DE19522590A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Zusatzdatenübertragung in TV-Kanälen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren der im Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1 näher definierten Art und eine Vorrichtung der Oberbegriff des Patentanspruchs 3 beschrie­ benen Art mit deren Hilfe es möglich ist, über einen TV-Kanal zusätzliche Daten zu übertragen. Solche Verfahren und Vorrichtungen sind z. B. für Audiodaten bekannt aus Gassmann/Eckert: "Das COM-System", Funkschau 1970, Heft 20, Seiten 689 bis 692 und Heft 21, Seiten 749 bis 750 und für Videodaten aus Langenkamp/Löwy: "Negatext-IC für Videotext und Grafik" RFE 1994 Heft 7, Seiten 18 bis 20.

Die Eigenschaften des FBAS-Signales (Farb-, Bild-, Ablenk- und Synchronsignal) lassen die Möglichkeit offen, weitere informationstragende Signale (Zusatzdaten) zu überlagern, wobei der Empfang des TV-Rundfunkprogramms nicht gestört werden darf. Während sich die meisten Veröffentlichungen nur mit einer Art von Zusatzdaten befassen, ist z. B. in Rudolf Meusel: "Fernsehtechnik", Hüttig 1991, im 9. Kapitel auf den Seiten 210 bis 227 die Übertragung mehrerer zusätz­ licher Prüf- und Datensignale beschrieben. Die Übertragung der Zusatzdaten erfolgt mit hoher Übertragungssicherheit und einer möglichst hohen Übertragungsrate.

Die Rundfunksatellitentechnik ermöglicht zwar den Empfang einer immer größeren Zahl von Fernsehprogrammen, bieten aber lokalen Programmanbietern wegen der großen Ausleucht­ zonen und der hohen Kosten keine Möglichkeiten für regio­ nale Dienste. Breitbandkommunikationsnetze sind dagegen für portable Geräte und Empfangsstellen mit großen Abständen ungeeignet. Die terrestrische Sendernetzinfrastruktur ent­ hält bereits überwiegend in den bildfreien Zeilen Prüfzei­ len und Videotext. Drahtlose Zusatzdienste scheitern viel­ fach an zu hohen Kosten für Fernsehstudios und Frequenz­ knappheit.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, die ungenützte Kanalkapazität des TV-Kanals noch optimaler zu nutzen und dabei hohe Übertragungssicherheit, hohe Übertragungsraten, hohe Systemvariabilität, störfreien Empfang des TV-Programms, die Überlagerung der Zusatzdaten ohne technischen Eingriff in die TV-Sendermodule und die Kompatibilität existierender TV-Geräte für PALplus, NTSC und SECAM zu gewährleisten.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit einem Verfahren, das im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 beschrieben ist.

Dieses Verfahren eignet sich mit seinen Elementen Aus zählen, Bewerten und Entscheiden ohne weiteres für eine zusätzliche Realisierung in Rechnern, die für Multimedia-Zwecke auch mit TV-Empfangskarten ausgerüstet sein können.

Eine vorteilhafte Weiterbildungsmöglichkeit des Verfahrens, mit dem neben dem senderseitigen Zusatz auch eine empfänger­ seitige hardwareseitige Realisierung erleichtert wird, ist im Kennzeichen des Patentanspruchs 2 beschrieben.

Eine geeignete Vorrichtung für eine hardwareseitige Realisierung, die als Zusatz für bestehende Sender und Empfänger des Bildrundfunknetzes geeignet ist, beschreibt das Kennzeichen des Patentanspruchs 3.

Eine vorteilhafte Anwendungsmöglichkeit der Erfindung ist im Patentanspruch 4 beschrieben.

Durch die Erfindung werden die informationstragenden Signale für die Zusatzdatenübertragung mit einer Über­ lagerungsschaltung so zusammengefügt, daß in allen farb- und bildsignalfreien Zeitabschnitten Signale programmiert positioniert werden können.

