dem ein Video-Eingangssignal mit Hilfe eines Impulsgenerators quantisiert wird, um ein quantisiertes, mehrstufiges digitales Signal und ein Analogsignal zu erhalten, die beide gesendet werden. Das mehrstufige quantisierte Digitalsignal wird mit dem Analogsignal in einem Decoder kombiniert, um ein Video-Ausgangssignal zu bilden.
William F. Schreiber und Andrew B. Lippman diskutieren in Proceedings of the International Workshop on Signal Processing of HDTV, L'Aquila (IT), 29. Februar bis 02. März 1988, Amsterdam, auf den Seiten 99 bis 117 eine Reihe separater Ideen zur Verbesserung der Bildqualität innerhalb eines nicht perfekten Analogkanals. Unter zahlreichen Merkmalen, die ihrem Vorschlag gemäß möglicherweise angewendet werden können, schlagen sie auf der Seite 108 die Überlagerung eines Analogsignals verringerter Amplitude und eines mehrstufigen Digitalsignals vor.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung schaffen wir ein hybrides Analog- /Digital-Verfahren zur Informationssignalübertragung, umfassend die Schritte: Erhalten eines ersten Analogwertes x&sub1;, der übertragen werden soll; Umsetzen des ersten Analogwertes x&sub1; in einen Analogwert y&sub1; und ein Digitalsignal gemäß einer ersten Umsetzungsfunktion; Übertragen des Digitalsignals; und Übertragen des Analogwertes y&sub1;, so daß der Analogwert y&sub1; mit dem Digitalsignal decodiert werden kann, um eine Repräsentation des ersten Analogwertes x&sub1; zu erhalten; wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß das Digitalsignal B&sub1; Bit(s) an Digitalinformationen umfaßt und dadurch, daß der Schritt des Erhaltens des ersten Analogwertes x&sub1; das Unterziehen eines Quellsignals einer Transformation oder einer Teilband-Signalanalyse beinhaltet, um den ersten Analogwert x&sub1; zu generieren, so daß das Quellsignal anhand der Repräsentation des ersten Analogwertes x&sub1; synthetisiert werden kann.
Der Analogwert x&sub1; kann eine Darstellung einer Hochenergiekomponente des Quellensignals umfassen.
Dieses Verfahren kann weiterhin folgende Schritte umfassen:
Erhalten eines zweiten Analogwerts x&sub2; und B&sub2; Bit(s) an digitaler Information, die beide übertragen werden sollen; Darstellen des zweiten Analogwerts x&sub2; und B&sub2; Bit(s) an Digitalinformationen durch einen Analogwert y&sub2;, und Übertragen des Analogwerts y&sub2; derart, daß eine jeweilige Darstellung des Analogwerts x&sub2; und B&sub2; Bit(s) an digitaler Information aus dem Analogwert y&sub2; erkennbar sind, so daß der Analogwert x&sub2; und die B&sub2; Bit(s) digitaler Information mit einem einzigen Analogwert y&sub2; übertragen werden können. Vorzugsweise beinhaltet das Erhalten des Analogwerts x&sub2; und der B&sub2; Bit(s) digitaler Information das Unterziehen eines Quellensignals einer Transformation oder einer Teilband-Signalanalyse und das Verarbeiten des Ausgangssignals in der Weise, daß das Quellensignal mit dem zweiten Analogwert x&sub2; und den B&sub2; Bit(s) an digitaler Information dargestellt werden kann, wodurch eine Darstellung des Quellensignals basierend auf der Darstellung des Analogwerts x&sub2; und der B&sub2; Bit(s) an digitaler Information, die von dem Analogwert y&sub2; gewonnen wurde, generiert werden kann. Der Analogwert y&sub2; kann eine Darstellung einer Niederenergie- und/oder einer Hochfrequenzkomponente des Quellensignals beinhalten.
Gemäß einem zweiten und alternativen Aspekt der Erfindung wird ein System zur Übertragung von hybriden Analog/Digital-Informationssignalen geschaffen, welches aufweist: ein System zum Empfangen eines ersten Analogwerts x&sub1;, der repräsentativ ist für eine erste Komponente eines Quellensignals, und zum Umsetzen des ersten Analogwerts x&sub1; in ein Digitalsignal und einen Analogwert y&sub1; entsprechend einer Umsetztunktion; und ein System zum Übertragen des Digitalsignais und zum Übertragen des Analogwerts y&sub1; in der Weise, daß der Analogwert y&sub1; unter Verwendung des Digitalsignals decodiert werden kann, um eine Darstellung des ersten Analogwerts x&sub1; zu erhalten, wodurch eine Darstellung der ersten Komponente des Quellensignals basierend auf der Darstellung des ersten Analogwerts x&sub1; generiert werden kann; wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß das Digitalsignal B&sub1; Bit(s) an digitaler Information aufweist, und daß außerdem eine Einrichtung vorgesehen ist zum Erhalten des Analogwerts x&sub1;, indem das Quellensignal einer Transformation oder einer Teilband-Signalanalyse unterzogen wird, um den Analogwert x&sub1; zu erhalten, wodurch eine Darstellung des Quellensignals aus der Darstellung des Analogwerts x&sub1; synthetisiert werden kann.
