DE69316355T2

DE69316355T2 - Videosignalkodierung

Info

Publication number: DE69316355T2
Application number: DE69316355T
Authority: DE
Inventors: Way West Sussex Rh H Athelstan; Michael Croll; Moon Cottage Street End L Half; Graham Thomas
Original assignee: British Broadcasting Corp
Current assignee: British Broadcasting Corp
Priority date: 1992-04-27
Filing date: 1993-04-27
Publication date: 1998-04-30
Anticipated expiration: 2013-04-28
Also published as: GB9209052D0; WO1993022878A1; EP0638220A1; DE69316355D1; GB9411619D0; GB2277227B; AU4266693A; US5561463A; EP0638220B1; GB2277227A; JPH07506232A

Description

Hintergrund der Erfindung

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Videosignalkodierung.
Die zusammengesetzte bzw. gemischte PAL-Videokodiernorm weist eine Reihe von Beschränkungen auf, die die Bildqualität einschränken, die solch ein Signal übermitteln kann. Diese Beschränkungen sind wohlbekannt; sie schließen eine begrenzte Luminanz-(Helligkeits-)auflösung und Chrominanz-(Farbart-)auflösung, ein Übersprechen der Chrominanz auf die Luminanz (cross-color) und der Luminanz auf die Chrominanz (cross-luminance) ein.
Man kennt verschiedene Verfahren, die auf eine Verbesserung der mit einem PAL- Signal übertragbaren Bildqualität abzielen. Zum Beispiel können mehrdimensionale Filterverfahren eingesetzt werden, um dabei zu helfen, Chrominanz- und Luminanzinformation zu trennen, wie in dem BBC Forschungsabteilungsbericht Nr.1975/36, "The filtering of luminance and chrominance to avoid cross-color in a PAL color system", beschrieben. Dieser Ansatz verringert erheblich die Folgen eines Übersprechens auf das Chrominanzsignal und auf das Luminanzsignal, kann diese jedoch nicht vollständig beseitigen; er erzwingt auch die Verwendung von Luminanz- und Chrominanz-Durchlaßbereichen, die eine suboptimale Form besitzen.
Ein anderes bekanntes Verfahren zur Verbesserung der Qualität eines PAL-Signals ist das sogenannte phasengesonderte bzw. -getrennte PAL oder "Weston"-Clean PAL, wie im BBC Forschungsabteilungsbericht Nr.1980/1, "Weston Clean PAL" beschrieben; siehe auch die britischen Patente GB-A-1,534,268, GB-A-1,534,269 und GB-A-1,534,270. Dieses Kodierverfahren trennt die Luminanz- und Chrominanzinformation über die Phase anstatt über die Frequenz und ermöglicht somit eine perfekte Trennung der zwei Signale und beseitigt so Übersprecheffekte. Es ermöglicht auch ein erhebliches Maß an Flexibilität bei der Auswahl der Formen der Durchlaßbereiche der Luminanz- und Chrominanzsignale. Insbesondere kann der Luminanzteil des Signals Teilbilder (samples) mit einer Rate bzw. Frequenz von dem Doppelten der Farbhilfsträgerfrequenz tragen, und zwar bei vernachlässigbarem Übersprechen zwischen Teilbildern, und kann so die Verwendung von sogenannten Spektrum-Faltverfahren erlauben. Das Gesamtspektralvolumen bzw. die Gesamtspektralbandbreite des Luminanzsignals ist jedoch auf das Äquivalent eines Signals begrenzt, das eine Bandbreite besitzt, die gleich der Farbhilfsträgerfrequenz ist. Die Auflösung des Chrominanzsignals kann jedoch erhöht werden, indem man die Gesamtbandbreite des zusammengesetzten Signals bzw. Signalgemischs vergrößert.
Bin drittes Verfahren ist zur Verwendung in Situationen vorgeschlagen worden, in denen die Bandbreite des zusammengesetzten Signals über den herkömmlichen Wert von etwa 5,5 MHz hinaus erhöht werden kann. (Die numerischen Zahlenwerte in dieser Patentbeschreibung sind in beispielhafter Weise angeführt und beruhen auf der PAL System 1 Fernsehnorm.) Dieses Verfahren, das auch als erweitertes PAL (extended PAL) bekannt ist, wird in dem BBC Forschungsabteilungsbericht Nr. 1981/11, "An extended PAL system for high-quality television" beschrieben; siehe auch die britische Patentschrift GB-A-2,101,835. Bei diesem Verfahren wird ein zusätzliches Signal, das eine hochfrequente Luminanzinformation trägt, oberhalb des Frequenzbandes angeordnet, das die Chrominanzinformation trägt, und oberhalb der Hilfsträgerfrequenz, die verwendet wird, um das Tonsignal zu tragen. Luminanzsignale, die eine Horizontalbandbreite von mehr als etwa 3,5 MHz aufweisen, werden vor der Übertragung von dem normalen niederfrequenten Luminanzsignal getrennt und um die Hilfsträgerfrequenz frequenzverschoben. Übersprecheffekte werden praktisch beseitigt, weil es nur einen sehr geringen Überlapp zwischen Chrominanz- und Luminanzsignalen gibt. Die Horizontalauflösung des mit einem solchen Verfahren übertragbaren Luminanzsignals wird durch die zur Verfügung stehende Bandbreite des Kanals bestimmt und ist gleich der Kanalbandbreite minus der Farbhilfsträgerfrequenz. Obwohl das System im Vergleich zu anderen PAL-Kodierverfahren eine größere Luminanzbandbreite bietet, besitzt es nicht die Flexibilität bei der Gestaltung der Form des Luminanz-Durchlaßbereiches, die beim Weston-Clean-PAL besteht. Es macht auch suboptimalen Gebrauch von der zur Verfügung stehenden Bandbreite, weil zwischen den verschiedenen Teilen des Signalspektrums Lücken übrigbleiben müssen.
Ein viertes Verfahren, das als verbessertes (enhanced) oder als kompensiertes (compensated) Weston-Clean-PAL bekannt ist, wird in unserer britischen Patentschrift GB-A-2, 115,638 beschrieben. In diesem Verfahren wird ein "Ausgleichssignal" gebildet, das aus denjenigen Teilen des Luminanz- und Chrominanzsignalspektrums besteht, die ein Weston-Clean-PAL-Signal nicht darstellen kann. Das Kompensationssignal bzw. Ausgleichssignal besteht aus einer hochfrequenten Vertikalluminanzinformation, die eine Horizontalfrequenz zwischen 3,3 MHz und 5,5 MHz besitzt, aus einer hochfrequenten Vertikalchrominanzinformation, die eine Horizontalbandbreite von 0 bis 1,1 MHz besitzt, sowie aus einer Gesamtchrominanzinformation, die eine Horizontalbandbreite zwischen 1,1 und 2,2 MHz besitzt. Die Luminanz- und Chrominanzausgleichssignale werden unter Verwendung eines zweiten Weston-PAL-Assemblers zu einem Signal kombiniert bzw. vereinigt und das kombinierte bzw. vereinigte Signal wird auf einen Träger bei der zweifachen Hilfsträgerfrequenz moduliert. Das Ausgleichssignal wird bei dem Decoder unter Verwendung von einfachen Tiefpaß- und Hochpaßfiltern von dem normalen Weston-PAL-Signal getrennt. Dieses Verfahren ist auf die Bereitstellung einer Horizontalauflösung bis zu 5,5 MHz begrenzt und kann nicht von der Flexibilität eines einfachen Weston- PAL-Kodiersystems Gebrauch machen, um die Optimierung der Form des Luminanz- Durchlaßbereiches unter Verwendung einer Spektrumfaltung zuzulassen. Außerdem erfordert es die Verwendung von scharfkantigen bzw. steil abfallenden Bandpaßfiltern, um die normalen Signale und die Ausgleichssignale voneinander zu trennen. Steil abfallende Bandpaßfilter müssen sowohl im Coder als auch im Decoder verwendet werden, damit die normalen und kompensierten bzw. ausgeglichenen Signale kombiniert bzw. vereinigt werden können, um eine perfekte Rekonstruktion bzw. Wiederherstellung des Originalsignais zu ergeben.

