DE69626907T2

DE69626907T2 - Einfügen eines Audiosignals in ein Videosignal

Info

Publication number: DE69626907T2
Application number: DE69626907T
Authority: DE
Inventors: Gary Lamont Hobbs
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1995-08-31
Filing date: 1996-08-21
Publication date: 2003-12-18
Anticipated expiration: 2016-08-22
Also published as: CA2179788A1; TW299552B; MX9603720A; EP0762761A3; EP0762761A2; JPH09130761A; US5751366A; CA2179788C; EP0762761B1; DE69626907D1

Description

Diese Erfindung betrifft Verfahren zum Erzeugen eines Videosignals.
Videosignale verwenden allgemein zwei separate Träger: einen für ein Videosignal und einen anderen für ein Audiosignal. Die Gesamtkomplexität kann vielleicht reduziert werden, indem das Audiosignal in das Videosignal eingeschlossen wird, wodurch ein Träger entfällt.
Das Videosignal nimmt jedoch gewöhnlich die Bandbreite, die ihm zugewiesen wurde, voll in Anspruch. Für zusätzliche Signale ist wenig oder gar kein Raum verfügbar.
Eine typische Bandbreite, die zugewiesen wird, ist zum Beispiel 6 Megahertz. Einem gängigen Videostandard entsprechend werden 30 Bilder Videoinformation je Sekunde gesendet. Jedes Bild enthält 525 Zeilen Information. Gewöhnlich nehmen diese Videodaten zusammen mit verschiedenen Steuersignalen die 6-MHz-Bandbreite vollständig ein.
DE-A-25 16 742 betrifft ein Fernsehsystem zum Senden von Schwarzweiß- und Farbfernsehbildern, die PAL- oder NTSC-codiert sind, wobei die Horizontalaustastintervalle des Fernsehbildsignals, das von Audiosignalen aus zwei Audiokanälen mit der doppelten Horizontalzeilenabtastfrequenz begleitet wird, während der verlängerten Dauer der Schwarzschulter in digitaler Form übertragen werden, indem die Dauer des Horizontalsynchronisierimpulses verkürzt wird.
Einem Aspekt dieser Erfindung gemäß wird ein Verfahren wie in Anspruch 1 beansprucht bereitgestellt.
Einem anderen Aspekt dieser Erfindung gemäß wird ein Verfahren wie in Anspruch 2 beansprucht bereitgestellt.
In einer Form der Erfindung wird die Zahl der gesendeten Videobilder reduziert. Die Reduktion erzeugt ungenutzte Zeitintervalle innerhalb des Signals. Die "Breezeways" des Videosignals werden in diese ungenutzten Zeitintervalle ausgedehnt. In die nun ausgedehnten Breezeways werden digitalisierte Audioabtastungen eingefügt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1A stellt eine Form der Erfindung dar.
Fig. 1 ist eine vereinfachte schematische Darstellung eines dem Stand der Technik entsprechenden Videosignals.
Fig. 2 veranschaulicht eine Verlängerung des Zeitintervalls T in Fig. 1, das dem Horizontalsynchronisierimpuls zugewiesen wird, zuzüglich des Breezeways.
Fig. 3 veranschaulicht die Schrumpfung des Horizontalsynchronisierimpulses von Fig. 2 relativ zur Zeit 4T.
Fig. 4 veranschaulicht eine 8-Bit-Audioabtastung, die im Intervall 4T enthalten ist.
Fig. 5 veranschaulicht ein Videosignal, das erfindungsgemäß erzeugt wurde.
Fig. 6 veranschaulicht in schematischer Form einen Ansatz zur Implementierung der Erfindung.
Fig. 7 ist ein Blockdiagramm der Hardware zur Implementierung einer Form der Erfindung.
Fig. 8 veranschaulicht einen Ansatz zum Codieren eines 8-Bit-Wortes, wobei das Wort in vier 2-Bit-Worte aufgeteilt wird und jedem 2-Bit-Wort eine von vier Analogspannungen zugewiesen wird.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