Der Analogwert x&sub1; kann eine Darstellung einer Hochenergiekomponente des Quellensignals beinhalten.
Das System kann weiterhin ein System zum Erhalten eines Analogwerts x&sub2; erhalten, welcher repräsentativ ist für eine zweite Komponente des Quellensignals; ein System zum Umsetzen des Analogwerts x&sub2; in einen Analogwert y&sub2; gemäß einer zweiten Umsetztunktion, um zum Codieren von B&sub2; Bit(s) digitaler Information in dem Analogwert y&sub2;; und ein System zum Übertragen des Analogwerts y&sub2; in der Weise, daß eine jeweilige Darstellung des Analogwerts x&sub2; und der B&sub2; Bit(s) digitaler Information aus dem Analogwert y&sub2; gewonnen werden kann, wodurch der Analogwert x&sub2; und die B&sub2; Bit(s) digitaler Information mit Hilfe eines einzelnen Analogwerts y&sub2; übertragen werden können. Vorzugsweise beinhaltet das Erhalten des Analogwerts x&sub2; und der B&sub2; Bit(s) digitaler Information das Unterziehen eines Quellensignals einer Transformation oder einer Teilband-Signalanalyse und das Verarbeiten des Ausgangssignals in der Weise, daß das Quellensignal dargestellt werden kann mit Hilfe des Analogwerts x&sub2; und der B&sub2; Bit(s) digitaler Information, wodurch eine Darstellung des Quellensignals basierend auf einer Darstellung des Analogwerts x&sub2; und der B&sub2; Bit(s) an Digitalinformation, die von dem Analogwert y&sub2; gewonnen werden, generiert werden kann.
Gemäß einem dritten, alternativen Aspekt der Erfindung schaffen wir ein System zum Empfangen eines Übertragungssignals, bei dem es sich um eine hybride Analog/Digital-Darstellung eines ersten Analogwerts x&sub1;, der repräsentativ für ein Quellensignal ist, handelt, wobei das System umfaßt: ein System zum Empfangen des Übertragungssignals und zum Erhalten eines Analogwerts y&sub1; und eines Digitalsignais, das repräsentativ für den ersten Analogwert x&sub1; ist; ein System zum Generieren einer Darstellung des ersten Analogwerts x&sub1; durch Verwendung des digitalen Signals und des Analogwerts y&sub1; gemäß einer Umsetzfunktion; und ein System zum Generieren einer Darstellung einer ersten Komponente eines Quellensignals basierend auf dem ersten Analogwert x&sub1;, dadurch gekennzeichnet, daß das Digitalsignal B&sub1; Bit(s) digitale Information aufweist, und daß die gesendete hybride Analog/Digital-Darstellung erzeugt wird durch Transformation oder Teilband-Signalanalyse des Quellensignals.
Dieses System kann zusätzlich derart ausgestaltet sein, daß es ein zweites Übertragungssignal empfängt, welches eine analoge Darstellung eines zweiten Analogwerts x&sub2; und von B&sub2; Bit(s) an Digitalinformation ist, repräsentativ für ein zweites Quellensignal. Das Empfangssystem empfängt zusätzlich das zweite Übertragungssignal und gewinnt einen Analogwert y&sub2;, der repräsentativ ist für den Analogwert x&sub2; und B&sub2; Bit(s) digitaler Information. Das Analogwert-Erzeugungssystem erzeugt zusätzlich eine Darstellung des Analogsignals x&sub2; und B&sub2; Bit(s) Digitalinformation basierend auf dem Analogwert y&sub2; gemäß einer zweiten Umsetzfunktion. Das Erzeugungssystem für die Quellensignalkomponente generiert eine Darstellung des zweiten Quellensignals basierend auf der Darstellung des zweiten Analogsignals x&sub2; und von B&sub2; Bit(s) digitaler Information.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsforrn wird die hybride Analog/Digital-Darstellung, die durch Transformation oder Teilband-Signalanalyse gewonnen wurde, mit einer Modulationsfunktion moduliert, die dargestellt wird durch einen Modulationsfaktor, wobei der Modulationsfaktor als zusätzliche Digitalinformation mit dem modulierten Wert übertragen wird.
Vorzugsweise handelt es sich bei den B&sub1; Bit(s) digitaler Information um Bereichsinformation, die ein Decodieren von y&sub1; zum Gewinnen von x&sub1; ermöglicht, und vorzugsweise wird zumindest ein Teil von B&sub1; durch den letzten Teil von B&sub2; ausgedrückt.
Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen.
Fig. 1(a-g) ist eine grafische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Fig. 2(a-g) ist eine grafische Darstellung einer Abwandlung des Verfahrens nach Fig. 1(a-g).
Fig. 3 ist eine grafische Darstellung der Umsetzfunktion einer zweiten Betriebsart.
Fig. 4(a-g) ist eine grafische Darstellung einer zweiten Betriebsart.
Fig. 5 ist eine grafische Darstellung einer Umsetzfunktion in eine Abwandlung der Betriebsart 2.
Fig. 6(a-g) ist eine grafische Darstellung der Betriebsart 2 unter Verwendung der Umsetzfunktion nach Fig. 5.
Fig. 7(a,b) ist ein Blockdiagramm eines HDTV-Senders und -Empfängers als praktische Ausführung der Erfindung.