Zusammenfassung der Erfindung

Diese Erfindung wird in ihren zahlreichen Gesichtspunkten bzw. Ausführungsformen in den beigefügten Patentansprüchen festgelegt, auf die nun Bezug genommen werden sollte. Vorteilhafte Merkmale der Erfindung werden in den beigefügten Patentansprüchen dargelegt.
Ein PAL-Kodierverfahren, das die vorliegende Erfindung verkörpert und das nachfolgend ausführlicher beschrieben wird, vereinigt die Vorteile einer Weston-PAL- Kodierung mit den Vorteilen des erweiterten PAL (extended PAL). Es verbessert auch das Verfahren des verbesserten oder kompensierten Weston-Clean-PAL, indem die Notwendigkeit von irgendwelchen steil abfallenden Filtern beseitigt wird und indem es eine größere Flexibilität bei der Bestimmung der Form der Luminanz- und Chrominanz-Durchlaßbereiche erlaubt. Es zielt insbesondere auf die Kodierung von Videosignalen in einer Studioumgebung ab, in der bestehende Signaiwege bzw. Signalleitungen Signale übertragen können, die eine größere Bandbreite aufweisen als ein herkömmliches PAL-Signal. Insbesondere ist das vorgeschlagene System gut abgestimmt auf eine digitale Misch-Videoausrüstung (digital composite video equipment), die bei der vierfachen Abtastrate der Farbhilfsträgerfrequenz (nachfolgend 4fsc genannt, für "four times the color subcarrier frequency") betrieben wird. Wenn es zusammen mit solch einer Ausrüstung eingesetzt wird, kann es einen im wesentlichen transparenten bzw. durchlässigen Kanal bzw. Übertragungskanal für eine bei einer Rate von 3fsc abgetastete Luminanz und eine mit 4fsc abgetastete Chrominanz zur Verfügung stellen, und zwar in einer solchen Art und Weise, daß das kodierte Signal unter Verwendung eines herkömmlichen PAL-Decoders dekodiert bzw. entschlüsselt werden kann, um ein akzeptables "kompatibles" Bild für Videoüberwachungszwecke zu erzeugen. Die Verwendung des vorgeschlagenen Kodiersystems ermöglicht es einer solchen Mischstudioausrüstung Signale zu erzeugen, deren Qualität besser auf die von verbesseren Übertragungsverfahren wie beispielsweise MAC oder PALplus abgestimmt ist, insbesondere dann, wenn Bilder verwendet werden, die ein Bildseitenverhältnis von 16:9 besitzen.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besitzt das kodierte Signal eine Bandbreite von 2fsc und überträgt Luminanzsignale mit einer Spektralbandbreite bzw. einem Spektralvolumen, die bzw. das einer Bandbreite von 3fsc/2 entspricht, sowie Chrominanzsignale mit einer Spektralbandbreite, die fsc/2 entspricht. Dies wird dadurch erreicht, daß das Luminanzspektrum in zwei Signale geteilt wird; eines, das die unteren zwei Drittel des Spektrums überträgt, und das andere, das das obere Drittel überträgt. Das niederfrequente Luminanzsignal wird in der gleichen Art und Weise behandelt wie bei einem herkömmlichen Weston-PAL-Coder. Das Hochfrequenzsignal wird mit dem Chrominanzsignal in solch einer Weise kombiniert, daß es den oberen Teil eines kombinierten bzw. zusammengesetzten Spektrums einnimmt, während das Chrominanzsignal den unteren Teil einnimmt. Dieses kombinierte Signal wird dann bei der Hilfsträgerfrequenz fsc moduliert und dann in der gleichen Weise wie das Chrominanzsignal bei einem herkömmlichen Weston-PAL-Coder behandelt. Die Trennung des Luminanzsignals in zwei Teile wird unter Verwendung des bekannten Verfahrens einer Unterband-Kodierung erreicht. Das Hochfrequenz-Luminanzsignal wird mit dem Chrominanzsignal unter Verwendung eines Verfahrens kombiniert, das von dem Prinzip einer Unterband-Kodierung abgeleitet wurde.
Somit wird das Spektrum bis zu 2fsc sehr effizient ausgenutzt, ohne die Notwendigkeit von Lücken zwischen den verschiedenen Teilen des Signalspektrums.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Diese Erfindung wird nun ausführlicher und in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben werden, in denen:
Figur 1 ein Blockdiagramm eines bekannten Weston-Clean-PAL-Coders und -Decoders darstellt;
Figur 2 ein Blockdiagramm eines Encoders und Decoders gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt, wobei Vor- und Nachfilter ausgelassen wurden;
Figur 3 eine Erklärung des Verfahrens einer inversen Unterband-Kodierung ist;
Figur 4 eine Darstellung des Spektrums des kodierten Videosignals gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
Figur 5 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Coders ist, der ausschließlich eine Verarbeitung bei einer Taktrate von 4fsc verwendet;
Figur 6 ein Blockdiagramm einer Ausführungsforrn eines erfindungsgemäßen Decoders, der ausschließlich eine Verarbeitung bei einer Taktrate von 4fsc verwendet;
Figur 7 ein Blockdiagramm eines Coders bzw. Encoders in einer modifizierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
Figur 8 ein Blockdiagramm eines Decoders entsprechend dem Coder bzw. Encoder aus Figur 7 ist; und
Figur 9 eine Darstellung ist, die ein Beispiel zeigt, wie das Luminanzspektrum eines Signals in niederfrequente und hochfrequente Teile unter Verwendung von zweidimensionalen Unterband-Filtern geteilt werden kann.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Weil die vorliegende Erfindung eine Erweiterung des zuvor beschriebenen Weston (oder "phasengesonderten" )-Clean-PAL-Kodierverfahrens betrifft, wird zunächst eine kurze Zusammenfassung dieses Verfahrens gegeben werden.
Figur 1 zeigt ein Blockdiagramm eines Weston-Clean-PAL-Coders 10 und Decoders 50, die bei einer Abtastfrequenz von 4fsc betrieben werden. Der Coder 10 besitzt Eingänge 12, 14 bzw. 16 zum Empfangen des Luminanzsignals Y und der Chrominanz-Komponentensignale U bzw. V. Mit jedem Eingang ist ein entsprechender Tiefpaß-Vorfilter 18, 20, 22 verbunden, und mit den Ausgängen der Tiefpaßfilter 20, 22 für die Chrominanzkomponente ist eine Schaltung 24 verbunden, die das Signal U ± V bildet, wobei das Plus- oder Minuszeichen von dem PAL-Schaltsignal für die V-Achse abhängt. Das Luminanzsignal von Tiefpaßfilter 18 wird an eine Abtastschaltung angelegt, die mit 2fsc abtastet, und das abgetastete Signal wird dann an einen ersten Filter F1 angelegt. Das U ± V-Signal von Schaltung 24 wird an eine Abtastund Modulationsschaltung 28 angelegt, die bei 2fsc abtastet und die Chrominanz auf einen fsc-Hilfsträger gibt. Die Ausgangsgröße der Abtast- und Modulationsschaltung 28 wird an einen Addierer 30 angelegt. Der Addierer 30 stellt ein kodiertes Weston- PAL-Signal zur Verfügung, das über eine Übertragungsleitung 32 übertragen werden kann.
Der Decoder 50 besitzt Filter F3, F4, die mit der Übertragungsleitung 32 verbunden sind, um das kodierte Weston-PAL-Signal zu empfangen. Die Ausgangsgröße von Filter F3 wird in einem Sampler bzw. Abtaster 52 mit 2fsc abgetastet, und die Ausgangsgröße wird an einen Nachfilter 56 angelegt, der das Luminanz-Ausgangssignal erzeugt. Das Ausgangssignal von Filter F4 wird demoduliert und in einer Abtast/Demodulationsschaltung 54 abgetastet und das Ausgangssignal an einen Vertikaltiefpaß- Nachfilter 58 weitergeleitet, der das U-Komponentenausgangssignal erzeugt, sowie über eine V-Achsen-Umschaltschaltung 60 an einen Vertikaltiefpaß-Nachfilter 62, der das V-Komponentenausgangssignal erzeugt.
Die Filter F1 und F2 und die zugeordneten Abtaster 26, 28 sowie der Addierer 30 in dem Coder 10 werden als der "Assembler" bezeichnet; die Filter F3 und F4 und die zugeordneten Abtaster 52, 54 in dem Decoder werden als der "Teiler" bezeichnet. Diese erlauben es, daß abgetastete Luminanz- und Chrominanzsignale ohne Wechselwirkung in einem Signal übertragen werden können, was einem herkömmlichen PAL sehr stark ähnelt. Es ist die Aufgabe der Vorfilter 18, 20, 22 und der Nachfilter 56, 58, 62 es zu ermöglichen, daß diese Signale in einer optimalen Art und Weise verwendet werden können, um die geforderte Auflösung zu übertragen.
Beim Betrieb eines herkömmlichen Weston-PAL-Coders wird das ankommende Luminanzsignal digitalisiert, vorgefiltert und mit bzw. bei 2fsc abgetastet. Die ankommenden Chrominanzsignale werden ebenfalls digitalisiert, vorgefiltert und zeilengemultiplext bzw. zeilengebündelt (U+V, U-V). Das sich ergebende Chrominanzsignal wird dann bei fsc moduliert.
Die zwei abgetasteten Signale werden mit Hilfe der Digitalfilter F1 und F2 gefiltert, deren Ausgangssignale in dem Addierer 30 addiert werden. Die Kennwerte dieser Filter werden so ausgewählt, daß sie, wenn sie hintereinander in Reihe mit den Decoderfiltern F3 und F4 geschaltet werden, die Chrominanz- und Luminanzsignale mit Hilfe der Phase anstatt der Frequenz trennen. Sie sind auch so ausgelegt, daß das kombinierte bzw. zusammengesetzte Luminanz- und Chrominanzsignal einem herkömmlichen PAL-Signal sehr stark ähnelt. Jeder Filter nimmt Signalbeiträge von zwei aufeinanderfolgenden Videozeilen auf. In dem Decoder wirken die zwei Filter F3 und F4 in einer solchen Art und Weise auf das kombinierte Signal ein, daß ihre Ausgangssignale, sobald sie bei 2fsc abgetastet und bei fsc demoduliert worden sind, in der beschriebenen Weise die Luminanz- und Chrominanzsignale Y, U bzw. V reproduzieren. Für den Fall der Luminanz werden die Original-2fsc-Teilbilder genau reproduziert; die Chrominanzsignale sind jedoch auf die Größe der Kanalbandbreite oberhalb fsc bandbreitenbegrenzt.
Eine perfekte Wiederherstellung der Luminanz- und Chrominanzsignale wird sichergestellt, falls die folgenden Beziehungen erfüllt sind:
1) F1.F3 = N&sub1; + jS&sub3;
2) F2.F4 = N&sub2; + jS&sub4;
3) F1.F4 = jS&sub1; + A&sub1;
4) F2.F3 = jS&sub2; + A&sub2;
wobei N&sub1; und N&sub2; Nyquist-Filter darstellen, die jeweils die Beziehung erfüllen:
N(fsc + f) = 1 - N(fsc - f),
wobei S&sub1; und S&sub2; Filter mit einem um fsc symmetrischen Ansprechen bzw. Frequenzgang sind, die jeweils die Beziehung erfüllen:
S(fsc + f) = S(fsc - f),
und wobei A&sub1; und A&sub2; Filter darstellen, deren Ansprechen bzw. Frequenzgang antisymmetrisch bezüglich der Trägerfrequenz ist, d.h.:
A(fsc + f) = - A(fsc - f).