Das erfindungsgemäße Zusatzdatenübertragungssystem weist eine Reihe von Vorteilen auf. Durch die Auswahl mit Aus zählen und Bewerten kann bei der Entscheidung über die Nutzung der Zeitabschnitte für die Zusatzdatenübertragung so konfiguriert werden, daß keine Störungen beim Empfang des Fernsehrundfunks auftreten. Die Überlagerung und der Empfang der informationstragenden Zusatzdatensignale können mit kleinen, wenig aufwendigen Zusatzgeräten erfolgen. Die Übertragungsrate kann bei Bedarf an die Gegebenheiten des realen Kanals durch Programmierung angepaßt werden. Die Zu­ satzdatenübertragung wird mit Signalpegeln kleiner 20 mV realisiert, wodurch die Kompatibilität der handelsüblichen TV-Geräte gesichert ist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Beispiels und mit Bezug auf die zugehörenden Zeichnungen näher erläutert, wobei

Fig. 1 den sendeseitigen Zusatzdatenaddierer,

Fig. 2 den empfangsseitigen Zusatzdatenempfänger,

Fig. 3 das Signaldiagramm zur Überlagerung von FBAS-Signal und Zusatzdatensignal für den ersten Zeilentyp,

Fig. 4: das Signaldiagramm zur Überlagerung von FBAS Signal und Zusatzdatensignal für einen zweiten Zeilentyp,

Fig. 5 das Signaldiagramm zum Empfang des Zusatzdaten­ signals für den ersten Zeilentyp und

Fig. 6 das Signaldiagramm zum Empfang des Zusatzdaten­ signals für einen zweiten Zeilentyp darstellt.

Fig. 1 zeigt den datengesteuerten zeilenselektiven Spreizfolgengenerator 11, der ein Spreizfolgensignal sp und ein Spreizerlaubnissignal se ausgibt (Fig. 3 und 4), welches im Digital-Analog-Converter 8 in ein dreiwertiges Zusatzdatensignal der Pegel 0, + und - umgesetzt wird.

Das am Ausgang des Digital-Analog-Converters 8 enthaltene nicht bandbegrenzte Zusatzdatensignal wird durch die Wirkung des Sendefilters 9 auf die Videobandbreite begrenzt und im Addierer 10 mit dem FBAS-Signal des ersten bzw. eines anderen Zeilentyps überlagert. Der datengesteuerte zeilenselektive Spreizfolgengenerator 11 wird von den zu übertragenden Daten, die durch den im Signal-EPROM 3.2 abgelegten Datentakt aufgerufen werden, und durch die Zeitsteuersignale Bildimpuls BI, Zeilenimpuls ZI und dem Systemtakt ST der Sendersynchronisation 12 gesteuert.

Der Bildimpuls BI tritt zu Beginn eines jeden Bildes, der Zeitimpuls ZI zu Beginn einer jeden Zeile auf. Bildimpuls­ frequenz und Systemtaktfrequenz sind dabei phasenstarr mit­ einander gekoppelt. Mit dem Bildimpuls beginnend, werden im Zeilenzähler die Zeilen von 0 bis 624 gezählt. Da eine Rei­ he von Zeilen bezüglich der einzuführenden Zusatzdatensi­ gnale ähnliche Struktur aufweisen, wird mit der Zeilennum­ mer durch den Zeilentyp-EPROM 3.2 der Adreßbereich des Signal-EPROMs 3.1 angesprochen, der eine in die jeweilige Zeilenstruktur passende Signaleinfügung generiert.

In Fig. 3 sind im Boden des Synchronimpulses die Signale für sechs Datensymbole, hinter dem Farbburst die Signale für drei Datensymbole und auf der vorderen Schwarzschulter das Signal für ein Datensymbol eingefügt.