Betriebsart 1 - Expandiertes Übertragungssignal

Wir haben erkannt, daß sich ein gegebenes Signal auf der Seite des Senders in einen gewünschten Amplitudenbereich expandieren läßt und diese Ausdehnung am Empfänger gemäß einem übertragenen Expansionsfaktor decodiert werden kann. Beispielsweise läßt sich ein Analogwert x darstellen mit B Bit(s) und einem Analogwert y. Anschaulich: wenn x in dem Bereich von -1 ≤ x ≤ 1 liegt, B = 1 und y in dem gleichen Bereich -1 ≤ y ≤ 1 liegt, dann kann man ein Bit an Information für die Angabe verwenden, ob x im Bereich "0" oder im Bereich "1" liegt, abhängig davon, ob das Bit b den Wert b = 0 oder b = 1 hat.
In Fig. 1(a) ist ein Signal x(n) dargestellt, welches zwischen -1,0 und +1,0 beliebiger Stärkeneinheit schwankt. Für die Zeitintervalle zwischen n&sub0;-n&sub1;, n&sub2;-n&sub3;, n&sub4;-n&sub5; und oberhalb von n, schwankt das Signal im wesentlichen zwischen 0 und 1,0 (Bereich 1), zu den übrigen Zeiten schwankt das Signal im wesentlichen zwischen 0 und -1,0 (Bereich 0). Der Bereich von 0 bis +1,0 wird willkürlich durch ein digitales Bit b = 1 dargestellt, der Bereich von 0 bis 1,0 wird willkürlich durch ein digitales Bit b = 0 dargestellt.
Nun ist es möglich, die Stärke eines Teils des Signals x(n) zu expandie ren in den vollen Bereich von -1,0 bis 1,0, solange ein digitales Bit b = 0 oder b = 1, welches den ursprünglichen Signalbereich darstellt, zu dem Empfänger übertragen wird, damit das expandierte Signal in den normalen Bereich maßstäblich zurückverändert werden kann. Dem expandiertem Signal geht es angesichts des Kanalrauschens besser, so daß sich eine geringere Kanalverschlechterung ergibt, die sich dem Übertragungssignal aufprägt.
Bei einer Ausführungsform wird das Signal x(n) unter Verwendung der in Fig. 1(b) gezeigten Umsetzfunktion expandiert. Der Wert von x(n) wird abgebildet auf eine expandierte Analog-Wellenforin y(n), entsprechend der Umsetzfunktion. Die begleitende Digitalbit-Information b (welche diese Expansion repräsentiert) läßt sich durch die in Fig. 1(c) dargestellte Umsetzfunktion gewinnen, wonach der Wert von x(n) abhängig von der dargestellten Umsetzfunktion in die Digitalinformation (b = 1 oder b = 0) abgebildet wird. Das resultierende expandierte Analogsignal y(n) ist in Fig. 1(d) dargestellt, die erhaltene Digitalbit-Information b(n) ist in Fig. 1(e) dargestellt. Die spezielle Wahl der Umsetzfunktion gemäß Fig. 1(b) kann auf der Grundlage der Signalkennwerte des Analogsignals x erfolgen.
Eine einfache Wahl der Umsetzfiinktion ist eine lineare Funktion, wie sie in Fig. 1(b) gezeigt ist. Die Umsetzung geschieht folgendermaßen: für x(n) in Fig. 1(a) wird ein Wert ausgewählt, der auf die Umsetzfunktion gemäß Fig. 1(b) angewendet wird, um den entsprechenden expandierten Wert y(n) zu gewinnen, der in Fig. 1(d) aufgezeichnet ist. Bezieht man sich z. B. auf den Bereich, wo x(n) unterhalb von Null zwischen den Zeitpunkten n&sub3; und n&sub4; in Fig. 1(a) schwingt, so ist zum Zeitpunkt n&sub3; der Wert von x(n) bei Null. Dies ist in Fig. 1(b) (siehe x = 0) so dargestellt, daß eine Umsetzung in y = -1 erfolgt. Damit ist gemäß Fig. 1(d) der Wert y(n) bei n&sub3; auf eine Stärke von -1,0 expandiert. In der Mitte zwischen n&sub3; und n&sub4; beträgt die Amplitude von x(n) etwa -0,2, was gemäß Fig. 1(b) (siehe x = -0,2) umgesetzt wird in y = -0,8. Damit ist gemäß Fig. 1(d) der Wert y(n) entsprechend aufgeweitet auf etwa -0,8 in der Mitte zwischen n&sub3; und n&sub4; dargestellt. Der Rest der Umsetzung erfolgt in entsprechender Weise.