Die Bedingungen 3 und 4 stellen sicher, daß der Wiederabtastvorgang (re-sampling) in dem Teiler, falls er mit gleicher Phase wie die Abtastung in dem Assembler abläuft, ein Luminanz-Chrominanz-Übersprechen verhindern wird, weil solche Signale sich in Quadratur bzw. um 90º außer Phase zu der Abtastphase befinden werden. Außer daß diese Kriterien erfüllt sein müssen, müssen die Filter außerdem eine Verkämmungswirkung (combing action) in dem Chrominanzbereich besitzen, so daß das zusammengesetzte Signal einem PAL-Signal sehr stark ähnelt. Insbesondere sollte der Filter F2 bei fsc ein Vertikalansprechen bzw. einen vertikalen Frequenzgang entsprechend einem Filter besitzen der über eine Zeilenverzögerung (mit Koeffizienten von 1/2, 1/2 auf aufeinanderfolgenden Halbbildzeilen) addiert, um das U ± V-Chrominanzsignal in eine herkömmliche PAL-Chrominanz umzuwandeln. Weitere Details des Weston-Assemblers und -Teilers kann man in unserer britischen Patentschrift GB-A-2,253,538 finden, die am 9. September 1992 veröffentlicht wurde.
In einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Coders, wie in Figur 2 dargestellt, wird das Luminanzsignal bei 3fsc abgetastet, und zwar nach einer anfänglichen Vorfilterung auf eine Bandbreite, die von einer Abtastrate von 3fsc getragen werden kann, anstatt der 2fsc bei der Realisierung des zuvor beschriebenen Weston-Clean-PAL. Dies spiegelt die nun zugänglich gewordene größere Luminanzbandbreite wider. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurden in der Figur 2 die Schritte einer Digitalisierung, Vorfilterung und Abtastung ausgelassen, so daß der obere Teil von Figur 2 einfach die Bauelemente zeigt, die die Filter F1, F2 und den Addierer 30 aus Figur 1 ersetzen, und der untere Teil von Figur 2 die Bauelemente zeigt, die die Filter F3 und F4 aus Figur 1 ersetzen. In einer einfachen Ausführungsform erfolgt die Vorfilterung einfach horizontal (d.h. eindimensional) und besteht aus einem Tiefpaßfilter mit einer Grenzfrequenz von 3fsc/2. Es ist jedoch auch möglich, mehrdimensionale Filter zu verwenden, um die räumlich-zeitliche Form des Durchlaßbereiches zu verändern, wie es auch bei einem herkömmlichen Weston-Clean-Pal bei 2fsc vorgenommen werden kann. Dieses Verfahren ist wohlbekannt und wird oft als Sub-Nyquist-Abtastung oder Spektrumfaltung bezeichnet; ein Beispiel für seine Verwendung im Zusammenhang mit Weston-Clean-PAL wird in dem Aufsatz "Compatible enhancement of terrestrial PAL TV transmission" von J.O. Drewery et al., IBC'90, LEE Conference Publication No. 327, Seiten 60-64 dargestellt. In der bevorzugten Ausführungsform besitzt das 3fsc-Abtastgitter eine Quincunx-Anordnung (fünfzählige Anordnung, d.h. vier Gitterpunkte bilden die Ecken eines Quadrates, der fünfte Gitterpunkt befindet sich symmetrisch dazwischen) innerhalb eines Halbbildes und besitzt ein Wiederhol-Zeitintervall von vier Halbbildern, was einer horizontal-komprimierten Version des 2fsc-Abtastmusters ähnelt, das bei einem herkömmlichen Weston-Clean-PAL verwendet wird, andere Gitter können ebenfalls verwendet werden (deren Gegenstand der gleichen Abtastrate ausgesetzt wird), um die Verwendung von Durchlaßbereichen mit anderen Formen bzw. Gestalten zu ermöglichen.
Das bei 3fsc abgetastete Luminanzsignal, das am Eingang 100 empfangen wird, wird in einem Luminanz-Unterbandteiler 102 in zwei Signale geteilt, wobei ein Teil den niederfrequenten Teil des Spektrums des Signals bis zu fsc und der andere Teil die höheren Frequenzen von fsc bis 3fsc/2 darstellt. Diese zwei Signale werden bei 2fsc bzw. fsc abgetastet. Man kann diese Frequenzteilung unter Verwendung von sogenannten "Unterband"-Filtern erreichen, die es erlauben, ein Signal in zwei Frequenzbänder zu teilen, die bei geeignet niedrigeren Abtastraten wieder abgetastet (resampled) werden können. Somit wird das Signal in dem Teiler 102 an einen Niederfrequenz-Decoder 104 angelegt, der zuerst die Abtastfrequenz verdoppelt (Up 2), dann eine Tiefpaß-Filterfünktion anwendet und schließlich die Abtastfrequenz durch drei teilt (Down 3). In gleicher Weise wendet ein Hochfrequenz-Coder 106 eine Hochpaß-Filterfunktion auf das 3fsc-Eingangssignal an, und teilt dann die Abtastrate durch drei (Down 3). Die Kennwerte der Filter sind so, daß das Originalsignal genau reproduziert bzw. wiederhergestellt wird, wenn die abgetasteten Signale anschließend aufwärts-abgetastet (up-sampled) und gefiltert und dann zueinander addiert werden. Für weitere Informationen betreffend solche Filter wird zum Beispiel auf Pearson, D.E. (Herausgeber), Image Processing, McGraw Hill, 1990 verwiesen. Die Filter, die verwendet werden, um ein Signal in zwei getrennte Frequenzbänder zu teilen, bevor sie unter-abgetastet (subsampling) bzw. mit niedrigerer Abtastfrequenz abgetastet werden, werden als Analysefilter bezeichnet. Die Filter, die verwendet werden, um das Signal nach einer Aufwärts-Umwandlung (up-sampling) wieder herzustellen, werden als Synthesefilter bezeichnet. Die Luminanz-Unterbandteilungsfilter können horizontale, eindimensionale Filter sein, wobei in diesem Fall dann die Teilung bei fsc erfolgen wird; alternativ können zweidimensionale Filter verwendet werden.
Um die ungleiche Bandteilung zu erreichen (Teilung des Luminanz-Durchlaßbereiches in die unteren zwei Drittel und das obere Drittel), sind zwei verschiedene Ansätze möglich. Ein Ansatz besteht darin, dafür zu sorgen, daß das Luminanzsignal am Eingang zu den Unterband-Analysefiltern bei einer Abtastrate von 3fsc vorliegt, und Unterbandfilter zu verwenden, die zur Ausführung von ungleichen Teilungen ausgelegt sind. Ein Verfahren zur Auslegung solcher Filter wird in dem Aufsatz "Matrix convertion for improvement of vertical-temporal resolution in letter-box wide-aspect TV" von N. Suzuki et al., SMPTE Journal, Band 100, Nr.2, Februar 1991, Seiten 104-110 beschrieben. Ein anderer Ansatz besteht darin, für das Luminanzsignal am Eingang zu den Unterband-Analysefiltern eine Abtastrate von 4fsc zu verwenden sowie Unterbandfilter, die zur Teilung eines Signais in zwei gleiche Teile ausgelegt sind. Entwurfmethoden für solche Filter sind wohlbekannt und befinden sich im allgemeinen in einem besseren Entwicklungszustand als zur Auslegung von Filtern für ungleiche Teilungen. Das Ausgangssignal des Hochpaß-Unterbandanalysefilters wird dann um einen weiteren Faktor von zwei über und oberhalb der herkömmlichen 2:1-Unterabtastung (subsampling) unter-abgetastet, die nach solch einem Analysefilter verwendet wird. Ein richtiger Betrieb des Coders beruht dann darauf, daß der Luminanz-Vorfilter Energie von demjenigen Teil des Spektrums entfernt, der nicht mit dieser niedrigeren Abtastrate getragen bzw. übertragen werden kann. In der Tat kann der Vorfilter in dem Signalweg für den Hochpaß-Unterbandanalysefilter anstatt in dem Signalweg, der sowohl die Hochpaßfilter als auch Tiefpaßfilter versorgt, angeordnet werden, weil er nur einen geringen oder überhaupt keinen Einfluß in dem Bereich des Spektrums besitzt, der von dem Tiefpaß-Analysefilter durchgelassen wird. Ein richtiger Betrieb beruht auch darauf, daß die Tiefpaß- und Hochpaßunterbandfilter einen Frequenzgang besitzen, der für Frequenzen jenseits von 3fsc/2 im wesentlichen eins bzw. null entspricht.
Die ankommenden Farbdifferenzsignale U und V werden kombiniert bzw. vereinigt, um ein gewichtetes Signal von U+V und U-V auf alternierenden Zeilen zu bilden, wie bei einem herkömmlichen Weston-PAL-Coder. Das sich ergebende Chrominanzsignal wird dann vorgefiltert und bei fsc abgetastet, anstatt daß es wie bei einem herkömmlichen Weston-Coder bei fsc moduliert wird. Diese Schritte sind in Figur 2 nicht dargestellt, man kann sie jedoch im Wege einer Analogie zur Figur 1 erkennen. Wie auch beim Luminanzsignal kann die Vorfilterung einfach eindimensional sein, oder es können Sub-Nyquist-Abtastverfahren verwendet werden, damit die Form des Spektralvolumens des Chrominanzsignals optimiert werden kann. Für den Fall einer eindimensionalen Filterung kann man eine horizontale Bandbreite von fsc/2 erzielen.
Das an dem Eingang 101 empfangene, abgetastete Chrominanzsignal und das abgetastete hochfrequente Luminanzsignal, jeweils bei fsc abgetastet, werden dann in einem Chrominanz- und Hochfrequenz-Luminanzkombinator 108 unter Verwendung eines Verfahrens, das wir als "inverse Unterbandkodierung" bezeichnet haben, zu &inem Signal bei 2fsc kombiniert bzw. vereinigt. Dieses Verfahren beruht auf den Prinzipien der zuvor beschriebenen Unterband-Kodierung. Während eine Unterband- Kodierung verwendet werden kann, um ein Signal in zwei getrennte Signale zu teilen, die anschließend rekombiniert bzw. wiedervereinigt werden, kann eine inverse Unterband-Kodierung verwendet werden, um zwei getrennte Signale in einer solchen Art und Weise zu kombinieren, daß sie anschließend perfekt getrennt werden können, wie zuvor beschrieben. Ein "inverser Unterband-Coder" ist somit das gleiche wie ein "Unterband-Kombinator", und ein inverser Unterband-Decoder" ist das gleiche wie ein "Unterband-Teiler".
Man kann das Prinzip einer inversen Unterband-Kodierung einfach verstehen, indem man zwei hintereinander geschaltete bzw. kaskadierte Unterband-Coder-Decoderpaare annimmt, die in Figur 3 gezeigt sind. Figur 3 zeigt ein erstes Unterband-Coder-Decoderpaar 200 sowie ein zweites Unterband-Decoderpaar 202. Das erste Paar 200 umfaßt einen Eingang 204, der mit einem Tiefpaßfilter 206 verbunden ist, sowie einen Hochpaßfilter 208. Jeder von diesen ist mit einem jeweiligen Abwärts-Abtaster (down-sampler) 210, 212 verbunden, der seinerseits mit einem entsprechenden Aufwärts-Abtaster (up-sampler) 214, 216 verbunden ist. Der Aufwärts-Abtaster 214 ist über einen Tiefpaßfilter 218 mit einem Eingang eines Addierers 220 verbunden, und der Aufwärts-Abtaster 216 ist über einen Hochpaßfilter 222 mit dem Addierer 220 verbunden. Das zweite Paar ist identisch und trägt in Figur 3 die gleichen Bezugszeichen und zwar unter Hinzufügung des Zusatzes A.
Unter der Annahme, daß jeder Unterband-Decoder eine perfekte Wiederherstellung des Signals an dem Eingang des Coders ergibt, muß dann eindeutig das Eingangssignal (b) für den zweiten Unterband-Coder das gleiche sein, wie das Signal (a) an dem Eingang des ersten. Daraus folgt deshalb, daß das Signal (c) am Eingang des Aufwärts-Abtasters 214 in dem Niederfrequenz-Signalweg in dem ersten Unterband-Decoder gleich dem Signal (d) am Ausgang des Abwärts-Abtasters 210A in dem gleichen Zweig des folgenden Coders ist. Mit einer ähnlichen Begründung müssen die Signale an den Punkten e und f gleich sein. Wir haben die Aufwärts-Abtaster 214, 216 und Filter 218, 222, die die Signale (c) und (e) kombinieren, um (b) zu erzeugen, als einen inversen Unterband-Coder bezeichnet, und die Filter 206A, 208A und Abwärts-Abtaster 210A, 212A, die das kombinierte Signal (b) in die zwei Signale (d) und (f) teilen, als einen inversen Unterband-Decoder. Zusammen bilden die zwei ein inverses Unterband-Coder-Decoderpaar 230. Es ist interessant anzumerken, daß die Weston-Assembler und -Teiler ihrerseits eine Form von inversem Unterband- Coder und -Decoder bilden.
