专利名称：一种在模拟电视基带信号中插入和提取数据的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电视广播网中数据发送和接收的方法及其装置，特别涉及一种在模拟电视基带信号中插入和提取数据的方法及其装置。
在现代电视广播网中，实现双向通信功能日益得到广泛的重视和发展。在很多先进的电视广播网中，其前端设备都能动态地对网内位于用户端的机顶盒进行管理，如进行在线软件升级，密码控制等。用户亦能通过这种双向通信功能得到诸如点播节目，上网浏览等服务。
图1表示具有双向通信功能的电视网的示意图。在图1中，节目广播服务器2送出多路模拟或数字电视节目，经广播网接口3变换成适合在广播传送媒体5中传送的信号后，送至机顶盒7中的广播网接口10，再送入机顶单元8后可送至电视机。通常广播传送媒体5可为有线电视网，亦可以为无线空间。
当有双向通信需求时，交互服务器1可通过交互网接口4，交互网6和机顶盒7中的交互网接口9与机顶盒7进行双向通信。交互网6可以是电话网，这时交互网接口4和9均为电话调制解调器。这个方式的问题在于数据传输速率很低，无法满足日益增长的高速数据通信业务的需求。
为了提高下行速率，交互网6中的下行交互通道11可以通过与广播传送媒体5一样的媒体传送，如在有线电视网中，它占用一个频道传送数字信号。同样，上行交互通道12亦可通过有线电视网中的一个频带传送，这样可实现高速双向通信。
但这种工作方式的问题是在机顶盒中必须有两个高速数字接收机(一个在广播网接口10中，另一个在交互网接口9中)，从而使机顶盒7成本很高。为了降低成本，从交互式服务器中发出的数据可送入广播网接口3，与从节目广播服务器2中发出的数字电视数据流先进行时分复合，调制后再在同一个频道内传送，而接收端机顶盒7可将解调后的电视节目与交互式数据分离，从而实现用单一接收机同时接收数字电视节目和获得高速下行数据服务。
但由于历史的原因，模拟电视节目还将存在很长时间，节目广播服务器2中将在不同的频道中同时播出模拟和数字电视，它们将在同一广播传送媒体5(如有线电视网中的电缆)中传送，这样当机顶盒7正在接收模拟电视节目时，将无法同时接收交互式数据，从而严重限制了单接收机机顶盒的应用。
本发明的目的就是为解决上述问题，使机顶盒在接收模拟电视的同时还能同时收到数据，而且在模拟信号中插入的数据将不会影响通常模拟电视接收机的工作。
本发明的在模拟电视基带信号中插入数据的方法，其特征在于，将所述数据经过调制后插入模拟电视基带信号的垂直回扫消隐行时隙中，或插入正程行的同步时隙中；或同时插入模拟电视的基带信号垂直回扫消隐行时隙和正程行同步时隙中。
当将经过调制的数据插入所述同步时隙中时，该已调数据信号的频率范围处于行同步头信号频谱和彩色副载波信号频谱之间的空隙中。
当所述数字信号的信噪比较大时，对所述数据的调制方式是高阶正交振幅调制方式；而当所述数字信号的信噪比较小时，对所述数字信号的调制采用低阶正交振幅调制方式。
对所述插入在垂直回扫消隐行时隙中的已调制数据的带宽与模拟电视信号的带宽相同。
在提取所述数据时，使其先通过一个用于滤除行同步头及彩色副载波信号的带通滤波器。
本发明还提供一种用于将数据插入模拟电视基带信号的发射端的调制器，包括比特到符号变换器、开方升余弦滤波器、90度移相器、乘法器、加法器和数模转换器，还包括增益控制放大器；与比特到符号变换装置连接的时钟锁相电路；与90度移相器及乘法器连接的本振锁相电路；与增益控制放大器连接的彩色副载波幅度检测电路；及与时钟锁相电路、本振锁相电路、彩色副载波幅度检测电路连接、接收电视基带信号的彩色副载波提取电路。