ÜBERBLICK

Fig. 1A zeigt eine Ansicht der Erfindung. Ein dem Stand Der Technik entsprechendes Fernsehsignal überträgt 30 Bilder Videoinformation je Sekunde, zuzüglich eines AUDIO-Signals auf einem separaten Träger. Die Erfindung reduziert die Zahl der übertragenen Bilder wie angegeben.
Ein Ansatz für diese Reduktion wird "Alternate Field Drop"- (AFD-) Methode genannt, wobei drei von vier Bildern ausgelassen werden und nur das übrig gebliebene der vier Bilder gesendet wird. Dieser Ansatz reduziert die Zahl der Bilder von 30 auf 7,5 je Sekunde.
Diese Reduktion erhöht die Zeit, die zum Übertragen jedes Bilds verfügbar ist. Die Erfindung nutzt die Zusatzzeit, indem sie den Zeitabstand zwischen ZEILEN, zum Beispiel den Abstand zwischen ZEILE 1 und ZEILE 2, erhöht. Die Erfindung fügt Audiosignale in diesen neu geschaffenen Abstand ein. (Normalerweise sind die einzigen anderen Signale, die den Abstand zwischen benachbarten ZEILEN belegen, (1) ein Horizontalsynchronisierimpuls und (2), wenn das Signal ein Farbfernsehsignal ist, ein Farbsynchronisationssignal).
Um das Audiosignal in den Abstand einzufügen, teilt die Erfindung das Audiosignal in Fragmente wie z. B. FRAG1, FRAG2 und FRAG3 auf. Die Erfindung fügt jedes Fragment zwischen zwei ZEILEN ein. Daher besteht ein Merkmal der Erfindung darin, dass sie das Audiosignal in Fragmente aufteilt und die Fragmente zwischen benachbarten ZEILEN verteilt. Dies ist ein Zeitmultiplexverfahren.
Mindestens zwei Typen von Audiofragmenten können verwendet werden: analoge und digitale. Wenn sie digital sind, wird das analoge Audiosignal digitalisiert und zwischen den ZEILEN eingefügt. In diesem Fall nehmen die Fragmente die Form von digitalen Abtastungen des Audiosignals an, die mit einem geeigneten Codierformat eingefügt werden. Ein Format wird im Folgenden erläutert.
Wenn sie analog sind, kann das Audiosignal zeitmultiplexiert und dann zwischen den ZEILEN eingefügt werden. In diesem Fall nehmen die Fragmente die Form von analogen Abschnitten des Audiosignals an, die im Empfänger von einem Demultiplexer wieder zusammengesetzt werden.

VORTEIL

Ein Vorteil dieses Ansatzes kann durch eine einfache, angenäherte Berechnung veranschaulicht werden. Der Horizontalsynchronisierimpuls weist eine Frequenz von 15,734 kHz auf. Wenn das Audiosignal mit dieser Frequenz abgetastet und eine Abtastung benachbart zu jedem Synchronisierimpuls angeordnet wird (wovon eines zu jeder ZEILE benachbart ist), dann entspricht diese Abtastfrequenz einer Nyquist-Frequenz von 7.867 Hz, was die Hälfte der Synchronisierimpulsfrequenz, nämlich 15,734/2 kHz ist.
Daher entspricht diese Abtastfrequenz einer Audiobandbreite von 7.867 Hz, was wesentlich höher ist als die Telefonkommunikationsbandbreite von etwa 3.500 Hz.
Wenn zwei Audioabtastsignale benachbart zu jedem Synchronisierimpuls angeordnet werden, verdoppelt sich die Abtastfrequenz gegenüber der obigen, wodurch sie für eine Bandbreite von 15,734 KHz geeignet ist (was der Synchronisationsfrequenz entspricht). Diese Bandbreite nähert sich High-Fidelity-Standards an.