Nun kann der Empfänger sowohl das expandierte Empfangssignal maßstäblich verkleinern (da er die Umsetzfunktionen gemäß den Figuren 1(b) und 1(c) kennt), als auch das Signal in den richtigen Amplitudenbereich einsetzen. Im Ergebnis läßt sich ein Signal zwecks stabilerer Übertragung im Hinblick auf das Kanalrauschen expandieren, und läßt sich routinemäßig entsprechend der Digitalinformation decodieren. Diese Widerstandsfähigkeit ist erkennbar durch Vergleich der Figuren 1(f) und 1(g). Fig. 1(f) zeigt xa(n), wobei x(n) konventionellerweise übertragen und dabei durch Kanalrauschen beeinträchtigt wird. Fig. 1(g) zeigt xb(n), decodiert aus dem robusteren Signal y(n), vom selben Kanalrauschen beeinträchtigt. Das decodierte Signal xb(n) ist eine getreuere Darstellung des ursprünglichen Signals x(n) als das decodierte Signal xa(n).
Bei dem obigen Beispiel wurde das Analogsignal x(n) dargestellt durch das Analogsignal y(n) und den 1 Bit umfassenden Digital-Datenwert b(n). Das Analogsignal x(n) läßt sich auch mit größerer Spezifiziertheit darstellen. Beispielsweise zeigt Fig. 2(a) das gleiche Analogsignal x(n), nun jedoch dargestellt durch ein weiter expandiertes Analogsignal yn gemäß Fig. 2(d) (man vergleiche mit Fig. 1(d)) und die jeweils 2 Bits umfassenden Digitaldaten b(n) gemäß Fig. 2(e) (man vergleiche mit Fig. 1(e)).
In Fig. 1(b) expandiert die Umsetzfunktion x(n) in den Gesamtamplitudenbereich von -1,0 bis 1,0. Das gleiche geschieht mit der Umsetzfunktion nach Fig. 2(b). Allerdings wird x(n) nach Fig. 1(a) in zwei Zonen (-1 bis 0 und 0 bis 1) aufgetrennt, während x(n) gemäß Fig. 2(a) in vier Zonen a-d aufteilt wird, nämlich -1 bis 0,5; -0,5 bis 0; 0 bis 0,5 und 0,5 bis 1. Folglich erhält das digitale Informationssignal b(n) gemäß Fig. 1(e) zwei Pegel, Bit 0 mit Null-Amplitude und Bit 1 bei einer Intensitätseinheit, um die zwei Zonen (-1 bis 0 und 0 bis 1) darzustellen. In Fig. 2(b) jedoch wird dem digitalen Signal b(n) (vergleiche Fig. 2(c)) entsprechend den Zonen a-d (vergleiche 2(e)) einer von vier Pegeln 0-3 zugeordnet, wodurch eine Übertragung von zwei Bits digitaler Information erforderlich wird, um die vier Zonen (a-d) darzustellen. Allerdings lassen sich kleinere Zonen von x(n) expandieren (vergleiche Fig. 2(d) mit Fig. 1(d)), und entsprechend b(n) decodieren, einhergehend mit erhöhter Ausnutzung des dynamischen Bereichs und verbesserter Nachwirkung bei Vorhandensein von Kanalrauschen.
Eine brauchbare Ausführungsform gestattet das selektive Senden von Analogwerten, die mehr oder weniger genau sind als andere Werte, basierend auf ihrer relativen Bedeutung. Bei der Bildcodierungs-Transformation beispielsweise läßt sich ein Signal in der Weise analysieren, daß seine Kennwerte im Frequenzbereich dargestellt werden können durch Koeffizienten, die aus der Transformationsanalyse abgeleitet sind. Angenommen, ein Analogwert repräsentiere eine Gleichstrom- oder Niederfrequenzkomponente, ein zweiter Analogwert repräsentiere eine Mittenfrequenz-Komponente, und ein dritter Analogwert repräsentiere eine Hochfrequenzkomponente des analysierten Signals. Da die niederfrequenten Komponenten häufig mehr Signalenergie beinhalten und die höherfrequenten Komponenten häufig die geringste Signalenergie aufweisen, besteht die Möglichkeit, dem ersten Analogwert zwei Bits zuzuweisen, um diesen Wert entsprechend stark zu expandieren, ein Bit dem zweiten Analogwert zuzuweisen, um diesen Wert entsprechend zu expandieren, und dem dritten Analogwert kein Bit zuzuweisen, wobei dieses Signal nicht expandiert wird. (Die Bits können als Seiteninformation in konventioneller Weise übertragen werden.) Die S/N-Verbesserung für den ersten und den zweiten Analogwert relativ zu dem dritten Analogwert würden etwa 12db bzw. 6db betragen.