本发明还提供一种用于对插入模拟电视基带信号的数据进行解调的解调器，包括增益受控放大器、数模转换电路、开方升余弦滤波器、90度移相器、乘法器，还包括与增益受控放大器连接的彩色副载波幅度检测电路；与数模转换电路连接的采样时钟产生器；与90度移相器及乘法器连接的数字振荡器；与增益受控放大器、彩色副载波幅度检测电路、采样时钟产生器、与数字振荡器连接的彩色副载波锁相电路。
所述时钟锁相电路和本振锁相电路的信号分别与彩色副载波信号锁相同步，并产生相应的时钟信号。
所述数字调制信号电平与彩色副载波电平维持一固定比率。
所述采样时钟产生器与彩色副载波锁相电路产生的彩色副载波信号锁相，产生时钟信号；所述数字振荡器与彩色副载波锁相电路产生的彩色副载波信号锁相，产生同步本振信号。
本发明的有益效果是，通过采用本发明所提出的在模拟电视信号中插入数据的方法，使得模拟电视在利用机顶盒接收模拟电视信号的同时，也能接收数字信号，而不会影响电视接收效果。
以下通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。
图1表示具有双向通信功能的电视网的示意图。
图2是包括同步时隙在内的模拟基带信号的波形图。
图3是本发明的将调制数据信号插入模拟电视信号的频谱示意图。
图4是现有的电视广播网中数据调制发送端和接收端的结构图。
图5(a)是本发明的用于在模拟电视基带信号中插入数据的调制器，图5(b)是本发明的用于在模拟电视基带信号中插入数据的解调器。
本发明的在模拟电视基带信号中插入数据的方法，是将经调制后的数据插入在模拟电视信号基带信号垂直回扫消隐行时隙中，亦可同时插在正程行的同步时隙(这里及以后所述的同步时隙指任何行从行同步头起始点至图像信号起始点之间的时隙)中。在垂直回扫消隐行时隙中，除了按标准需求必须保留的数行时隙外，其它每行时隙除同步时隙外均可插入具有与模拟信号类似信号强度的已调制信号。由于在这些时隙中己调制数据信号的信噪比可高于40dB，为了提高数据传输效率，调制方式可采用高阶调制方式，如多电平正交调幅(M-QAM)调制方式(其中电平级数M可高于64)，而且已调制信号的带宽可以与模拟电视信号带宽类似。(比如对NTSC制式为6MHz和对PAL制为8MHz)。
经过处理后的已调制信号亦可插入正程行的同步时隙中。正程行的模拟基带信号在时域中的波形如图2所示，其中13为行同步头，14为彩色副载波，15为模拟电视信号。若数据信号直接插入同步时隙中，它将与行同步头和彩色副载波信号形成互相干扰。所以数据信号必须经处理后方可插入。从频域特性而言，同步信号13和14仅占有整个模拟电视信号带宽的低端和高端，如图3所示，行同步头信号频谱分量主要处于0至1.5MHz范围，而彩色副载波信号主要处于3.0MHz(对NTSC制)或3.5M(对PAL制)以上，在普通电视机内，同步信号恢复电路中有一低通滤波器仅滤出行同步头信号而在彩色恢复电路中又有一高通(或带通)滤波器仅滤出彩色副载波信号，所以若将数据调制后使其正好处于行同步头信号频谱和彩色副载波信号频谱之间的空隙中，它将不会对普通电视机造成干扰。
而数据接收机端在接收这类已调制数据时使其先通过一带通滤波器，将行同步头及彩色副载波信号滤除，仅仅取出已调制数据信号，即可防止模拟电视信号干扰数字信号。为了尽量消除已调制数据信号对模拟同步信号的干扰，已调制数据信号的电平应小于模拟电视信号电平。在这种情况下，数字信号的信噪比将降低，所以必须采用较低阶的调制方式，如4QAM或16QAM。在同步时隙中发送信号的调制方式可以与在垂直回扫消隐行中发送的信号的调制方式不同，但因在垂直回扫消隐行中亦有同步头，为了简化电路设计，避免过于频繁的调制方式切换，在垂直回扫消隐行的同步时隙中可以不传送数据。