NÄHERE DETAILS

Einem gängigen Standard zum Senden von Fernsehsignalen gemäß werden dreißig Bilder je Sekunde übertragen, wobei jedes Bild 525 Datenzeilen enthält. Fig. 1 veranschaulicht eine vereinfachte Version einer ZEILE eines Videosignals.
Innerhalb des Signals stellt die VIDEOINFORMATION das Signal dar, das eine einzelne Rasterzeile auf dem Fernsehbildschirm (nicht gezeigt) erzeugt. Jede Zeile wird durch einen Elektronenstrahl (nicht gezeigt) erzeugt, der eine Abtastung von links nach rechts vornimmt. Die Abtastung wird durch den HORIZONTAL- SYNCHRONISIER- (SYNCH-) Impuls ganz links in Fig. 1 ausgelöst.
In jeder Zeile ist ein "BREEZEWAY" vorhanden, der normalerweise nicht als Informationsträger genutzt wird. Der BREEZEWAY wird vom Fachmann als der Teil des Signals definiert, der zwischen der Vorderflanke des HORIZONTAL-SYNCH-Impulses und der Flanke des FARB- SYNCHRONISATIONSSIGNALS liegt.

EINE FORM DER KOMPRIMIERUNG

Der BREEZEWAY kann durch bestimmte Formen der Komprimierung verlängert werden, um dadurch Platz für Informationen zu schaffen. Mit dem oben beschriebenen AFD-Komprimierungsverfahren werden jeweils vier Bilder zu einem einzigen Bild reduziert. Diesem Einzelbild steht nun die Zeit zur Verfügung, die zuvor allen vier Bildern zugewiesen war. Der Horizontalsynchronisierimpuls plus der Breezeway können nun ausgedehnt werden, um das Vierfache ihrer ursprünglichen Zeitdauer in Anspruch zu nehmen.
Fig. 2 veranschaulicht diese Dehnung und zeigt das Intervall T von Fig. 1, das aber auf eine Länge 4T ausgedehnt wurde. In der Praxis entspricht das Intervall T einer Dauer von 4 Mikrosekunden; das Intervall 4T entspricht daher dem Vierfachen dieser Dauer, d. h. 16 Mikrosekunden.
Der ursprüngliche HORIZONTAL-SYNCH-Impuls von Fig. 1 muss aber nicht auf das Vierfache seiner ursprünglichen Breite ausgedehnt werden und braucht nicht die ganze Breite W einzunehmen, die in Fig. 2 gezeigt wird. Die Erfindung verkürzt W auf W1, wie in Fig. 3 gezeigt. In der Praxis wird eine Breite W1 von etwa 2 Mikrosekunden bevorzugt, wodurch 14 Mikrosekunden für den Rest der Dauer 4T verbleiben.
Die Erfindung ordnet ein oder mehrere digitalisierte Audiofragmente in diesem 14-Mikrosekunden-Intervall an, wie in Fig. 4 gezeigt. Fig. 5 veranschaulicht diese Implementierung der Erfindung, jedoch im Kontext einer ganzen Datenzeile. Die Region 4T entspricht der in Fig. 4 gezeigten, und "T" ist in Fig. 1 dargestellt.
Fig. 6 veranschaulicht diese Prinzipien, jedoch unter einem anderen Aspekt. Wie oben in der Figur angegeben, wird die Information in Betracht gezogen, die EINER SEKUNDE entspricht. Die ABTASTUNGEN DER TONSPUR stellen digitalisierte Abtastungen des Audiosignals dar. Als einfaches Beispiel: wenn das Audiosignal mit der gleichen Frequenz abgetastet wird wie der HORIZONTAL- SYNCH-IMPULS von Fig. 1, wird eine Audioabtastung bei jedem SYNCH-Impuls erhalten. Jede Audioabtastung kann dann benachbart zu einem SYNCH-Impuls innerhalb des BREEZEWAY dieses SYNCH-Impulses angeordnet werden, wie durch die Pfeile angezeigt. Jeder Pfeil zeigt auf ein Audiofragment. Die Fragmente wurden in Verbindung mit Fig. 1A erläutert.