In Figur 2 wird das Chrominanzsignal in den Niederfrequenz-Eingang eines inversen Unterband-Coders eingespeist, der ein Signal erzeugt, das bei 2fsc abgetastet wird, wobei das Chrominanzsignal die untere Hälfte des Spektrums einnimmt. Dieser inverse Unterband-Coder in dem Kombinator 108 umfaßt einen Niederfrequenz-Decoder 110 und einen Hochfrequenz-Decoder 112. Der Niederfrequenz-Decoder 110, entsprechend den Bauelementen 214, 218 in Figur 3, verdoppelt die Abtastfrequenz (Up 2) und legt dann eine Niederfrequenz-Filterfünktion an. Das hochfrequente Luminanzsignal wird in den Hochfrequenz-Eingang eingespeist, der das Signal in der oberen Hälfte des Spektrums anordnet. Das hochftequente Luminanzsignal wird vor diesem Schritt in einem Inverter 114 (durch Invertierung alternierender Teilbilder) frequenzinvertiert. Dies ist deshalb so, weil der Unterband-Dekodierungsschritt seinerseits eine Frequenzinversion des Signals ausführt, obwohl es wünschenswert ist, daß hohe Luminanzfrequenzen die höchsten Frequenzen in dem Spektrum des endgültigen Signals bilden (d.h. keine Netto-Frequenzinversion). Dies stellt sicher, daß es die Wirkung einer Bandbreitenbegrenzung des endgültigen, kodierten Signals ist, nur auf die höchsten Luminanzfrequenzen einzuwirken. Der Hochfrequenz-Decoder 112 verdoppelt die Abtastrate (Up 2) und sorgt dann für eine Hochpaß-Filterfunktion. Die Ausgangssignale der Decoder 110, 112 werden in einem Addierer 116 addiert.
Das kombinierte bzw. zusammengesetzte Signal von Kombinator 108, das in der unteren Hälfte des Bandes Chrominanzinformation und in der oberen Hälfte des Bandes hohe Luminanzfrequenzen enthält, wird an einen Eingang eines Weston-PAL- Assemblers 120 angelegt, wo seine Abtastfrequenz in einer Schaltung 122 verdoppelt wird (Up 2), es in einer Schaltung 124 bei fsc moduliert wird und zum Eingang von Filter F2 weitergeleitet wird. Die Tätigkeit des Assemblers entspricht genau einem herkömmlichen Weston-Clean-PAL. Das 2fsc-Luminanzsignal wird an einen Frequenzverdoppler 126 in dem Assembler 120 angelegt und anschließend an den Filter F1. Die Ausgangssignale der Filter F1 und F2 werden in einem Addierer 128 addiert.
Das eindimensionale Spektrum des sich ergebenden Extended-Weston-Clean-PAL- Signals (erweitertes Weston-Clean-PAL-Signal) ist in Figur 4 dargestellt, wobei die PAL-System-I-Norm angenommen wurde. Das Spektrum unterhalb von etwa 5,5 MHz ist sehr ähnlich zu einem herkömmlichen Weston-PAL-Signal, mit der Ausnahme, daß ein kleiner Beitrag einer Hereinfaltung (aliasing) in dem Luminanzband bestehen wird, und zwar aufgrund des Wesens des Unterband-Kodierschrittes, der verwendet wird, um das Luminanzspektrum zu teilen. Die hohen Luminanzfrequenzen nehmen überwiegend den Bereich des Signals oberhalb 3fsc/2 (6,6 MHz) ein, wobei das Chrominanzsignal hauptsächlich unterhalb dieser Frequenz liegt. Es gibt einen kleinen Beitrag einer hereingefalteten (aliased) Luminanzinformation in dem Chrominanzsignal und umgekehrt, und zwar aufgrund des Wesens des inversen Unterbandschrittes, der verwendet wird, um diese zwei Signale zu kombinieren.
Das bei 4fsc abgetastete digitale Signal, das dieses kodierte Signal darstellt, kann unter Verwendung eines Digital-zu-Analog-Wandlers (DAC) und eines analogen Nachfilters in ein analoges Signal umgewandelt werden. Damit es möglich ist, nachfolgend das sich ergebende analoge Signal für die Zwecke einer Dekodierung unter Beibehaltung eines flachen Frequenzganges von null bis zur Frequenz 2fsc zu digitalisieren, ist es notwendig, daß die kombinierte Wirkung des Nachfilters nach dem DAC in dem Coder und des Vorfilters vor dem Analog-zu-Digital-Wandler (ADC) in dem Decoder die Wirkung eines Nyquist-Filters ist. Die Verwendung eines Nyquist- Filters in einer solchen Situation ermöglicht es, daß die Hereinfaltung (aliasing), die durch Abtastung in dem ADC verursacht wird, diejenige Hereinfaltung auslöschen kann, die durch den DAC verursacht wird, und stellt ein wohlbekanntes Verfahren dar. Die Phase der Abtastung in dem DAC und dem ADC muß ebenfalls die gleiche sein; dies kann man leicht erreichen, weil die Abtastfrequenz in jedem Fall von der Farb-Hilfsträgerfrequenz abgeleitet wird, die, wie bei einem herkömmlichen PAL- Signal, zu Beginn jeder Zeile zur Verfügung steht. Falls das Filterprodukt nicht exakt Nyquist entspricht, zum Beispiel aufgrund von Verlusten bzw. Dämpfungsverlusten in dem Signalweg vom Coder zum Decoder, werden gewisse Dämpfungsverluste zwischen dem 4fsc-abgetasteten Signal vom Coder und dem 4fsc-Signal am Eingang des Decoders auftreten. Die Wirkung von geringen Dämpfüngsverlusten auf hohe Frequenzen ist nicht schwerwiegend, falls in den Vor- und Nachfiltern für die Luminanz eindimensionale Filterverfahren verwendet werden, weil Dämpfüngsverluste nur für hohe Luminanzfrequenzen auftreten werden. Falls jedoch mehrdimensionale Filter- und Spektrumfaltverfahren verwendet worden sind, ist es wichtiger, daß der Kanal einen im wesentlichen transparenten bzw. dämpfüngsarmen Pfad bzw. Signalweg für die 4fsc-Teilbilder schafft.
Ein herkömmlicher PAL-Decoder, der nur auf Frequenzen oberhalb von etwa 5,5 MHz reagiert, wird aus diesem Signal ein Bild erzeugen, das im wesentlichen dem gleich ist, das er aus einem Weston-PAL-Signal erzeugen würde, mit der Ausnahme des geringen Beitrags einer Luminanz-Hereinfaltung (luminance aliasing). Dieser kann durch sorgfältige Auslegung der Filter, die verwendet werden, um die Unterband-Teilung der Luminanz durchzuführen, minimiert werden. Außerdem kann eine geringe Zunahme im Cross-Color bzw. im Übersprechen der Chrominanz auf die Luminanz auftreten, und zwar aufgrund von hereingefalteter (aliased) Information von dem oberen Luminanzband, die im Chrominanzbereich erscheinen. Dies kann durch sorgfältige Auslegung der inversen Unterband-Filter minimiert werden, die verwendet werden, um die Chrominanz und die hochftequente Luminanz zu kombinieren.
Ein PAL-Decoder, der die vorliegende Erfindung verkörpert, führt die inverse Bearbeitung zu der in dem Coder ausgeführten Bearbeitung durch, um das bei 3fsc abgetastete Luminanzsignal und das bei fsc abgetastete Chrominanzsignal wiederherzustellen. Man wird seinen Betrieb gut anhand von Figur 2 verstehen. Der extended Weston-PAL-Decoder, der im unteren Teil der Figur 2 gezeigt ist, enthält einen Weston-PAL-Teiler 130, der Filter F3 und F4 umfaßt, die verbunden sind, um das 4fsc-PAL-Signal bei Eingang 132 zu empfangen. Das Ausgangssignal von Filter F3 wird in einem Abtaster bzw. Sampler 134 bei 2fsc abgetastet, um ein niederfrequentes Luminanzausgangssignal bei 2fsc zu schaffen. Das Ausgangssignal von Filter F4 wird in einem Demodulator 136 bei fsc demoduliert und das Ausgangssignal an einen Teiler 140 angelegt, der die Chrominanz und die hochfrequente Luminanz teilt. Zu diesem Zweck umfaßt der Teiler 140 eine Schaltung 142, die das Eingangssignal tiefpaßfiltert und dann um einen Faktor 2 abwärts-abtastet bzw. mit einer um einen Faktor 2 niedrigeren Frequenz abtastet (Down 2), um das bei fsc abgetastete, dekodierte UIV-Ausgangssignal zu erzeugen. Er umfaßt auch eine Schaltung 144, die das 2fsc- Eingangssignal hochpaßfiltert und dann um einen Faktor 2 abwärts-abtastet (down sample). Dieses Signal wird in einer Schaltung 146 frequenzinvertiert.
Ein Unterband-Kombinator 150 empfängt das Luminanzsignal vom Teiler 130, erhöht in einer Schaltung 152 die Abtastrate um einen Faktor 3 (Up 3), tiefpaßfiltert das sich ergebende Signal und halbiert dann die Abtastrate (Down 2), um die Abtastrate auf 3fsc zu wandeln. Das Signal vom Inverter 146 in Teiler 140 wird im Kombinator 150 an eine Schaltung 154 angelegt, die die Abtastrate um einen Faktor 3 erhöht (Up 3) und das sich ergebende Signal hochpaßfiltert. Die 3fsc-Ausgangssignale der Schaltungen 152, 154, die die niederfrequenten und hochfrequenten Luminanzkomponenten enthalten, werden in einem Addierer 156 addiert, um das bei 3fsc abgetastete, dekodierte Luminanz-Ausgangssignal zu erzeugen.
Die Weston-Teilerfilter F3 und F4 und der zugeordnete Abtaster 134 und Demodulator 136 regenerieren die 2fsc-Teilbilder, die an den Filtern F1 und F2 in dem Coder anlagen. Das Signal vom Filter F4 wird in Chrominanzinformation und hochfrequente Luminanzinformation geteilt, und zwar unter Verwendung eines Unterband-Coders (d.h. eines inversen Unterband-Decoders), der den Umkehrvorgang zum entsprechenden Unterband-Dekodierschritt in dem Coder durchführt. Das hochfrequente Luminanzsignal wird durch Aufwärts-Abtastung (up-sampling), gefolgt von einem geeigneten Unterband-Synthesefilter in ein Signal konvertiert, das bei 3fsc abgetastet wird und hohe Frequenzen darstellt. Das niederfrequente Luminanzsignal wird in einer ähnlichen Art und Weise in ein Signal konvertiert, das bei 3fsc abgetastet wird und niedrige Frequenzen darstellt. Die zwei Signale werden zueinander addiert, um das vollständige, abgetastete Luminanzsignal wiederherzustellen. Die abgetasteten Luminanz- und Chrominanzsignale werden dann auf die geforderte Ausgangssignal-Abtastrate nachgefiltert; diese Filter können einfache, eindimensionale Filter sein, oder können mehrdimensionale Filter sein, die Sub-Nyquist-Abtastverfahren ausnutzen, wie zuvor erläutert.
Das dekodierte Signal wird aufgrund der Leistungsmerkmale der Filter, die verwendet werden, um die verschiedenen Teile des kodierten Signals zu trennen, frei von Cross-Color und Cross-Luminanz sein. Die Luminanz- und Chrominanzauflösung wird durch die entsprechenden Vor- und Nachfilter bestimmt sein und wird für den einfachen Fall von eindimensionalen Filtern einem Horizontalauflösungs-Grenzwert von 3fsc/2 für die Luminanz und von fsc/2 für die Chrominanz entsprechen. Wie zuvor erklärt, können diese Werte erweitert bzw. vergrößert werden, indem man die Auflösung zwischen verschiedenen Teilen der räumlich-zeitlichen Frequenzdomäne unter Verwendung des Verfahrens einer Sub-Nyquist-Abtastung austauscht.