Betriebsart 2 - Komprimierte Übertragung

Während die obige Betriebsart eine stabilere Übertragung eines Analogsignals ermöglicht, so kann es auch von Interesse sein, einen Teil des Analogsignal-Kanals besser zu nutzen, allerdings bei weniger stabiler Übertragung. Man nehme z. B. einen Analogwert x und eine Digitalinformation b von B Bit(s), und den Wunsch, x und b mit einem Analogwert y darzustellen. Nun nehme man an, der Analogwert x müsse nicht exakt dargestellt werden, wohingegen der Rauschabstand des Übertragungskanals die Möglichkeit ließe, y exakt darzustellen. Anstatt dann y nur dazu zu verwenden, lediglich x zu übertragen, kann man y nun dazu verwenden, x und zusätzliche Digitaldaten b mit B Bit(s) zu übertragen. Der Umfang von zu übertragenden Digitaldaten hängt folglich von der akzeptierbaren Verringerung des Rauschabstands und der erforderlichen Genauigkeit für den empfangenen Analogwert von x ab.
Bezugnehmend auf Fig. 3 sei angenommen, der Analogwert x liege im Bereich von -1 ≤ x ≤ 1, und y liege im Bereich von -1 ≤ y ≤ 1. Die positive Zone von y wird willkürlich als Bereich für das Bit 1, und die negative Zone von y als Bereich für das Bit 0 zugeordnet. Der x-Wert läßt sich abbilden auf ein positives y oder ein negatives y, abhängig von dem einzelnen Informations-Bit. Wenn der Analogwert x im Bereich von Bit 1 gesendet wird, so repräsentiert im Ergebnis der Analogwert y zusätzlich zu dem Analogwert x die Information des Bit 1. In ähnlicher Weise wird von dem Analogsignal die Digitalinformation des Bits übertragen, wenn der Analogwert in dem Bereich des Bit 0 der y-Achse übertragen wird. Im Empfänger wird der Analogwert als ein entsprechender Analogwert verwendet, allerdings wird zusätzlich sein Bitwert aus der Bereichslage decodiert.
Wie in Fig. 3 gezeigt ist, wird, wenn das zu sendende Inforrnationsbit eine list, der x-Wert auf einen positiven y-Wert von T+ bis 1 abgebildet. Als Vorsichtsmaßnahme gegen Fehler bei der Decodierung der Bit- Information aufgrund von Kanalrauschen kann der Wert von T+ so gewählt werden, daß er größer als 0 ist, damit eine Art Schutzzone vorhanden ist, die einen Decodierfehler verhindert. Wenn das eine Informationsbit einen Wert 0 hat, kann der Analogwert von x in die negative y-Zone abgebildet werden, wo ein Wert T- gewählt wird, der kleiner als 0 ist, wiederum mit dem Zweck der Schaffung einer Schutzzone.
Die spezielle Wahl der Umsetzfunktion kann auf den Signalkennwerten des Analogsignals x basieren. Eine einfache Wahl für die Umsetzfunktionen könnte eine lineare Funktion sein, wie es der Fall in Fig. 3 ist. Typischerweise gleicht T- dem Wert -T+, und die Funktionen in Fig. 3 sind zueinander verschobene Versionen, obschon diese Merkmale nicht erforderlich sind.
Als spezielles Beispiel sind in den Fig. 4(a) und 4(b) digitale Daten b(n) bzw. ein Analogsignal x(n) dargestellt. Das Analogsignal y(n) wird erhalten, indem man b(n) und x(n) entsprechend der in Fig. 3 gezeigten Umsetzfunktion kombiniert, das Signal ist in Fig. 4(c) dargestellt. Fig. 4(d) zeigt xa(n), das Analogsignal x(n) aus Fig. 4(b), verschlechtert durch Kanalrauschen. Fig. 4(e) zeigt yb(n), das Analogsignal y(n) aus Fig. 4(c), durch dasselbe Kanalrauschen verschlechtert. Fig. 4(f) und 4(g) zeigen die decodierten digitalen Daten b(n) bzw. das decodierte Analogsignal xb(n). Ein Vergleich von xa(n) in Fig. 4(d) und xb(n) in Fig. 4(g) zeigt, daß xb(n) mehr Rauschen enthält als xa(n). Allerdings gestattet der geringere Rauschabstand von xb(n) das Übertragen der digitalen Daten b(n) zusammen mit x(n), was in vorteilhafter Weise dann genutzt werden kann, wenn die Signalbeeinträchtigung weniger bedeutsam ist als die zusätzliche Übertragung digitaler Daten.
In alternativen Ausgestaltungen ermöglicht die Verwendung von mehr als zwei Signalen die Übertragung einer größeren Menge an digitaler Information. Die Anzahl der Bereiche hängt ab von der Beeinträchtigung, welche man in Kauf nehmen will für den reduzierten Wert des Analogwerts x. Als spezifisches Beispiel zeigen die Figuren 5 und 6 Ähnliches wie Figur 3 und 4, nur das die zwei Bits umfassenden Digitaldaten (vier Signalbereiche) von b(n) und ein Analogsignal x(n) durch ein Analogsignal y(n) dargestellt werden.
Eine nützliche Ausführungsform gestattet das selektive Senden von Analogwerten, die weniger oder mehr genau sind als andere Werte. Beispielsweise nehme man bei der Bildcodierungs-Transformation einen Analogwert an, der eine niederfrequente oder Gleichstromkomponente repräsentiert, außerdem einen zweiten Analogwert, der eine Mittenfrequenz-Komponente repräsentiert, zudem einen dritten Analogwert, der eine Hochfrequenzkomponente repräsentiert. Da die niederfrequenten Komponenten häufig mehr Signalenergie führen, besteht die Möglich keit, den ersten Analogwert sowie keine digitale Information in Form eines Analogwerts darzustellen, den zweiten Analogwert und ein Bit Digitalinformation als einen Analogwert darzustellen, und den dritten Analogwert sowie zwei Bits digitaler Information als einen Analogwert darzustellen. Die S/N-Abnahme des zweiten und des dritten Analogwerts in bezug auf den ersten Analogwert würde annähernd 6dB bzw. 12dB betragen, wenn man davon ausgeht, daß die Schutzband-Zonen nicht groß sind. Dieses Beispiel zeigt, wie unterschiedliche Analogwerte abhängig von ihrer jeweiligen Bedeutung einer Deemphase unterzogen werden können.