EINE IMPLEMENTIERUNG ZUM ABLEITEN VON AUDIOABTASTUNGEN

Abtastung und Codierung

Zahlreiche mögliche Ansätze sind verfügbar, um das Audiosignal abzutasten und die Abtastungen im Breezeway anzuordnen. Ein Ansatz wird erläutert und Bezug nehmend auf Fig. 7 beschrieben.
Das analoge Audiosignal wird durch einen Sigma-Delta- Codec 10 digitalisiert oder abgetastet, der an Punkt 13 einen seriellen Strom aus digitalen Wörtern erzeugt. Ein Seriell-parallel-Umwandler 16 ordnet den seriellen Strom in Gruppen zu zwei 16-Bit-Abtastungen an und übergibt diese zwei Abtastungen parallel an einen ADPCM-Codierer 19 (hier "ADPCM 19" genannt). Die ADPCM- Codierung ist dem Fachmann vertraut.
Der ADPCM 19 komprimiert die zwei 16-Bit-Abtastungen zu einer einzigen 8-Bit-Abtastung, wodurch die Datenmenge um den Faktor vier (von 32 Bit auf 8 Bit) reduziert wird. Nun ist am Ausgang des ADPCM 19 ein Strom von 8-Bit-Abtastungen verfügbar.
Die Blöcke, die mit 21 beschriftet sind, haben folgende Gesamtfunktion. Sie nehmen jede 8-Bit-Abtastung an, die vom ADPCM 19 ausgegeben wird, und teilen diese in vier 2-Bit-Abtastungen auf. Fig. 8 stellt diesen Prozess dar. Das 8-Bit-Wort "00101011" wird zum Beispiel in vier 2-Bit-Wörter "00", "01", "01" und "00" aufgeteilt, wie gezeigt.
Jedes Zwei-Bit-Wort wird in eine Analogspannung umgewandelt oder codiert. Da jedes Zweibitwort maximal vier mögliche Informationen (00, 01, 10 und 11) darstellt, sind nur vier mögliche Analogspannungen erforderlich.
Die vier möglichen Analogspannungen, die benutzt werden, nehmen eher die Form von vier Spannungsbereichen als die von vier Einzelwerten an. TABELLE 1 unten und Fig. 8 veranschaulichen die vier Bereiche. Die Bereiche laufen zwischen den Grenzen WEISS und GANZ SCHWARZ des Videohelligkeitssignals.

TABELLE 1

Signalwert Digitales Gegenstück
0-100 (T1-T2) 00
101-160 (T2-T3) 01
161-220 (T3-T4) 10
221-255 (T4-T5) 11
Die in Klammern stehenden Werte (z. B. T1) beziehen sich auf die Grenzen, die in Fig. 8 gezeigt sind, und wirken als Schwellwerte. Die Spannung 22 in Fig. 8 liegt zum Beispiel innerhalb des Bereichs, der durch T4 und T5 begrenzt wird. Sie übersteigt den Schwellwert T4, aber nicht T5. Diese Spannung und jede andere, die innerhalb desselben Bereichs liegt, wird als das 2-Bit- Wort "11" behandelt.
Jedes 2-Bit-Wort wird in eine entsprechende Analogspannung umgewandelt, wie im Beispiel in Fig. 8 angegeben, und in den BREEZEWAY eingefügt, wie in Fig. 5 gezeigt. Fig. 5 zeigt vier Stufensignale A, B, C und D, die vier Analogspannungen darstellen. Jede Stufe entspricht einem 2-Bit-Wort.
Jedes 2-Bit-Wort wird in digitalem Format wiederhergestellt, indem das in Fig. 8 gezeigte Verfahren umgekehrt wird. Die Spannung 22 steht zum Beispiel für das 2-Bit-Wort "11". Die wiederhergestellten 2-Bit-Wörter werden zum ursprünglichen 8-Bit-Wort zusammengefügt.