Realisierung

Es gibt verschiedene Weisen, auf denen man einen erfindungsgemäßen Coder und Decoder realisieren kann; die gewählte Anordnung wird von den Abtastraten, die für die verschiedenen Teile des Signals verwendet werden, und von der Auslegung der Filter abhängen.
Ein erfindungsgemäßer Coder und Decoder könnte genau wie in Figur 2 gezeigt realisiert werden, d.h. mit mehreren Teilen der Schaltung, die bei bzw. mit Taktraten von fsc, 2fsc, 3fsc und 4fsc usw. betrieben werden. In vielen Fällen ist es jedoch einfacher, den Coder und Decoder unter Verwendung einer Schaltung zu realisieren, die bei einer einzigen Taktrate betrieben wird. Für die bevorzugte Ausfühmngsform des zuvor beschriebenen Verfahrens, bei dem die Gesamtbandbreite des kodierten Signals 2fsc beträgt, ist es zweckmäßig, die gesamte Schaltung bei einer Rate von 4fsc zu betreiben, weil diese Rate eine ausreichende Bandbreite zur Verfügung stellt, um das kodierte Signal darzustellen, und auch flir die Eingangs- und Ausgangssignale ausreicht, solange das System für eine horizontale Luminanzauflösung von nicht mehr als 2fsc ausgelegt ist.
Figur 5 zeigt ein Blockdiagramm eines Coders, der bei einer Taktrate von 4fsc betrieben wird. Die folgenden Abschnitte fassen den Betrieb dieser Ausfühmngsform des Coders aus Figur 5 zusammen. Die bei der Realisierung des Coders aus Figur 2 in der in Figur 5 gezeigten Form verwendeten Digitalsignal-Verarbeitungsverfahren sind auf diesem Gebiet wohlbekannt und werden deshalb nur kurz beschrieben; und in Anbetracht der dargestellten Ausführlichkeit in der Figur ist eine detaillierte Textbeschreibung von Figur 5 für den Fachmann nicht erforderlich.
In Figur 5 werden die folgenden Abkürzungen verwendet:
3:1 chh - Kodiere niedrige Horizontalfrequenzen unter Verwendung eines Unterband-Hochpaß-Analysefilters, der für eine 66% :33 % -Teilung zwischen niedrigen und hohen Frequenzen geeignet ist.
3:2 clh - Wie zuvor, aber unter Verwendung eines Tiefpaß-Analysefilters.
1:2 dhh - Dekodiere hohe Horizontalfrequenzen unter Verwendung eines Unterband-Hochpaß-Synthesefilters, der für eine 50% :50%- Teilung zwischen niedrigen und hohen Frequenzen geeignet ist.
1:2 dlh - Wie zuvor aber unter Verwendung eines Tiefpaß-Synthesefilters. (3:1- und 3:2-Filter werden jeweils um 2 überabgetastet (oversampled), wenn sie auf Daten einwirken, die bei 3fsc abgetastet wurden und somit eingebettete bzw. verschachtelte Nullen enthalten).
VAS - V-Achsenumschaltung (V-Chrominanzsignal in Abhängigkeit von der Zeilenzahl mit 1 oder - 1 multipliziert und zu U addiert).
Teilbild - Multipliziere aufeinanderfolgende Teilbilder mit 0, 1, 0, 1... mit phasenalternierender Horizontalphase.
Es wird angenommen, daß die analogen Eingangssignale (Luminanz Y, Farbdifferenzsignale U und V) auf eine Bandbreite von 2fsc tiefpaßgefiltert und bei einer Rate bzw. Frequenz von 4fsc abgetastet worden sind.
Der mit "LF Luminanz Kodieren" bezeichnete Block entspricht einem Achtphasen- Filter, der bei 4fsc betrieben wird, wobei vier der acht Phasen aufgrund des 2fsc-Abtastvorgangs null sind, d.h. daß er vier verschiedene Phasen besitzt. Dieser Block enthält die Schritte, die notwendig sind, um die folgenden Schritte durchzuführen:
1) Umwandeln des Eingangssignals durch Aufwärts-Abtasten (up-sampling) um einen Faktor 3 zu einer Abtastrate von 6fsc, Tiefpaßfiltern und Abwärts-Abtasten (down sampling) um einen Faktor 2 (dies ist eine wohlbekannte Methode, um zwischen zwei Abtastfrequenzen zu wandeln); 2) Vorfiltern (pre), um einen Durchlaßbereich zu ergeben, der eine Abtastung bei 3fsc unterstützen kann;
3) Abtasten des Signais bei 3fsc durch Nulisetzen alternierender Teilbilder auf einem Gitter in Quincunx-Anordnung (fünfzählige Anordnung) innerhalb eines Halbbildes;
4) Filtern dieses Signals unter Verwendung eines Unterband-Tiefpaß-Analysefilters und Wiederabtasten (re-sample) bei 2fsc. Dieser Vorgang wird durch Aufwärts- Abtastung um einen Faktor 2 (Up 2), Filtern unter anschließende Abwärts-Abtastung (down-sampling) um einen Faktor 3 (Down 3) gefolgt vom anschließenden Nullsetzen alternierender Teilbilder in dem sich ergebenden 4fsc-Datenstrom ausgeführt. Der Unterband-Analysefilter wird somit um einen Faktor 2 überabgetastet (oversampled), weil er auf überabgetastete Daten einwirkt, die Nullen enthalten, die durch den Abtastvorgang bei 3fsc eingefügt wurden.
Weil bei diesem Block sowohl das Eingangssignal als auch das Ausgangssignal bei 4fsc getaktet sind, kann man diesen durch einen einzigen Digitalfilter ersetzen, der bei 4fsc/2 betrieben wird und dessen Koeffizienten von Teilbild zu Teilbild in der geforderten Art und Weise umgeschaltet werden, um die Gesamtwirkung dieser Vorgänge bzw. Schritte in dem Block zu emulieren. Man kann zeigen, daß solch ein Filter acht verschiedene Sätze von Koeffizienten besitzt, von denen vier vollständig gleich null sind. Man kann diese Koeffizientensätze als zwei Gruppen aus vier Sätzen betrachten: Eine Gruppe, die auf Zeilen angewendet wird, bei denen das erste Teilbild der Zeile auf einen abgetasteten Punkt des 2fsc-Gitters fällt, und die andere Gruppe, die auf Zeilen angewendet wird, deren erstes Teilbild nicht auf dem 2fsc- Gitter liegt. Somit werden die Koeffizientensätze in dem folgenden Muster verwendet:
1 2 3 4 1 2 3 4 ...
5 6 7 8 5 6 7 8 ...
1 2 3 4 1 2 3 4 ...
wobei jede Zeile eine Zeile in einem Fernsehhalbbild darstellt und jede Zahl den Koeffizientensatz darstellt, der für dieses Teilbild (sample) in dem 4fsc-abgetasteten Signal verwendet wird. Die Koeffizientensätze 2, 4, 5 und 7 sind alle null, und zwar aufgrund des 2fsc-Abtastschritts in Quincunx-Anordnung (fünfzähliger Anordnung), der den letzten Schritt des realisierten Verfahrens darstellt. Bei einer typischen Realisierung kann jeder von null verschwindende Koeffizientensatz aus 20-30 Koeffizienten bestehen. Diese Koeffizienten können durch Vereinigen bzw. Kombinieren der Koeffienzenten der Filter berechnet werden, die den kombinierten Schritt ausmachen; ein Weg dies zu machen, besteht darin, einen Computer zu verwenden, um die kombinierten Schritte nachzubilden und die Impulsantwort der sich ergebenden Kombination als eine Funktion der Stelle der Impulse in Relation zu den verwendeten Abtaststrukturen zu messen.
Der mit "HF LUMINANZ Kodieren" bezeichnete Block entspricht einem 16-Phasen- Filter, der bei 4fsc betrieben wird, wobei aufgrund des 2fsc-Abtastvorgangs acht Phasen gleich null sind und vier der übrigbleibenden acht Phasen gleich dem Negativen der anderen vier sind, d.h. daß er vier verschiedene Phasen besitzt. Dieser Block führt die gleichen Schritte 1) bis 3) durch, gefolgt von dem zuvor erklärten Unterband-Hochpaß-Analysefilter und dem Abwärts-Abtaster. Er realisiert dann die horizontale Frequenzinversion (die benötigt wird, um sicherzustellen, daß das hochfrequente Luminanzsignal keine Nettoinversion erfährt) und den inversen Unterband- Hochpaß-Kodierschritt. Um sicherzustellen, daß die sich ergebenden Teilbilder bei einer Rate bzw. Frequenz von 2fsc auf den richtigen Stellen in dem 4fsc-Datenstrom liegen, wird das Signal um einen Faktor 2 aufwärts-abgetastet (upsampled; Up 2) und mit einem zweistufigen Horizontalfilter gefiltert, dessen Koeffizienten jeweils eins sind. Dies repliziert die 2fsc-Teilbilder an benachbarten Teilbildpositionen; der 2fsc-Abtastvorgang setzt dann ein Paar von jedem Paar von Teilbildern auf null, und zwar in der gleichen Abtastphase, die in der zuvor beschriebenen Luminanzsignal- Verarbeitung verwendet wurde. Verwendung der richtigen Phase ist wesentlich für den richtigen Betrieb des Weston-PAL-Assemblers und -Teilers. All die Schritte in diesem Block können unter Verwendung eines einzigen Digitalfilters realisiert werden, dessen Koeffizienten wie für den vorherigen Block bei bzw. mit der Abtastrate geändert werden.
Der mit "UV zu CHR" bezeichnete Block bildet aus den zwei Farbdifferenzsignalen U und V, die mit einer Abtastrate von 4fsc digitalisiert werden, das kombinierte bzw. zusammengesetzte Chrominanzsignal. Sein Betrieb entspricht einer herkömmlichen Weston-Clean-PAL-Kodierung, die in den zuvor genannten Referenzen beschrieben wird und hier somit nur kurz zusammengefaßt wird. Jedes Signal wird vor einer vertikalen Unter-Abtastung (sub-sampling) einem vertikalen (oder vertikal-zeitlichen) Vorfilter (vert pre) ausgesetzt, wenn das kombinierte Chrominanzsignal gebildet wird. Vor der Vereinigung bzw. Kombination wird jedes Signal gefiltert, um eine kleine Verzögerung einzuführen. Deren Aufgabe ist es, die korrekte Horizontal- Relativpositionierung der Luminanz- und Chrominanzkomponenten in einem unter Verwendung eines normalen PAL-Decoders dekodierten Bild sicherzustellen; die Filter in dem Weston-Assembler führen eine geringe Differentialverzögerung zwischen der Luminanz und der Chrominanz ein, die in einem Weston-Decoder beseitigt wird, nicht jedoch in einem normalen PAL-Decoder. Der Kombinator bildet auf alternierenden Teilbildzeilen eine gewichtete Summe von U + V und auf den anderen Zeilen eine gewichtete Summe von U - V.
Der mit "CHR Kodieren" bezeichnete Block entspricht einem Achtphasen-Filter, der bei 4fsc betrieben wird, wobei vier der acht Phasen aufgrund des 2fsc-Abtastvorgangs gleich null sind und zwei der übrigbleibenden vier gleich den anderen zwei Phasen sind, d.h. daß er zwei verschiedene Phasen besitzt. Dieser Block übernimmt das bei 4fsc-abgetastete kombinierte bzw. vereinigte Chrominanzsignal und erzeugt Teilbilder bei einer Rate von 4fsc, von denen altemierende Teilbilder null sind. Die von null verschiedenen Teilbilder stellen den Chrominanzteil des bei 2fsc abgetasteten Signals dar. Der Block realisiert einen Vorfilter (pre) und einen zugeordneten Abtaster bei fsc, um die zu kodierenden Chrominanz-Teilbilder zu erhalten. Diese Teilbilder werden dem Tiefpaß-Synthesefilter eines inversen Unterband-Coders ausgesetzt, so daß diese niederfrequente Komponenten in dem 2fsc-Ausgangssignal bilden. Wie zuvor kann dieser Block mit Hilfe eines einzigen Filters realisiert werden, der bei 4fsc mit mehreren Sätzen von Koeffizienten betrieben wird.
Der mit "W Kodieren" bezeichnete Block realisiert den Weston-Clean-PAL- Assembler in Übereinstimmung mit dem Stand der Technik der Weston-Clean-PAL- Kodierung. Jeder Filter besteht typischerweise aus einem zweidimensionalen Filter, dessen Öffnung bzw. Öffnungsbereich zwei aufeinanderfolgende Teilbildzeilen überdeckt; somit enthält jeder Filter eine Zeilenverzögerung. Das kodierte Signal wird bei einer Abtastrate von 4fsc erzeugt und kann unter Verwendung eines DAC und eines Nachfilters in Analogform umgewandelt werden, wie bereits beschrieben. Das Signal erfordert die Addition von Hilfsträger-Burstimpulsen und Hilfsträger-Synchronimpulsen, Zeilen- und Halbfeldaustastung ergeben das endgültige PAL-Signal.
Figur 6 zeigt die Realisierung eines Decoders, der ausschließlich bei einer Taktrate von 4fsc betrieben wird. Er wird in der gleichen Art und Weise, wie zuvor für den Encoder bzw. Coder aus Figur 5 beschrieben, aus dem Blockdiagramm des Decoders in Figur 2 abgeleitet. Figur 6 gibt die Anzahl von Phasen an, die jeder Filter erfordert.
In Figur 6 werden die folgenden Abkürzungen verwendet:
2:1 clh - Kodiere niedrige Horizontalfrequenzen unter Verwendung eines Unterband-Tiefpaß-Analysefilters, der für eine gleiche Teilung zwischen niedrigen und hohen Frequenzen geeignet ist.
2:1 chh - Wie zuvor beschrieben, aber unter Verwendung eines Hochpaß-Analysefilters.
2:3 dih - Dekodiere niedrige Horizontaifrequenzen unter Verwendung eines Unterband-Tiefpaß-Synthesefilters, der für eine 66% :33 % -Teilung zwischen niedrigen und hohen Frequenzen geeignet ist.
1:3 dhh - Wie zuvor beschrieben, aber unter Verwendung eines Hochpaß-Synthesefilters. (1:3- und 2:3-Filter werden jeweils um 2 überabgetastet (oversampled), wenn sie auf Daten einwirken, die bei 3fsc abgetastet wurden und somit eingebettete bzw. verschachtelte Nullen enffialten.
VAS - V-Achsenumschaltung (V-Chrominanzsignal multipliziert mit 1 oder - 1, in Abhängigkeit von der Zeilenzahl).
Teilbild - Multipliziere aufeinanderfolgende Teilbilder mit 0, 1, 0, 1... mit zeilenalternierender Horizontalphase.
Aufwärts, Abwärts - Horizontales Überabtasten (Supersample; Nullen einsetzen) oder Unterabtasten (Subsample) mit dem gegebenen Verhältnis.
In Figur 6 entspricht der mit "LF Luminanz Dekodieren" bezeichnete Block einem Achtphasen-Filter, der bei 4fsc betrieben wird, wobei vier der acht Phasen den anderen vier in einer anderen Reihenfolge entsprechen, d.h. daß er vier verschiedene Phasen besitzt. Der mit "HF Luminanz Dekodieren" bezeichnete Block entspricht einem 16-Phasen-Filter, der bei 4fsc betrieben wird, wobei acht der Phasen gleich dem Negativen der anderen acht sind, d.h. daß er acht verschiedene Phasen besitzt. Schließlich entspricht der mit "CHR Dekodieren" bezeichnete Block einem Vierphasen-Filter, der bei 4fsc betrieben wird, d.h. daß er vier verschiedene Phasen besitzt. Der Rest dieses Vorganges wird aus der vorherigen Diskussion der Figur 5 ersichtlich werden.
Der in den Figuren 5 und 6 gezeigte Encoder bzw. Coder und Decoder kann unter Verwendung kommerziell erhältlicher integrierter Schaltkreise aufgebaut werden. Zum Beispiel können ein oder mehrere SGS-Thomson A110-Digitalfilter verwendet werden, um jede Phase von jedem Filter zu realisieren, wobei Multiplexer verwendet werden, um die geeignete Phase auszuwählen.