Kombination von Betriebsart 1 und Betriebsart 2

Im folgenden beschreiben wir, wie die obigen beiden Betriebsarten kombiniert werden können, um den Rauschabstand einiger Analogwerte zu steigern, den Rauschabstand anderer Analogwerte zu senken, und den Rauschabstand der übrigen Analogwerte unbeeinflußt zu lassen. Unser System läßt sich in ein hybrides Analog/Digital-Darstellungssystem inkorporieren, beispielsweise in die Ausgestaltung eines Kanal-kompartiblen HDTV, welches bei vorhandener Kanalbeeinträchtigung robust ist und wirksamen Gebrauch von der Bandbreite macht.
In einem dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 wird ein Quellen-Videosignal 10 im Sender 20 auf einen Transformations/Teilband- Signalanalysator 22 gegeben. Das Ausgangssignal wird auf ein adaptives Modulationssystem gegeben. Das Ausgangssignal des adaptiven Modulationssystems enthält sowohl Analogdaten (beispielsweise ein moduliertes Übertragungssignal) als auch Digitaldaten (so z. B. den Modulationsfaktor, der benötigt wird, um das modulierte Übertragungssignal zu demodulieren). Diese analogen und digitalen Daten werden auf einen Prozessor 28 für hybride Analog/Digital-Darstellung gegeben. Diese Daten werden dann in der oben dargestellten Weise übertragen.
In dem Empfänger eines solchen Systems wird das Empfangssignal 110 auf einen Prozessor 128 für inverse hybride Analog/Digital-Darstellungen im Empfänger 120 gegeben. Das decodierte Analog/Digital-Ausgangssignal gelangt an einen adaptiven Demodulator 124. Das demodulierte Signal wird nun auf einen Transformations-/Teilband-Synthetisierer 122 gegeben, um eine Darstellung des ursprünglichen Quellen-Videosignals 10 zusammenzusetzen.
Man sieht nun, daß die Betriebsart 1 das Senden eines einzelnen Analogwerts mit einem einzelnen expandierten Analogwert und digitaler Decodier-Information ermöglicht. Es ist weiterhin möglich, einen einzelnen Analogwert und digitale Information in der Betriebsart 1 mittels eines einzigen verdichteten Analogwerts zu übertragen. Beim kombinierten Betrieb mit Betriebsart 1 und Betriebsart 2 kann die Digitalinformation der Betriebsart 2 dazu dienen, die digitale Decodierinformation für die Betriebsart 1 auszudrücken. Im Ergebnis läßt sich eine robustere und/oder effizientere Signalübertragung erreichen.

Claims

1. Analoges/digitales Hybridverfahren zur Übertragung von Informationssignalen, umfassend die folgenden Schritte: Erhalten eines ersten Analogwertes x&sub1;, der übertragen werden soll; Umsetzen des ersten Analogwertes x&sub1; in einen Analogwert y&sub1; und ein Digitalsignal gemäß einer ersten Umsetzungsfunktion; Übertragen des Digitalsignals; und Übertragen des Analogwertes y&sub1;, so daß der Analogwert y&sub1; mit dem Digitalsignal decodiert werden kann, um eine Repräsentation des ersten Analogwertes x&sub1; zu erhalten; wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß das Digitalsignal B&sub1; Bit(s) an Digitalinformationen umfaßt und dadurch, daß der Schritt des Erhaltens des ersten Analogwertes x&sub1; das Unterziehen eines Quellsignals einer Transformation oder einer Teilband-Signalanalyse beinhaltet, um den ersten Analogwert x&sub1; zu generieren, so daß das Quellsignal anhand der Repräsentation des ersten Analogwertes x&sub1; synthetisiert werden kann.

2. Verfahren nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, daß der erste Analogwert x&sub1; eine Repräsentation einer Hochenergiekomponente des Quellsignals umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, daß der erste Analogwert x&sub1; eine Repräsentation einer Niederfrequenzkomponente des Quellsignals umfaßt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner die folgenden Schritte umfaßt: Erhalten eines zweiten Analogwertes x&sub2; und B&sub2; Bit(s) an Digitalinformationen, die beide übertragen werden sollen; Umsetzen des zweiten Analogwertes x&sub2; und B&sub2; Bit(s) an Digitalinformationen in einen Analogwert y&sub2; gemäß einer zweiten Umsetzungsfunktion; und Übertragen des Analogwertes y&sub2;, so daß eine jeweilige Repräsentation sowohl des Analogwertes x&sub2; als auch der B&sub2; Bit(s) an Digitalinformationen jeweils aus dem Analogwerte y&sub2; erkennbar sind, so daß der Analogwert x&sub2; und die B&sub2; Bit(s) an Digitalinformationen mit einem einzigen Analogwert y&sub2; übertragen werden können.