Für den in Fig. 4 dargestellten Zeilentyp sind im Boden des Synchronimpulses die Signale für sechs Datensymbole, auf der hinteren Schwarzschulter die Signale für acht Daten­ symbole und auf der vorderen Schwarzschulter das Signal für Datensymbol eingefügt. Da eine Reihe von Zeilen identische Strukturen besitzen, können für diese Zeilen identische Signalstrukturen im Signal-EPROM 3.1 abgelegt werden. Gleichzeitig werden durch den Taktzähler die Systemtakt­ flanken ST in der Zeit gezählt, z. B. 576 Takte je Zeile. Mit dem Systemtakt ST und der Auswahl des Zeilentyps ZT werden die vorher im Signal-EPROM 3.1 abgelegten Signale Spreizerlaubnis se, Spreizsignal sp und Datentakt zeitlich Systemtaktflanke für Systemtaktflanke ausgelesen und dem Digital-Analog-Converter 8 zugeführt.

Die Möglichkeit, die informationstragenden Zusatzdatensi­ gnale exakt in die gewünschten Zeitabschnitte des gesamten Bildes einpassen zu können, basiert auf der hochpräzisen Ableitung von Bildimpuls BI, Zeilenimpuls ZI und Systemtakt ST aus dem FBAS-Signal, welches in die Sendersynchronisa­ tion 12 eingespeist wird. Der Kern der Sendersynchronisa­ tion ist ein Synchronprozessor, z. B. der Schaltkreis TDA 9257, der einen Prozessortakt von 27 MHz, ein Horizontal­ signal HS und ein Vertikalsignal VS mit einem Jitter klei­ ner 5 ns zur weiteren Verarbeitung aus dem FBAS-Signal ab­ leitet. Diese Signale werden in den Baugruppen Teiler für Systemtakt 6, Bildimpulsdetektor 5 und Zeilenimpulsdetektor 7 in einer solchen Weise kombinatorisch und sequentiell miteinander verknüpft, daß zum Beispiel ein Systemtakt ST von 9 MHz mit 576 Systemtaktflanken je TV-Zeilensignal, der Zeilenimpuls ZI, welcher jede zeilenerste Flanke des Systemtaktes ST markiert und das Bildimpulssignal BI, welches jede bilderste Flanke des Systemtaktes markiert, erhalten wird.

Neben dem letztendlich zeitgesteuerten Aufruf der Signale Spreizerlaubnisse und Spreizsignal sp stehen die Signale BI, ZI und ST für die Anpassung zwischen Ausgabegeschwin­ digkeit der Datenquelle, deren Daten zu übertragen sind und dem Datentakt des datengesteuerten Zeilenselektiven Spreizfolgengenerators mit beispielsweise einem FIFO-Schaltkreis zur Verfügung.

Fig. 2 zeigt den empfangsseitig zu betreibenden Zusatzda­ tenempfänger, wobei die Verarbeitung der Signale im Empfän­ ger sowie die Signale zu dessen Steuerung in der Fig. 5 für den ersten Zeilentyp und in Fig. 6 für einen anderen Zeilentyp dargestellt ist. Dieser Zusatzdatenempfänger besteht aus der Empfängersynchronisation 21, dem zeilen­ selektiven Referenz-Spreizfolgengenerator 20 und dem Analogeingangsteil, der sich wiederum aus Klemmung 13, Begrenzerverstärker/Offsetkorrektur 14, Analog-Digital-Um­ setzer 14 und dem digitalen Korrelator 19 zusammensetzt.

Die Klemmung kann mit der Zählung der Taktflanken in der Zeile durch den Taktzähler 1 und das Auslesen des entspre­ chenden Speicherinhaltes aus dem Steuer- und Signal-EPROM 3.1 aktiviert werden. Nachdem die Summe von FBAS-Signal und Zusatzdatensignal die Klemmschaltung 13 passiert hat, erfolgt durch den Begrenzerverstärker 14 eine Verstärkung, Begrenzung und Offsetkorrektur in einer solchen Weise, daß der Wandlerbereich des nachfolgenden ADU optimal während des Vorhandenseins der Zusatzdatensignale genutzt wird, ohne daß Übersteuerungen auftreten können (Fig. 5 und 6).