Alternative Ausführungsformen

Die vorliegende Erfindung wurde im Zusamrnenhang mit einem kodierten bzw. verschlüsselten Signal beschrieben, das eine Bandbreite von 2fsc aufweist, wobei sich für den Fall, daß keine Sub-Nyquist-Abtastverfahren in den Vor- und Nachfiltern verwendet werden, eine Luminanzbandbreite von 3fsc/2 und eine Chrominanzbandbreite von fsc/2 ergibt. Man wird jedoch verstehen, daß die Erfindung unter Verwendung anderer Kennwerte für diese Bandbreiten angewendet werden kann, indem die Verhältnisse verändert werden, in denen die Unterband-Filter und die inversen Unterband-Filter die verschiedenen Signale teilen und aufbauen. Falls zum Beispiel nur eine Kanalbandbreite von Sfsc/3 zur Verfügung steht, könnte die Erfindung verwendet werden, um eine Luminanzbandbreite von 4fsc/3 und eine Chrominanzbandbreite von fsc/3 zur Verfügung zu stellen, indem das Eingangs-Luminanzsignal bei 8fsc/3 abgetastet und in ein bei 2fsc abgetastetes niederfrequentes Signal und in ein bei 2fsc/3 abgetastetes hochfrequentes Signal geteilt wird.
Eine andere mögliche Ausfühmngsform dieser Erfindung verwendet die Luminanz- und Chrominanz-Abtastraten der bevorzugten Ausführungsform, erhält jedoch gemäß der CCIR-Empfehlung 601 die 3fsc-Luminanzteilbilder direkt aus Teilbildern in einem Luminanzsignal, das bei 13,5 MHz abgetastet wurde. Weil die Abtastrate von 3fsc etwa 3 x 4,43 = 13,3 MHz entspricht, muß die Länge der aktiven Zeile um einen Faktor 13,5/13,3 erweitert bzw. verlängert werden, um all die Teilbilder aufzunehmen, und um einen weiteren Faktor von 720/702, um die Schutzbänder an jedem Ende der aktiven Zeile aufrechtzuerhalten, die es in der zuvor genannten CCIR- Empfehlung gibt. Dies ergibt eine aktive Zeilendauer von 54,2 µs im Vergleich zu den 52 µs für ein herkömmliches PAL-System. Die Schnittstelle zwischen den zwei Abtastraten kann man leicht unter Verwendung kommerziell erhältlicher FIFO-Puffer (first-in-first-out) mit zwei Anschlüssen wie beispielsweise dem Hitachi HM53051P erzielen. Ein ähnlicher Ansatz kann für die Chrominanzsignale verwendet werden, die in der CCIR-Empfehlung 601 bei 6,75 MHz abgetastet werden. Durch Aufwärts- Abtastung (up-sampling) um einen Faktor 2, Tiefpaßfilterung und Abwärts-Abtastung um einen Faktor 3 erhält man die richtige Chrominanz-Teilbilddichte für eine Abtastung bei fsc/2 auf der etwas verlängerten bzw. erweiterten aktiven Zeile. Wenn dieser Ansatz in Verbindung mit einer Ausrüstung verwendet wird, die ein Videosignal übermitteln kann und diese etwas verlängerte aktive Zeilendauer aufweist, ermöglicht er die transparente bzw. dämpfüngsfreie Übermittlung von digitalen Luminanzsignalen, die bei 13,5 MHz abgetastet wurden und vereinfacht auch den Coder und Decoder, weil keine Vor- und Nachfilter für die Luminanz und keine Analog/Digital- Wandler notwendig sind. Obwohl eine transparente bzw. dämpfungsarme Übermittlung von Chrominanz aufgrund der deutlich niedrigeren Horizontal- und Vertikalbandbreite für die Chrominanz in dem extended Weston-Clean-PAL-System nicht möglich ist, führt dieser Ansatz dennoch zu einer gewissen Vereinfachung der Coder- und Decoder-Hardware, die der Chrominanz zugeordnet ist.
Es ist möglich, daß die Amplitude des erfindungsgemäß kodierten Signals den normalen Bereich überschreitet, der für ein PAL-Signal erlaubt ist, weil man erwarten kann, daß das hochfrequente Luminanzsignal eine Maximalamplitude aufweist, die gleich der Amplitude des Niederfrequenz-Signals ist, die ihrerseits einen Bereich von 700 mV besitzt, nämlich dem Bereich von schwarz bis vollständig weiß in einem PAL-Signal. Deshalb kann es vorteilhaft sein, die Amplitude der Hochfrequenzkomponenten vor der Bildung des kombinierten Signals zu verkleinern, um die Wirkung von Fehlern zu vermindern, die verursacht werden, wenn das Signal begrenzt bzw. bandbreitenbegrenzt ist. Es ist auch möglich, einen nichtlinearen Abschwächer zu verwenden, so daß die Amplitude des Hochfrequenzsignals für hohe Signalpegel um einen größeren Faktor verringert wird. Dies stellt ein wohlbekanntes Verfahren dar, um die Amplitude eines Signals ohne die Hinnahme eines erheblichen Rauschens in dem dekodierten Bild zu verringern. Die Verwendung eines solchen Abschwächers wurde auch dabei helfen, das Auftreten eines Übersprechens der Chrominanz in der Luminanz (Cross-Color) in dem Signal zu verringern, das unter Verwendung eines herkömmlichen PAL-Decoders dekodiert wurde, weil es die Amplitude des hereingefalteten (aliased) hochfrequenten Luminanzsignals verkleinern wird, das etwas in den Chrominanzbereich eindringt.