为了提高抗干扰能力，上述两种插数据方式中均可采用前向纠错编码方案，比如常用的卷积编码方式和块编码方式。由于信号是以突发方式发送，块编码方式比较更合适一些，如RS编码方式等。为了消除促发式干扰的影响，一般都同时采用交织编码。为了使接收端同步电路能正常工作，扰码也是常用的一种方式。一种综合了上述各种信号处理方案的发送端和接收端实现方案如图4所示。
欲发送的数据在发送前先经过前向纠错编码17，交织编码18和扰码19处理后送入FIFO20，发送时间控制器22受模拟电视发送设备内部同步信号的控制，在合适的时隙中(即同步时隙和回扫消隐行时隙)控制调制器21的工作时间和调制方式。在接收端，接收时间控制器24受接收同步电路28控制(这种接收同步电路28与普通模拟电视机中的相应电路类似，不再详述)，控制解调器23工作时间和工作模式。解调后的信号经解扰码25，交织解码26和前向纠错解码27后输出。图中各个数字信号处理部分均为现有成熟技术，不再详述。
在一般情况下，同步解调以突发方式发送的信号难度较大，一般需要比较长的前置码，使接收机端能够进行自动增益控制和各种同步工作(如频率校正，相位校正和时钟恢复)，因这种前置码不含有欲传送的数据，所以会影响频道利用率，降低用户数据传送率。
为了解决这一问题，在发送端调制器21的本振信号源可以与彩色副载波锁相，而已调信号发送电平则与彩色副载波电平相关联(即维持一固定幅值比率)。这样在接收端一个与普通电视机内部彩色副载波恢复电路类似的电路可方便地将彩色副载波恢复出来并作为解调电路的参考频率，而一个与普通电视机内增益控制电路类似的电路亦可完成增益控制功能。若在调制端使控制数据送入调制器的时钟信号也与彩色副载波锁相，则在接收端已恢复的彩色副载波也可作为数模转换器的时钟信号，从而同时完成时钟恢复工作。一种可能的调制器和解调器实现方案如图5所示。
如图5(a)所示，彩色副载波提取电路29从电视基带信号中提取出彩色副载波信号。时钟锁相电路30和本振锁相电路31分别与彩色副载波信号锁相同步并产生相应的时钟信号和本振信号。比特到符号变换电路32在时钟信号驱动下取得比特序列并变成两路符号，它们分别通过两个开方升余弦滤波器33和34后进入乘法器36和37，本振信号的一路经90度移相器38后进入乘法器36，另一路直接进入乘法器37，输出信号在加法器39相加后，先送入数模转换电路54后，再送入增益受控放大器40。彩色副载波幅度检测电路35检测出彩色副载波幅度并控制增益受控放大器40的放大倍数从而使已调数字信号的幅度与彩色副载波幅度有一固定的比率。
图5(b)为接收部分电路。经调幅解调后产生的基带电视信号(其中含有已调数字信号)同时送入增益受控放大器41，彩色副载波幅度检测器42和彩色副载波锁相电路43。彩色副载波幅度检测器42测出彩色副载波幅度，从而按预定的数字调制信号与彩色副载波幅度比率设置增益受控放大器的增益。采样时钟产生器54与彩色副载波锁相，产生时钟信号供给数模转换电路44，数字震荡器45与彩色副载波锁相，给由乘法器46,47和90度移相器48组成的解调电路供给同步本振频率，这样从乘法器46和47输出的信号已经是频率、相位和时钟与发送端完全同步了的基带数字信号，无需额外的同步电路。两路基带信号分别通过开方升余弦滤波器49、50和量化器51、52后变成数字符号，经符号比特变换器53后输出比特数据流。
如前所述，上述实现方案中所述及的各种与彩色副载波相关的电路与现有的模拟电视信号收发送设备中的相应电路完全类似，而其余的锁相电路或信号发生电路亦是目前完全成熟公开并已得到广泛应用的技术，与调制、解调有关的电路，如比特到符号之间的变换电路，开方升余弦滤波器，乘法、加法器等亦是标准常规技术，故在此不再详述。