5. Verfahren nach Anspruch 4, ferner dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Erhaltens des zweiten Analogwertes x&sub2; und der B&sub2; Bit(s) an Digitalinformationen das Unterziehen eines Quellsignals einer Transformation oder einer Teilband-Signalanalyse und das Bearbeiten des Ausgangssignals auf eine solche Weise beinhaltet, daß das Quelisignal mit dem zweiten Analogwert x&sub2; und den B&sub2; Bit(s) an Digitalinformationen repräsentiert werden kann, so daß eine Repräsentation des Quellsignals auf der Basis der Repräsentation des zweiten Analogwertes x&sub2; und der B&sub2; Bit(s) an Digitalinformationen, die anhand des Analogwertes y&sub2; erkannt wurden, generiert werden kann.

6. Verfahren nach Anspruch 5, ferner dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Analogwert x&sub2; eine Repräsentation einer Niederenergiekomponente des Quell signais umfaßt.

7. Verfahren nach Anspruch 5, ferner dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Analogwert x&sub2; eine Repräsentation einer Hochfrequenzkomponente des Quellsignals umfaßt.

8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 5, ferner dadurch gekennzeichnet, daß das Quellsignal ein Bildsignal oder ein Tonsignal ist.

9. System zur Übertragung von Analog/Digital- Hybridinformationssignalen, umfassend: ein System zum Empfangen eines ersten Analogwertes x&sub1;, der für eine erste Komponente eines Quellsignals repräsentativ ist, und zum Umsetzen des genannten ersten Analogwertes x&sub1; in ein Digitalsignal und in einen Analogwert y&sub1; gemäß einer Umsetzungsfunktion; und ein System zum Übertragen des genannten Digitalsignals und zum Übertragen des Analogwertes y&sub1;, so daß der Analogwert y&sub1; mit dem Digitalsignal decodiert werden kann, um eine Repräsentation des ersten Analogwertes x&sub1; zu erhalten, so daß eine Repräsentation der genannten ersten Komponente des genannten Quellsignals auf der Basis der Repräsentation des ersten Analogwertes x&sub1; generiert werden kann; wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß das genannte Digitalsignal B&sub1; Bit(s) an Digitalinformationen umfaßt, und dadurch, daß es ferner ein Mittel zum Erhalten des Analogwertes x&sub1; durch Unterziehen des Quellsignals einer Transformation oder Teilband-Signalanalyse umfaßt, um den Analogwert x&sub1; zu generieren, so daß eine Repräsentation des Quellsignals anhand der Repräsentation des Analogwertes x&sub1; synthetisiert werden kann.

10. System nach Anspruch 9, ferner dadurch gekennzeichnet, daß der Analogwert x&sub1; eine Repräsentation einer Hochenergiekomponente des Quellsignals beeinhaltet.

11. System nach Anspruch 9, ferner dadurch gekennzeichnet, daß der Analogwert x&sub1; eine Repräsentation einer Niederfrequenzkomponente des Quellsignals beinhaltet.

12. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner ein System zum Erhalten eines Analogwertes x&sub2; beinhaltet, das für eine zweite Komponente des genannten Quellsignals repräsentativ ist; ein System zum Umsetzen des genannten zweiten Analogwertes x&sub2; in einen Analogwert y&sub2; gemäß einer zweiten Umsetzungsfunktion, und zum Codieren von B&sub2; Bit(s) an Digitalinformationen in dem genannten Analogwert y&sub2;; und ein System zum Übertragen des Analogwertes y&sub2;, so daß eine jeweilige Repräsentation des zweiten Analogwertes x&sub2; und der B&sub2; Bit(s) an Digitalinformationen anhand des Analogwerts y&sub2; erkennbar sind, so daß der zweite Analogwert x&sub2; und die B&sub2; Bit(s) an Digitalinformationen mit einem einzigen Analogwert y&sub2; übertragen werden können.

13. System nach Anspruch 12, ferner dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Erhaltens des Analogwertes x&sub2; und der B&sub2; Bit(s) an Digitalinformationen das Unterziehen eines Quellsignals einer Transformation oder einer Teilband-Signalanalyse und das Bearbeiten des Ausgangs der Analyse beinhaltet, so daß das Quellsignal mit dem Analogwert x&sub2; und den B&sub2; Bit(s) an Digitalinformationen repräsentiert werden kann, so daß eine Repräsentation des Quellsignals auf der Basis einer Repräsentation des Analogwertes x&sub2; und der B&sub2; Bit(s) an Digitalinformationen, die anhand des Analogwertes y&sub2; erkannt wurden, generiert werden kann.

14. System nach Anspruch 12, ferner dadurch gekennzeichnet, daß der Analogwert y&sub2; eine Repräsentation einer Hochfrequenzkomponente des Quellsignals beinhaltet.

15. System nach Anspruch 12, ferner dadurch gekennzeichnet, daß der Analogwert y&sub2; eine Repräsentation einer Niederenergiekomponente des Quellsignals beinhaltet.