Einfügen des Audiosignals und Senden von Referenzpegeln

Die restlichen Komponenten in Fig. 7 führen zwei Hauptfunktionen durch. Erstens steuern sie den Zeitpunkt des Einfügens der Audioabtastungen in den BREEZEWAY, der in Fig. 5 gezeigt wird. Zweitens senden sie Referenzspannungssignale, die die Schwell- oder Grenzwerte T1 bis T5 in Fig. 8 angeben.
Der Synchrondetektor 24 in Fig. 7 erkennt, wann die verschiedenen Synchronisierimpulse auftreten, und informiert die Videosteuerlogik 27. Auf der Basis des Zeitpunkts der Synchronisierimpulse kombiniert diese Videosteuerlogik 27 die Audioabtastungen mit dem Videosignal, um Signale wie in Fig. 5 gezeigt zu erzeugen.
Das heißt, die Videosteuerlogik 27 wechselt zwischen den folgenden zwei Schritten:
(1) Sie leitet das digitalisierte Videosignal, das vom Video-A/D 30 digitalisiert und vom FIFO 33 gepuffert wurde, durch die Multiplexer MUX1 und MUX2 an den Video-D/A 36.
(2) Zu den geeigneten Zeitpunkten leitet sie die vier Analogsignale, die die 2-Bit-Wörter darstellen (wie in Fig. 8 gezeigt) an den Video-D/A 36, wodurch die vier Analogspannungen in den BREEZEWAY eingefügt werden, wie in Fig. 5 gezeigt.
Darüber hinaus werden während der Vertikalaustastlücke (VBI) vier Spannungen, die die vier Schwellwerte T1, T2 und T3 in Fig. 8 angeben, durch die "VBI Training Sequence" 39 in Fig. 7 gesendet.
Daher fügt das System von Fig. 7, um auf partielle Weise zu rekapitulieren, dem Videosignal die folgenden
Daten hinzu:
- Audioabtastungen (im Breezeway)
- Schwellwerte (z. B. T1) (während der Vertikalaustastlücke).
Der besonderen Ausführungsform von Fig. 7 gemäß werden die anfangs analogen Video- und Audiosignale zunächst digitalisiert. Dann werden sie im digitalen Bereich verarbeitet, bevor sie multiplexiert werden (um das Signal des in Fig. 5 gezeigten Typs zu bilden) und dann an den Video-D/A 36 übergeben werden. Der Video- D/A 36 wandelt die Digitalsignale wieder in den analogen Bereich um, um sie zu senden.
Andere Typen der Verarbeitung, bei denen Audiofragmente in ein Videosignal eingefügt werden, wie in Fig. 1A, können durchgeführt werden. ·