Abänderung

Der Coder und Decoder aus Figur 2 kann modifiziert werden, wie für den Coder aus Figur 7 und den Decoder aus Figur 8 gezeigt.
In Figur 7 wird das Chrominanzsignal in den Niederfrequenzeingang eines inversen Unterband-Coders eingespeist, der ein Signal erzeugt, das bei 2fsc abgetastet wird, wobei das Chrominanzsignal die untere Hälfte des Spektrums einnimmt. Das hochfrequente Luminanzsignal wird in den Hochfrequenzeingang eingespeist, der das Signal in der oberen Hälfte des Spektrums anordnet. Das hochfrequente Luminanzsignal wird durch diese Vorgänge frequenzinvertiert, d.h., daß die höchste Luminanzfrequenz am oberen Ende des Chrominanzsignals anliegen wird, und daß sich die niedrigste Luminanzfrequenz am oberen Ende des Bandes befinden wird. Der Nachteil hiervon ist, daß es die Wirkung eines Tiefpaßfilters auf das endgültig kodierte Signal sein wird, daß es die niedrigeren Luminanzfrequenzen mehr abschwächt als die höheren Frequenzen; deshalb kann es vorteilhaft sein, das hochfrequente Luminanzsignal vor seiner Kombination bzw. Vereinigung mit der Chrominanz in der Frequenz zu invertieren, so daß das Spektrum keine Netto-Frequenzinversion erfährt. Dies kann man erreichen, indem alternierende Teilbilder des hochfrequenten Luminanzsignals vor dem inversen Unterband-Coder invertiert werden, was einer Modulation bei fsc/2 entspricht. Weil die inverse Verarbeitung in dem Decoder angewendet werden muß, ist es natürlich wesentlich, daß die gleiche Phase von fsc/2 verwendet wird. Eine Phasenreferenz für dieses Signal kann man beispielsweise durch Referenz auf die Zeilen-Synchronimpulse erreichen. Bei Anwendungen wie beispielsweise der Erstellung von Videobändern, bei denen sich die Position dieser Impulse relativ zu dem Videosignal verändern kann, kann die Verwendung einer Frequenzinversion jedoch ungeeignet sein. Unter solchen Umständen kann die Wirkung eines Tiefpaßfilters auf das kodierte Signal durch die Verwendung von mehrdimensionalen Unterband-- Filterverfahren, wie an anderer Stelle in dieser Beschreibung beschrieben, abgemildert werden.
Das kombinierte bzw. vereinigte Signal, das die Chrominanzinformation in der unteren Hälfte des Bandes und hohe Luminanzfrequenzen in der oberen Hälfte des Bandes enthält, wird bei fsc moduliert und an den Eingang eines Filters F2 in dem Weston-Assembler weitergeleitet. Der Betrieb des Assemblers seinerseits entspricht genau einem herkömmlichen Weston-Clean-PAL. Das Spektrum des sich ergebenden Extended-Weston-Clean-PAL-Signals ist in Figur 4 dargestellt, wie zuvor beschrieben.
Wie zuvor im Zusammenhang mit Figur 2 angedeutet wurde, kann das bei 4fsc abgetastete Digitalsignal, das dieses kodierte Signal darstellt, unter Verwendung eines Digital-zu-Analog-Wandlers (DAC) und eines analogen Nachfilters in ein analoges Signal gewandelt werden. Damit es möglich ist, das sich ergebende analoge Signal für die Zwecke einer Dekodierung unter Beibehaltung eines flachen Frequenzganges von null bis zu einer Frequenz von 2fsc nachfolgend zu digitalisieren, ist es erforderlich, daß die kombinierte Wirkung des Nachfilters nach dem DAC in dem Coder und des Vorfilters vor dem Analog-zu-Digital-Wandler (ADC) in dem Decoder die Wirkung eines Nyquist-Filters ist. Ein Weg, auf dem man dies erreichen kann, ist es, den Filter zwischen dem DAC-Nachfilter und dem ADC-Vorfilter in gleiche Teile zu teilen; in diesem Fall wird jeder Filter Quadratwurzel-Nyquist (square-root Nyquist) genannt. Die Verwendung eines Nyquist-Filters in einer solchen Situation ermöglicht es, daß die durch die Abtastung in dem ADC verursachte Hereinfaltung (aliasing) diejenige Hereinfaltung auslöscht, die durch den DAC erzeugt wird, und stellt ein wohlbekanntes Verfahren dar. Die Phasen der Abtastung in dem DAC und in dem ADC müssen ebenfalls gleich sein; dies kann man leicht erreichen, weil die Abtastfrequenz in jedem Fall von der Farb-Hilfsträgerfrequenz abgeleitet wird, die wie bei einem herkömmlichen PAL-Signal in dem Burst bzw. Synchronsignal zu Beginn jeder Zeile zur Verfügung steht. Man kann eine gute Näherung an ein Quadratwurzel-Nyquistverhalten durch Verwendung von analogen Filtern erreichen; oder das bei 4fsc abgetastete Signal kann unter Verwendung eines digitalen Halb-Nyquistfilters beispielsweise auf 8fsc überabgetastet (over-sampled) werden. Das überabgetastete Signal kann dann an einen DAC, der bei 8fsc betrieben wird, und durch einen Analogfilter geleitet werden, dessen Kennwerte weniger kritisch sind; dies ist ein wohlbekannter Ansatz. Falls das Filterprodukt nicht exakt Nyquist entspricht, beispielsweise aufgrund von Verlusten in dem Signalweg vom Coder zum Decoder oder aufgrund einer nicht perfekten Ausbildung in den Filtern selbst, werden gewisse Verluste bzw. Dämpfungsverluste zwischen dem 4fsc-abgetasteten Signal vom Coder und dem 4fsc-Signal am Eingang zum Decoder auftreten. Die Wirkung, die diese Verluste auf das dekodierte Signal haben werden, hängt von der Auslegung der verschiedenen Filter in dem System ab; Möglichkeiten zur Vermeidung potentieller Verluste werden später diskutiert werden.
Ein herkömmlicher PAL-Decoder, der nur auf Frequenzen unterhalb von etwa 5,5 MHz reagiert, wird aus diesem Signal ein Bild erzeugen, das im wesentlichen das gleiche ist, das er aus einem herkömmlichen Weston-PAL-Signal erzeugen wurde, mit der Ausnahme eines geringen Beitrags an Luminanz-Hereinfaltung (luminance aliasing). Dieser kann durch sorgfältige Auslegung der Filter minimiert werden, die verwendet werden, um die Unterband-Teilung der Luminanz durchzuführen. Außerdem kann ein sehr kleiner Cross-Color-Beitrag aufgrund von hereingefalteter Information vom oberen Luminanzband bestehen, der in dem Chrominanzbereich in Erscheinung tritt. Dies kann durch sorgfältige Auslegung der inversen Unterband-Filter beinahe vermieden werden, die verwendet werden, um die Chrominanz und die hochftequente Luminanz zu kombinieren.
Der in Figur 8 dargestellte PAL-Decoder führt die umgekehrte Verarbeitung zu der in dem Coder Ausgeführten durch, um die Luminanz- und Chrominanzsignale wieder herzustellen. Man wird seinen Betrieb gut aus Figur 8 verstehen. Die Weston-Teilerfilter F3 und F4 und der zugeordnete Abtaster und Demodulator regenerieren die 2fsc-Teilbilder, die an den Filtern F1 und F2 in dem Coder anlagen. Das Signal von F4 wird in Chrominanzinformation und hochfrequente Luminanzinformation geteilt, und zwar unter Verwendung eines Unterband-Coders (d.h. eines inversen Unterband- Decoders), der den umgekehrten Vorgang zu dem entsprechenden Unterband-Dekodiervorgang in dem Coder durchführt. Das hochfrequente Luminanzsignal wird an einen geeigneten Unterband-Hochpaß-Synthesefilter weitergeleitet. Das niederfrequente Luminanzsignal wird an einen entsprechenden Unterband-Tiefpaß-Synthesefilter weitergeleitet. Die zwei Signale werden zueinander addiert, um das vollständige Luminanzsignal wiederherzustellen. Die abgetasteten Luminanz- und Chrominanzsignale werden dann auf die geforderte Ausgangs-Abtastrate nachgefiltert; diese Filter können einfache, eindimensionale Filter sein oder können mehrdimensionale Filter sein, die Sub-Nyquist-Abtastverfahren ausnutzen, wie zuvor erklärt.
Das dekodierte Signal wird aufgrund der Kennwerte der Filter, die verwendet werden, um die verschiedenen Teile des kodierten Signals zu trennen, frei von Cross- Color und Cross-Luminanz bzw. von Übersprecheffekten sein. Die Luminanz- und Chrominanzauflösung wird durch die entsprechenden Vor- und Nachfilter definiert werden und wird für den einfachen Fall von eindimensionalen Filtern einem Horizontalauflösungs-Grenzwert von 3fsc/2 für die Luminanz und von fsc/2 für die Chrominanz entsprechen. Wie zuvor erklärt, können diese Zahlenwerte durch Austauschen der Auflösung zwischen verschiedenen Teilen der räumlich/zeitlichen Frequenzdomäne unter Verwendung des Verfahrens einer Sub-Nyquist-Abtastung erweitert bzw. ausgedehnt werden.

Betrachtungen zur Auslegung der Filter

Nachdem die Erfindung im Zusammenhang mit einem kodierten Digitalsignal mit einer Abtastrate von 4fsc und Bandvolumen bzw. Bandbreiten von 3/2fsc und fsc/2 beschrieben worden ist, werden einige Gesichtspunkte zur Auslegung von Filtern für solch ein System erörtert werden. Insbesondere wird die Auslegung von Filtern für einen Coder und Decoder, der auf einer Abtastung des Luminanzsignals bei 4fsc und der Verwendung von Unterband-Filtern, die geeignet für gleiche Bandteilungen sind, diskutiert werden.
Wenn man sicherstellt, daß die Unterband-Filter, die verwendet werden, um das Luminanzband zu teilen, die vier Beziehungen erfüllen, die zuvor im Zusammenhang mit den Assembler- und Teilerfiltern für eine perfekte Wiederherstellung angeführt wurden, und außerdem, daß die Tiefpaß- und Hochpaß-Unterbandfilter Verstärkungen von 1 und 0 in dem Bereich 3fsc/2 bis 2fsc besitzen (dem Bereich, der nicht durch die Unterabtastung des Hochfrequenz-Unterbandes getragen wird), dann wird die Transparenz bzw. Durchlässigkeit des Kodier- und Dekodiervorgangs für die Luminanz nur von der Auslegung der Vor- und Nachfilter abhängen. Dies ist jedoch dann nicht länger der Fall, wenn das kodierte Signal Verzerrungen wie beispielsweise einem Tiefpaßfiltern ausgesetzt wird. Tatsächlich kann ein solches Filtern Verluste bzw. Dämpfungsverluste an Luminanzfrequenzen gerade oberhalb von fsc bewirken, falls das Spektrum des Hochfrequenz-Luminanzsignals in dem kodierten Signal invertiert wird, wie zuvor erklärt wurde.
Um die Wirkung eines Tiefpaßfilters auf das kodierte Signal abzumildern, kann man zweidimensionale Filter verwenden, um das Luminanzspektrum zu teilen. Figur 9 zeigt, wie das Spektrum unter Verwendung solcher Filter geteilt werden kann, so daß niedrige Vertikalfrequenzen mit einer Horizontalfrequenz jenseits von fsc in dem Niederfrequenz-Unterband getragen bzw. übermittelt werden können. Solche Unterband-Filter können mit Hilfe des gleichen Verfahrens ausgelegt werden, wie es zur Auslegung der Assembler-Teiler-Filter F1-F4 verwendet wird, weil diese Filter ihrerseits eine Form von zweidimensionalen Unterband-Filtern darstellen. Der vertikale Frequenzgang ist gespiegelt um 144 Zyklen bzw. Perioden pro aktiver Bildhöhe (die größte Vertikalauflösung, die innerhalb eines verschachtelten Halbbildes erreicht werden kann), weil die Filter nur innerhalb eines Halbbildes wirken; dies ist der Fall für alle "Intra-Halbbild"-Filter.
Man betrachte ein erfindungsgemäß kodiertes Signal, bei dem Filter von in der Figur 9 gezeigten Form verwendet werden, um das Luminanzsignal zu teilen. Falls das kodierte Signal so gebildet wird, daß die hohen Luminanzfrequenzen invertiert werden, wie zuvor beschrieben, kann man zeigen, daß die Luminanzfrequenzen, die sich bei den höchsten Frequenzen in dem kodierten Signal ausbreiten, denjenigen in dem Originalsignal in dem Bereich von fsc bei Vertikalfrequenzen im Bereich von 72-216 Zyklen pro Bildhöhe entsprechen. Somit werden Verluste bzw. Dämpfungsverluste im kodierten Signal bei hohen Frequenzen nur diesen Bereich des Spektrums des dekodierten Signals beeinflussen.
Ein weiterer Vorteil bei der Verwendung der Art von zweidimensionaler Luminanz- Unterbandteilung, die in Figur 9 gezeigt ist, besteht in einer Verbesserung der Aufwärts- und Abwärtskompatibilität des Coders; das ist die Signalqualität, die man unter Verwendung eines herkömmlichen PAL-Decoders erzielen kann, um ein erfindungsgemäß kodiertes Signal zu dekodieren, und die Qualität, die man erreicht, wenn man einen erfindungsgemäßen Decoder verwendet, um ein herkömmliches PAL-Signal zu dekodieren. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Form des Durchlaßbereiches des Unterband-Tiefpaß-Analysefilters demjenigen des Assemblerfilters F1 sehr stark ähnelt. In diesem Fall arbeitet F1 als ein angepaßter Nachfilter, der der Vorfilterung durch den Unterband-Tiefpaß-Analysefilter und der Abtastung in dem Assembler bei 2fsc folgt. Somit breiten sich all die Frequenzen, die über den Niederfrequenz-Signalweg übermittelt werden, und zwar einschließlich der Luminanzfrequenzen oberhalb von fsc innerhalb des Durchlaßbereiches des Unterband- Tiefpaßfilters, in dem gleichen Teil des Signalspektrums aus, wie sie es auch bei einem normalen PAL-Signal tun würden. Tatsächlich kann man die Unterband-Luminanz-Analysefilter und -Synthesefilter identisch zu den Filtern F1-F4 wählen, die in dem Assembler und Teiler verwendet werden. Es ist vorteilhaft, F3 anstelle von F1 als den Tiefpaß-Analysefilter zu verwenden, weil die Vertikalphasen-Kennwerte von F1 und F3 gleich und entgegengesetzt sind und sich deshalb auffieben werden, um so eine gleichförmige Gruppenverzögerung für das Luminanzsignal in dem kodierten Bild sicherzustellen.