16. System zum Empfangen eines Übertragungssignals, das eine analoge/digitale Hybridrepräsentation eines ersten Analogwertes x&sub1; ist, der für ein Quellsignal repräsentativ ist, umfassend: ein System zum Empfangen des Übertragungssignals und zum Erhalten eines Analogwertes y&sub1; und eines Digitalsignals, das für den ersten Analogwert x&sub1; repräsentativ ist; ein System zum Generieren einer Repräsentation des ersten Analogwertes x&sub1; unter Verwendung des Digitalsignals und des Analogwertes y&sub1; gemäß einer Umsetzungsfunktion; und ein System zum Generieren einer Repräsentation einer ersten Komponente eines Quellsignals auf der Basis des genannten ersten Analogwertes x&sub1;, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Digitalsignal B&sub1; Bit(s) an Digitalinformationen umfaßt, und dadurch, daß die übertragene analoge/digitale Hybridrepräsentation durch Transformation oder Teilband-Signalanalyse des Quellsignals generiert wird.

17. System nach Anspruch 16 zum zusätzlichen Empfangen eines zweiten Übertragungssignals, das eine analoge Repräsentation eines zweiten Analogwertes x&sub2; und von B&sub2; Bit(s) an Digitalinformationen ist, die für ein zweites Quellsignal repräsentativ sind, wobei das genannte System ferner dadurch gekennzeichnet ist, daß das genannte Empfangssystem so angeordnet ist, daß es zusätzlich das zweite Übertragungssignal empfängt und einen Analogwert y&sub2; erhält, der für den Analogwert x&sub2; und die B&sub2; Bit(s) an Digitalinformationen repräsentativ ist; und dadurch, daß das genannte Analogwert-Generierungssystem zusätzlich eine Repräsentation des genannten zweiten Analogwertes x&sub2; und der B&sub2; Bit(s) an Digitalinformationen auf der Basis des Analogwertes y&sub2; gemäß einer zweiten Umsetzungsfunktion generiert; und dadurch, daß das genannte Quellsignalkomponenten-Generierungssystem zusätzlich eine Repräsentation der genannten zweiten Komponente des zweiten Quellsignals auf der Basis der Repräsentation des zweiten Analogsignals x&sub2; und der B&sub2; Bit(s) an Digitalinformationen generiert.

18. System nach Anspruch 17, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die übertragene Analogrepräsentation durch Transformation oder Teilband-Signalanalyse des Quellsignals generiert wird.

19. System nach einem der Ansprüche 9, 12 oder 16, ferner dadurch gekennzeichnet, daß das Quellsignal ein Bildsignal oder ein Tonsignal ist.

20. Verfahren nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, daß der durch Transformation oder Teilband- Signalanalyse erhaltene Wert mit einer durch einen Modulationsfaktor repräsentierten Modulationsfunktion moduliert und der Modulationsfaktor als Digitalinformationen zusammen mit dem modulierten Wert übertragen wird.

21. System nach Anspruch 9 oder 16, ferner dadurch gekennzeichnet, daß der durch Transformation oder Teilband- Signalanalyse erhaltene Wert mit einer durch einen Modulationsfaktor repräsentierten Modulationsfunktion moduliert und der Modulationsfaktor als Digitalinformationen zusammen mit dem modulierten Wert übertragen wird.

22. Verfahren nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die B&sub1; Bit(s) an Digitalinformationen Bereichswahlinformationen sind, die eine Decodierung von y&sub1; für den Erhalt von x&sub1; ermöglichen.

23. Verfahren nach Anspruch 9 oder 16, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die B&sub1; Bit(s) an Digitalinformation Bereichswahlinformationen sind, die eine Decodierung von y&sub1; für den Erhalt von x&sub1; ermoglichen.

24. Verfahren nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, daß x&sub1; in y&sub1; und die B&sub1; Bit(s) an Digitalinformationen gemäß einer Umsetzungsfunktion umgesetzt wird, so daß die Amplitude des Analogwertes y&sub1; größer ist als die Amplitude des ersten Analogwertes xl.

25. System nach Anspruch 9 oder 16, ferner dadurch gekennzeichnet, daß x&sub1; in y&sub1; und die B&sub1; Bit(s) an Digitalinformationen gemäß einer Umsetzungsfunktion umgesetzt wird, so daß die Amplitude des Analogwertes y&sub1; größer ist als die Amplitude des ersten Analogwertes x&sub1;.

26. Verfahren nach Anspruch 4, ferner dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil von B&sub1; durch wenigstens einen Teil von B&sub2; ausgedrückt wird.

27. System nach Anspruch 12 oder 17, ferner dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil von B&sub1; durch wenigstens einen Teil von B&sub2; ausgedrückt wird.

28. Verfahren nach Anspruch 4, ferner dadurch gekennzeichnet, daß x&sub2; und B&sub2; Bit(s) an Digitalinformationen in y&sub2; gemäß einer Umsetzungsfunktion umgesetzt werden, so daß die Amplitude des zweiten Analogwertes x&sub2; größer ist als die Amplitude des Analogwertes y&sub2;.

29. System nach Anspruch 12 oder 17, ferner dadurch gekennzeichnet, daß x&sub2; und B&sub2; Bit(s) an Digitalinformationen in y&sub2; gemäß einer Umsetzungsfunktion umgesetzt werden, so daß die Amplitude des zweiten Analogwertes x&sub2; größer ist als die Amplitude des Analogwertes y&sub2;.