Gesteuert wird diese Offsetkorrektur mit dem aus dem Steuer- und Signal-EPROM 3.1 ausgelesenen Signal Offset­ korrektur ok. Die Folge der Abtastwerte gelangt in einer bestimmten Wortbreite an den digitalen Multiplikator 16, wo das Ausgangssignal des Begrenzerverstärkers mit dem Refe­ renzsignal in Form der zugeführten Signale Spreizerlaubnis se und Spreizfolge sp in digitaler Form multipliziert wird.

Das Produkt wird nachfolgend durch den digitalen Integrator 17 integriert. Das Integrationsergebnis ist in analoger Darstellung in den Fig. 5 und 6 zu sehen. Die Freigabe des Integrators erfolgt durch die aus dem Steuer- und Signal-EPROM 3.1 ausgelesene Integrationserlaubnis ie, das Rück­ setzen durch das Integrator-Reset ir und die Entscheidung durch den Übernahmeimpuls ü. Bis auf die Tatsache, daß für den Empfangsvorgang nur ein Referenz-Spreizfolgensignal mit sp und se und die bereits benannten Steuersignale ie, ir, ü, ki und ok benötigt werden, entspricht der zeilenselek­ tive Referenz-Spreizfolgengenerator 20 dem datengesteuerten zeilenselektiven Spreizfolgengenerator 11.

Neben den letztendlich regenerierten Daten und aus dem Steuer- und Signal-EPROM 3.1 ausgelesenen regenerierten Datentakt (Fig. 5 und 6) stehen die Signale BI, ZI und ST für die Anpassung der Datenausgabegeschwindigkeit des Zusatzdatenempfängers an den Datentakt der nachfolgenden Datensenke mit beispielsweise einem FIFO-Schaltkreis zur Verfügung.

Für die Sendersynchronisation werden aus dem FBAS-Signal durch das Zusammenwirken des Synchronprozessors 4, des Teilers für Systemtakt 6, des Bildimpuls-Detektors 5 und des Zeilenimpuls-Detektors 7 die Signale Bildimpuls BI, Zeilenimpuls ZI und Systemtakt ST erhalten, wodurch eine exakte Positionierung des Zusatzdatensignals innerhalb des gesamten TV-Bildes mit einer Genauigkeit kleiner 5 ns ermöglicht wird.

Im datengesteuerten zeilenselektiven Spreizfolgengenerator 20 kann unter Benutzung der Signale Bildimpuls BI, Zeilen­ impuls ZI und Systemtakt ST, eines Zeilenzählers 2 und eines Taktzählers 1 das gesamte TV-Bild mit einem zeitli­ chen Raster von z. B. 111,1 ns vollständig durchadressiert werden, wodurch die Zusatzdatensignale, beliebig wählbar bzw. über EPROM programmierbar, in die TV-Bild-Struktur eingepaßt werden können. Wird über den Zeilenzähler 2 der Zeilentyp mit Hilfe eines Zeilentyp-EPROM 3.2 ausgewählt, kann der Speicherumfang für den Signalteil des Signal- und Steuer-EPROM 3.1 beträchtlich verringert werden.

Für die Empfangssynchronisation werden aus dem FBAS-Signal durch das Zusammenwirken des Synchronprozessors 4, des Teilers für Systemtakt 6, des Bildimpuls-Detektors 5 und des Zeilenimpuls-Detektors 7 die Signale Bildimpuls BI, Zeilenimpuls ZI und Systemtakt ST erzeugt, wodurch eine zeitlich exakte Positionierung des Referenzsignales für den Korrelationsempfang innerhalb des gesamten TV-Bildes mit einer Genauigkeit kleiner 5 ns möglich wird.

Unter Benutzung der Signale Bildimpuls BI, Zeilenimpuls ZI und Systemtakt ST, eines Zeilenzählers 2 und eines Taktzäh­ lers 1 kann das gesamte TV-Bild im zeilenselektiven Refe­ renz-Spreizfolgengenerator vollständig durchadressiert werden, wodurch die Zusatzdatensignale beliebig wählbar bzw. über EPROM programmierbar in der TV-Bild-Struktur durch den digitalen Korrelationsempfänger 19 empfangen werden können.