Realisierung der Abänderung

Die zuvor unter Bezugnahme auf die Figuren 5 und 6 beschriebene Realisierung ist geeignet, wenn die Luminanz-Unterbandfilter ausgelegt sind, um eine ungleiche Teilung eines Signals in die unteren zwei Drittel und das obere Drittel des Spektrums durchzuführen, und wenn ein bei 3fsc abgetastetes Luminanzsignal tatsächlich in dem Coder erzeugt wird. Die folgende Realisierung ist zweckmäßig, wenn die Luminanz- Unterbandfilter ausgelegt sind, um gleiche Teilungen auszuführen und kein tatsächlich bei 3fsc abgetastetes Luminanzsignal jemals anliegt.
Um einen Coder zu realisieren, der auf Luminanz-Unterbandfiltern beruht, die gleiche Bandteilungen durchführen, ist im Vergleich zu der zuvor beschriebenen Schaltung eine einfachere Schaltung notwendig. In Figur 7 kann jeder der dargestellten Filter als fester Digitalfilter realisiert werden, der bei einer Abtastrate von 4fsc betrieben wird. Die Abtast- und Modulationsvorgänge können einfach dadurch realisiert werden, daß geeignete Teilbilder (samples) auf Null gesetzt werden, Teilbilder invertiert werden oder Teilbilder unverändert weitergeleitet werden, je nach Bedarf. Die Filter könnten unter Verwendung integrierter Schaltkreise wie beispielsweise des Harris HSP43 168 realisiert werden, die die Symmetrie von Filterkoeffizienten, die Anwesenheit von Nullen in Eingangs- Teilbildern und die Unter-Abtastung des Ausgangssignals ausnutzen können, um effizient Gebrauch von den darin enthaltenen Multiplizierem zu machen. Zum Beispiel kann einer dieser Schaltkreise einen 31-stufigen Horizontalfilter realisieren, falls der Filter symmetrisch ist und die Hälfte der Eingangs-Teilbilder gleich Null ist oder die Hälfte der Ausgangs-Teilbilder könnte nicht berücksichtigt werden. Es ist möglich, die Filter in dem Coder aus Figur 7 auszulegen, daß sie 31 Stufen oder weniger besitzen, was es erlaubt, einen Coder oder Decoder sehr effizient zu realisieren.
Die Unterband-Synthesefilter, die verwendet werden, um die Chrominanzsignale und hochfrequente Luminanzsignale zu verknüpfen, kombinieren bzw. vereinigen zwei bei fsc abgetastete Signale, um ein bei 2fsc abgetastetes Signal zu erzeugen. Diese Filter können bei 4fsc durch Einfügen eines Null-Koeffizienten zwischen benachbarten Filterkoeffizienten realisiert werden; oder die untere Abtastrate kann ausgenutzt werden, so daß der zuvor beschriebene Filterschaltkreis effizient ausgenutzt werden kann.
Ein Decoder gemäß Figur 8 kann unter Verwendung der gleichen Verfahren realisiert werden, die im Zusammenhang mit dem. Coder beschrieben wurden.

NTSC

Obwohl die Erfindung im Zusammenhang mit dem PAL-Kodiersystem beschrieben worden ist, wird man verstehen, daß die Erfindung gleichfalls auf das NTSC-Kodiersystem angewendet werden kann, und zwar durch Verwendung von gestörten (perturbed) Formen des NTSC-Hilfsträgers, von geeigneten Mitteln zum Bilden des Chrominanzsignals und eines Assemblers und Splitters, der über das geeignete Frequenzband betrieben wird, wie in unserer britischen Patentschrift GB-A-2,045,577 (entsprechend der US-Patentschrift US-A-4, 322,739) beschrieben.

Claims

1. Verfahren zur Kodierung von Luminanz (Helligkeits)- und Chrominanz (Farbart)- Videoeingangssignalen, um ein zusammengesetztes bzw. gemischtes Videoausgangssignal zu schaffen, das besteht aus:

(a) einem Signal, das eine niederfrequente Luminanzinformation darstellt und in dem zusammengesetzten Signal überwiegend Frequenzen im Bereich von 0 bis zur Farbhilfsträgerfrequenz einnimmt;

(b) einem Signal, das eine Chrominanzinformation darstellt und in dem zusammengesetzten Signal überwiegend Frequenzen von der Farbhilfsträgerfrequenz bis zu einer vorbestimmten höheren Frequenz einnimmt; und

(c) einem Signal, das hohe Luminanzfrequenzen darstellt und in dem zusammengesetzten Signal überwiegend Frequenzen von der vorbestimmten höheren Frequenz bis zu einem oberen Grenzwert einnimmt;

welches Verfahren die Schritte umfaßt:

Unterband-Analysefiltern des Luminanz-Videoeingangssignals in ein niederfrequentes Luminanzsignal und ein hochfrequentes Luminanzsignal;

Unterband-Synthesefiltern des hochfrequenten Luminanzsignals und des Chrominanz-Videoeingangssignals, um ein kombiniertes bzw. Vereinigtes Hochfrequenzsignal zu bilden; und

phasengesondertes bzw. -getrenntes Kodieren des niederfrequenten Luminanzsignals und des kombinierten Hochftequenzsignals, um das zusammengesetzte Videoausgangssignal zu schaffen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Bandbreite des Chrominanzsignals und des hochfrequenten Luminanzsignals jeweils im wesentlichen gleich der halben Hilfsträgerfrequenz ist, so daß die Bandbreite des gesamten Signals im wesentlichen gleich dem Zweifachen der Hilfsträgerfrequenz ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das hochfrequente Luminanzsignal vor Kombination bzw. Vereinigung mit dem Chrominanzsignal abgeschwächt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Abschwächung bzw. Dämpfung nichtlinear ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Luminanz-Eingangssignal unter Verwendung einer Sub-Nyquist-Abtastfrequenz abgetastet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Chrominanz-Eingangssignal unter Verwendung einer Sub-Nyquist-Abtastfrequenz abgetastet wird.

7 Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Luminanz-Eingangssignal von Teilbildem (samples) eines bei einer Frequenz von etwa 13,5 MHz abgetasteten Luminanzsignals abgeleitet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Luminanz-Eingangssignal von Teilbildern eines Luminanzsignals abgeleitet wird, die bei einer Rate bzw. Frequenz abgetastet werden, die das Zweifache der Farbhilfsträgerfrequenz übersteigt, und zwar durch Verlängerung der Zeit bzw. Zeitdauer der aktiven Zeile in dem kodierten Signal, um all die Teilbilder bzw. Abtastproben aufzunehmen.

9. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das zusammengesetzte Videoausgangssignal ein PAL-kompatibles Signal ist und das phasengesonderte Kodieren ein phasengesondertes PAL-Kodieren umfaßt.

10. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das zusammengesetzte Videoausgangssignal ein NTSC-kompatibles Signal ist und das phasengesonderte Kodieren ein phasengesondertes NTSC-Kodieren umfaßt.

11. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Unterband-Analysefiltern und das Unterband-Synthesefiltern ein zweidimensionales Filtern umfaßt, das niedrige Vertikal-Luminanzfrequenzen erlaubt, die Horizontalfrequenzen aufweisen, die höher als die Farbhilfsträgerfrequenz sind, um sich in dem niederfrequenten Luminanzsignal auszubreiten.

12. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das hochfrequente Luminanzsignal vor Bildung des kombinierten Hochfrequenz-Signals frequenzinvertiert wird.

13. Vorrichtung zur Kodierung von Luminanz- und Chrominanz-Videoeingangssignalen, um ein zusammengesetztes bzw. gemischtes Videoausgangssignal zu schaffen, das besteht aus:

welche Vorrichtung umfaßt:

ein Luminanzsignal-Eingabemittel (100) zum Empfangen eines Luminanz- Videoeingangssignals;

ein Chrominanzsignal-Eingabemittel (101) zum Empfangen eines Chrominanz- Videoeingangssignals;

ein Unterband-Analysefiltermittel (102), das mit dem Luminanzsignal- Eingabemittel verbunden ist, zum Filtern des Luminanz-Videoeingangssignals, um an einem ersten Ausgang ein niederfrequentes Luminanzsignal und an einem zweiten Ausgang ein hochfrequentes Luminanzsignal zu schaffen;

ein Unterband-Synthesefiltermittel (108), das mit dem Chrominanzsignal- Eingabemittel und dem zweiten Ausgang des Unterband-Analysefiltermittels verbunden ist, zum Filtern des Chrominanz-Videoeingangssignals und des hochfrequenten Luminanzsignals, um an seinem Ausgang ein kombiniertes bzw. vereinigtes Hochfrequenzsignal zu schaffen, und

ein phasengesondertes bzw. -getrenntes Kodiermittel (120), das zum Kodieren des niederfrequenten Luminanzsignals und des kombinierten Hochfrequenzsignals mit dem ersten Ausgang des Unterband-Analysefiltermittels und dem Ausgang des Unterband-Synthesefiltermittels verbunden ist, um ein zusammengesetztes Videoausgangssignal zu schaffen.

14. Verfahren zur Dekodierung eines zusammengesetzten bzw. gemischten Videoeingangssignals, das besteht aus:

um Luminanz- und Chrominanz-Ausgangssignale zu schaffen, welches Verfahren die Schritte umfaßt:

phasengesondertes bzw. -getrenntes Dekodieren des zusammengesetzten Videoeingangssignals, um ein niederfrequentes Luminanzsignal und ein kombiniertes bzw. vereinigtes Hochfrequenzsignal zu schaffen;

Unterband-Analysefiltern des kombinierten Hochfrequenzsignals, um ein hochftequentes Luminanzsignal und ein Chrominanz-Ausgangssignal zu schaffen; und

Unterband-Synthesefiltern des niederfrequenten Luminanzsignals und des hochfrequenten Luminanzsignals, um ein Vollbandbreiten-Luminanzausgangssignal zu schaffen.

15. Vorrichtung zur Dekodierung eines zusammengesetzten bzw. gemischten Videoeingangssignals, das besteht aus:

um Luminanz- und Chrominanz-Ausgangssignale zu schaffen, welche Vorrichtung umfaßt:

ein Eingabemittel (132) zum Empfangen eines zusammengesetzten Videoeingangssignals;

ein phasengesondertes bzw. -getrenntes Dekodiermittel (130), das mit dem Eingabemittel verbunden ist, um an einem ersten Ausgang ein niederfrequentes Luminanzsignal und an einem zweiten Ausgang ein kombiniertes bzw. Vereinigtes Hochfrequenzsignal zu schaffen;

ein Unterband-Analysefiltermittel (140), das mit dem zweiten Ausgang des phasengesonderten bzw. -getrennten Dekodiermitteis verbunden ist, um an einem ersten Ausgang ein hochfrequentes Luminanzsignal und an einem zweiten Ausgang ein Chrominanz-Ausgangssignal zu schaffen; und ein Unterband-Synthesefiltermittel (150), das mit dem ersten Ausgang des phasengesonderten bzw. -getrennten Dekodiermittels und dem ersten Ausgang des Unterband-Analysefiltermittels verbunden ist, um ein Vollbandbreiten-Luminanzausgangssignal zu schaffen.