上述各种方案中所涉及的多种数字信号处理算法(如前向纠错编解码，调制解调，滤波等)可以用硬件芯片实现，也可以用软件在高速通用DSP芯片中实现。这类硬件和软件算法之间的转换已是公开已知技术，故不再详述。
由前所述可见，本发明提出的在模拟电视基带信号的同步头时隙及垂直回扫消隐行中插入已调制信号的方法可以使在接收模拟电视信号的同时亦能收到高速数字信号，而且由于发送和接收各信号均与彩色副载波锁相，所以整个接收电路可以很简便地实现，避免了复杂的多种同步电路，也避免了前置码的使用，从而大大提高了信道利用率。
权利要求
1．一种在模拟电视基带信号中插入数据的方法，其特征在于，将所述数据经过调制后插入模拟电视基带信号的垂直回扫消隐行时隙中，或插入正程行的同步时隙中；或同时插入模拟电视的基带信号垂直回扫消隐行时隙和正程行同步时隙中。
2．根据权利要求1所述的插入数据的方法，其特征在于，当将经过调制的数据插入所述同步时隙中时，该已调数据信号的频率范围处于行同步头信号频谱和彩色副载波信号频谱之间的空隙中。
3．根据权利要求1或2所述的插入数据的方法，其特征在于，当所述数字信号的信噪比较大时，对所述数据的调制方式是高阶正交振幅调制方式；而当所述数字信号的信噪比较小时，对所述数字信号的调制采用低阶正交振幅调制方式。
4．根据权利要求1所述的插入数据的方法，其特征在于，对所述插入在垂直回扫消隐行时隙中的己调制数据的带宽与模拟电视信号的带宽相同。
5．一种对插入模拟电视基带信号的数据进行提取的方法，所述数据用权利要求1所述方法插入模拟电视信号，其特征在于，在提取所述数据时，使其先通过一个用于滤除行同步头及彩色副载波信号的带通滤波器。
6．一种用于将数据插入模拟电视基带信号的发射端的调制器，包括比特到符号变换器、开方升余弦滤波器、90度移相器、乘法器、加法器和数模转换器，其特征在于，还包括增益控制放大器；与比特到符号变换装置连接的时钟锁相电路；与90度移相器及乘法器连接的本振锁相电路；与增益控制放大器连接的彩色副载波幅度检测电路；及与时钟锁相电路、本振锁相电路、彩色副载波幅度检测电路连接、接收电视基带信号的彩色副载波提取电路。
7．一种用于对插入模拟电视基带信号的数据进行解调的解调器，包括增益受控放大器、数模转换电路、开方升余弦滤波器、90度移相器、乘法器，其特征在于，其还包括与增益受控放大器连接的彩色副载波幅度检测电路；与数模转换电路连接的采样时钟产生器；与90度移相器及乘法器连接的数字振荡器；与增益受控放大器、彩色副载波幅度检测电路、采样时钟产生器、与数字振荡器连接的彩色副载波锁相电路。
8．根据权利要求6所述的调制器，其特征在于，所述时钟锁相电路和本振锁相电路的信号分别与彩色副载波信号锁相同步，并产生相应的时钟信号。
9．根据权利要求6或8所述的调制器，其特征在于，所述数字调制信号电平与彩色副载波电平维持一固定比率。
10．根据权利要求7所述的解调器，其特征在于，所述采样时钟产生器与彩色副载波锁相电路产生的彩色副载波信号锁相，产生时钟信号；所述数字振荡器与彩色副载波锁相电路产生的彩色副载波信号锁相，产生同步本振信号。
全文摘要
本发明提供在模拟电视基带信号中插入和提取数据的方法及装置,将该数据经调制后插入模拟电视基带信号垂直回扫消隐行时隙或正程行的同步时隙中。当经调制的数据插入正程行的同步时隙中时,该数据信号的频率范围处于行同步头信号频谱和彩色副载波信号频谱间的空隙中。在发送端,时钟锁相电路和本振锁相电路的信号与彩色副载波信号锁相同步,在接收端,采样时钟产生器和本振锁相电路与彩色副载波锁相电路的彩色副载波信号锁相同步。
文档编号H04N7/08GK1310552SQ00103050
公开日2001年8月29日 申请日期2000年2月24日 优先权日2000年2月24日
发明者詹军, 杜聚龙 申请人:北京华诺信息技术有限公司