Mit der gleichen Präzision werden auch die Steuersignale Klemmimpuls ki, Offsetkompensation ok, Systemtakt zur AD-Umsetzung, Spreizerlaubnis se, Spreizsignal sp, Integra­ tionserlaubnis ie, Integratorreset ir und Übernahme ü, die für die Eingangsstufen, den ADU und digitalen Korrelations­ empfänger erforderlich sind, generiert.

Die Klemmung 13, die mittels einer exakten Zeitsteuerung durch den Klemmimpuls ki gewährleistet ist, ermöglicht die weitere optimale Verarbeitung des Gemisches aus FBAS-Signal und Zusatzdatensignal. Der Begrenzerverstärker/Offsetkom­ pensation 14 verstärkt dieses Gemisch in den Eingangsstufen so, daß während des Synchronimpulses der FBAS-Pegel, ge­ steuert durch das Signal Offsetkompensation, auf den Mittelwert von 0 Volt angehoben wird. Entsprechend des Pegels der Zusatzdatensignale erfolgt hier eine solche Verstärkung, daß der ADU-Eingangswandlerbereich einschließlich möglicher Rauschstörungen optimal ausgenutzt wird. Die Begrenzung des Verstärkers schützt den ADU vor Zerstörung in den Zeiten, da Chrominanz und Luminanz übertragen werden.

Die Übertragung der Zusatzdaten erfolgt unter Benutzung von Biphase-Signalen, so daß beim Empfang auch bei nicht exak­ ter Klemmung und Offsetkompensation eine Übertragung mit niedriger Fehlerrate mit Zusatzdatensignal-Pegeln von wenigen mV durch Mittelwertbildung infolge Integration mög­ lich wird.

Die Programmierbarkeit des Zusatzdatenübertragungssystems erlaubt die einfache Anpassung an SECAM, NTSC, PAL und PALplus.

Die Signale Bildimpuls BI, Zeilenimpuls ZI und Systemtakt ST stehen sowohl auf der Sendeseite als auch auf der Em­ pfangsseite für Geschwindigkeitsanpassungen zwischen Quelle und Übertragungssystem bzw. Übertragungssystem und Senke sowie für Rahmen- und Überrahmensynchronisation zur Verfü­ gung.

Bezugszeichenliste

Verzeichnis der verwendeten Bezugszeichen:
1 Taktzähler für Systemtakt ST
2 Zeilenzähler
3.1 auf der Sendeseite: Signal-EPROM
auf der Empfangsseite: Steuer- und Signal-EPROM
3.2 Zeilentyp-EPROM
4 Synchronprozessor
5 Bildimpuls-Detektor
6 Teiler für Systemtakt
7 Zeilenimpuls-Detektor
8 Digital-Analog-Converter mit Pegeleinstellung
9 Sendefilter
10 Addierer
11 Datengesteuerter Zeilenselektiver Spreizfolgegene­ rator
12 Sender-Synchronisation
13 Klemmung für FBAS-Signal
14 Begrenzerverstärker
15 Analog-Digital-Umsetzer
16 digitaler Multiplikator
17 digitaler Integrator
18 Entscheider
19 digitaler Korrelator
20 Zeilenselektiver Referenzspreizfolgen-Generator
21 Empfängersynchronisation
BI Bildimpuls
ZI Zeilenimpuls
ST Systemtakt
se Spreizerlaubnissignal
sp Spreizfolgensignal
ki Klemmimpuls
ok Offsetkompensation
ie Integrationserlaubnis
se Spreizerlaubnis
sp Spreizsignal
ü Übernahme
ir Integratorreset
ST Systemtakt zur AD-Umsetzung

Claims (4)