ZUSÄTZLICHE ÜBERLEGUNGEN

1. Die Abtastfrequenzen für das Audiosignal wurden oben erörtert, nämlich eine Frequenz, die der Frequenz des Horizontalsynchronisierimpulses entspricht, und eine Frequenz, die dem Doppelten davon entspricht. Allgemein entspricht die Abtastfrequenz erfindungsgemäß einem ganzzahligen Vielfachen der Frequenz des Horizontalsynchronisierimpulses. (Eins gilt als ganze Zahl).
2. Die Erfindung ist zur Verwendung in Videokonferenzsystemen geeignet, wobei eine Verringerung der Bandbreite sehr wünschenswert ist. Insbesondere kann sie verwendet werden, um mit Kabelfernsehnetzen Videokonferenzdaten in beide Richtungen zu übertragen.
3. Die in Fig. 1-6 gezeigten Wellenformen stellen elektromagnetische Feldstrukturen dar. Die Felder (elektrisch und magnetisch) sind feststellbare Einheiten, die sich im Raum bewegen und Information tragen.
4. Fig. 5 zeigt eine gestufte Wellenform, die die Stufen A, B, C und D umfasst. Jede Stufe entspricht einer digitalisierten Spannung 22 in Fig. 8. Wie oben erwähnt, stellt jede Spannung 22 eine Zwei-Bit-Zahl dar und kann daher als Digitaldaten betrachtet werden.
Ferner stellt jeder Spannungsbereich in Fig. 8, wie z. B. der von T1 bis T2, eine einzige Zwei-Bit-Zahl dar. Das heißt, eine Spannung kann sehr nahe an T2 liegen und eine andere sehr nahe an T1. Doch wenn sie beide zwischen T1 und T2 liegen, werden sie gleich behandelt: Sie stehen beide für 01.
Anders ausgedrückt: theoretisch kann jede Stufe eine unbegrenzte Zahl von Werten annehmen. In der Praxis enthält jede Stufe tatsächlich "N" Bit Informationen. (Ein "Bit" Information ist ein Fachbegriff aus der Informationstheorie.) "N" in Fig. 8 entspricht Zwei. Andere Werte von "N" können 1, 3, 4 und 5 sein. Ein Wert von N, der größer als etwa 10 ist, gilt als unpraktisch zu implementieren.
Im Gegensatz dazu weisen Analogsignale wie z. B. das Fernsehhelligkeitssignal mit der Bezeichnung ZEILE 1 in Fig. 1A kein entsprechendes "N" auf.
Zahlreiche Substitutionen und Modifikationen können vorgenommen werden, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, der in den nachstehenden Ansprüchen definiert wird.

Claims

1. Verfahren zum Erzeugen eines Videosignals, das einen Breezeway umfasst, GEKENNZEICHNET DURCH folgende Schritte:

a) Senden einer kleineren Anzahl von Bildern je Sekunde als vom NTSC- oder PAL-Standard vorgesehen, um dadurch Zeitintervalle zu schaffen, in denen Breezeways ausgedehnt werden können, und Ausdehnen der Breezeways in diese Intervalle; und

b) Einfügen von Audioinformation in die Breezeways.

2. Verfahren zum Erzeugen eines Videosignals, das Audioinformation enthält, umfassend:

a) das Empfangen eines Videosignals, enthaltend

i) Bilder,

ii) Hinterflanken von Horizontalsynchronisierimpulsen

iii) Farbsynchronisationssignale

iv) einen Breezeway zwischen jeder Hinterflanke und ihrem benachbarten Farbsynchronisationssignal; GEKENNZEICHNET DURCH:

b) das Auslassen einer bestimmten Zahl von Bildern je Sekunde, um dadurch ungenutzte Zeitintervalle im Videosignal zu erhalten;

c) das Verlängern der Breezeways, um diese in die ungenutzten Intervalle auszudehnen; und

d) das Anordnen von Audioinformation in die verlängerten Breezeways.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei etwa 75 Prozent der Rahmen ausgelassen werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Audioinformation, die in die verlängerten Breezeways angeordnet wird, ein multiplexiertes Analogsignal umfasst.

5. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Audioinformation, die in die verlängerten Breezeways angeordnet wird, digitalisierte Signale umfasst.

6. Verfahren nach Anspruch 2, umfassend:

e) das Erzeugen von Abtastungen des Audiosignals vor ihrer Anordnung in die verlängerten Breezeways, wobei jede Abtastung eine Binärzahl umfasst, die N Bits enthält;

f) das Aufteilen jeder Abtastung in Unterabtastungen, wobei jede Unterabtastung weniger als N Bits enthält;

g) das Darstellen jeder Unterabtastung durch eine jeweilige Analogspannung; und

h) das Senden der Analogspannungen innerhalb der verlängerten Breezeways.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei N gleich 8 ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei jede Unterabtastung 2 Bits enthält, und die entsprechende gesendete Analogspannung diese zwei Bits darstellt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, umfassend:

i) das Senden von Referenzpegeln innerhalb der verlängerten Breezeways, die verwendbar sind, um den Binärwert jeder Unterabtastung aus dem Analogwert dieser Unterabtastungen wiederherzustellen, der im verlängerten Breezeway enthalten ist.