1. Verfahren zur Zusatzdatenübertragung in TV-Kanälen für Bildfunknetze, bei dem die Zusatzdaten vor dem Aussen­ den während nutzbildsignalfreier Zeiten zugeführt und nach dem Empfang vom FBAS-Nutzbildsignal getrennt werden, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl sende- als auch empfangsseitig die Takte für zusätzlich digital zu übertragende Video-Mailbox-, Steuer- und Audio-Daten aus dem Synchronsignal des FBAS-Nutzbildsignals erzeugt werden, indem

• - das FBAS-Nutzbildsignal in die Überlagerungsebene zum Zusatzdatenaddieren geführt und dabei, ausgehend von den Zeilenimpulsen (ZI), durch Auszählen und Bewerten informationsfreier Bereiche, je ein Signal Systemtakt (ST) und Bildimpuls (BI) für die Übertragung der Zusatzdaten abgeleitet werden,
• - die aus den Bild- und Tonsignalen bestehenden Zusatz­ daten digitalisiert, gespeichert, gepuffert, kompri­ miert und in größeren Zeitabständen im Datentakt (DT) der Zusatzdaten zeitmultiplex abgerufen werden,
• - die abgerufenen Zusatzdaten wechselweise im Zeitmulti­ plex mit Kopfdaten (Kennungen Bild/Ton, gültig/ungül­ tig) und Bild-Markier-Signal versehen und dem FBAS-Nutzbildsignal, vorzugsweise nach Bandbegrenzung, überlagert werden,
• - empfangsseitig in gleicher Weise wie beim ersten Ver­ fahrensschritt aus dem FBAS+Zusatzdatensignal wieder durch Auszählen und Bewerten je ein Signal Systemtakt
• - aus dem FBAS+Zusatzdatensignal durch Klemmen, Begrenzen und Analog/Digitalwandlung und anschließende digitale Korrelation und nachfolgende Entscheidung die regene­ rierten Daten der Zusatzsignale zurückgewonnen werden,
• - die Kopfdaten ausgewertet, die Zusatzdaten demultiple­ xiert und wieder in Video- und Audiodaten getrennt werden,
• - die Video- und Audiodaten getrennt dekomprimiert und digital/analog gewandelt und wiedergegeben werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für das Abrufen der Zusatzdaten, in informationsfreien Bereichen Spreizerlaubnissignale (se) und Spreizsignale (sp) gebildet werden, die empfangsseitig zurückgewonnen und durch zusätzlich abgeleitete Steuersignale für Integrationserlaubnis (ie) Integrationsreset (ir), Übernahme (ü), Klemmimpulse (ki) und vorzugsweise Offsetkompensation (ok) aus diesen Impulsen (ZI; ST und BI) ergänzt werden.

3. Vorrichtung zur Zusatzdatenübertragung in TV-Kanälen für Bildfunknetze, bei der Zusatzeinrichtungen für das Einfügen der Zusatzdaten im Sender und Zusatzeinrich­ tungen für das Wiedergewinnen der Zusatzdaten im Empfänger angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzeinrichtungen im Sender und Empfänger über einen hochgenauen Zeit­ bezug verfügen und daß sie Zähler zur Durchadressierung innerhalb eines TV-Bildes, Speicher zur Ablage der Signale in Abhängigkeit von den zu sendenden Daten und für ihre Einordnung in die Zeilen- und Bildstruktur enthalten und daß die Zusatzeinrichtungen im Empfänger einen Digitalen Korrelationsempfänger enthalten und über den dazu erforderlichen und erneut hergestellten hochgenauen Zeitbezug in den sendeseitig festgelegten Zeitabschnitten über das Signal durch Korrelations­ empfang entscheiden.

4. Anwendung eines Verfahrens zur Zusatzdatenübertragung in TV-Kanälen zur Übertragung von kommunalen Daten, insbesondere von Bildfunk-, Mailbox-, Steuer- und Audio-Signalen, die ähnlich einem Lichtbildvortrag aus wechselnden Standbildsignalen und Begleittonsignalen bestehen.