专利名称：彩色电视传输系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及彩色电视传输系统。
为了在宽高比为4∶3的现有电视标准(如，PAL，SECAMNTSC)中引入16∶9的宽图像格式，我们先讨论所谓的“信箱(letterbox)”方法(见G.Holoch于1989年1月17日在FKTG讲座上所作的“Verbesserungsmoglidkei-tenundEntwicklungstendenzenbeiPAL(PAL制的改进可能性和发展趋势)”和F.Muller-Romer在Fernseh-undKinotechnik(电视及电影技术)第43卷，1989年6月号上所发表的“KunftigeFernsehsysteme(未来的电视系统)”。在这种方法中，16∶9方式记录的全部信息能兼容地以图象上下边缘为黑色的方式在4∶3接收机上重现出来。在美国已经开始进行这样一个工作，即把16∶9的图象形式以和NTSC制兼容的方式发射出去(见H.Weckenbrock和W.Wedam在Fernseh-undKinotechnik(电视及电影技术)，第42卷，1988年7月号上发表的“ACTV-AdvancedCompatibleTelevision(先进的兼容电视)-Vorschlagfureineneue，kompatibleBreifbild-FernsehnormfurdieUSA”)。(新建议适用于美国的宽屏幕电视标准)。
在原理上，对于PAL系统来说，象ACTV一样之类似的条件出现在把16∶9的大小的信息资料调制在一个亚副载波上并以和4∶3的图象信息兼容的方式将它传输出去。然而，比起在一个NTSC系统中，这个副载波必须具有不同的频谱位置，因为在PAL频谱中的“自由空间”(伴随着滤波而不得不出现的所谓的“Fukinuki孔”)正好处在被NTSC系统的彩色传播分量(I，Q)所占据的位置。
实验显示，附加信息在幅度上必须低20dB以保证在一个标准的接收器中几乎无干扰的兼容接收。另外，在ACTV中，高能量的低频附加信息在行的过扫描区域来传递。这个过扫描区域包括常常不显示于标准接收器上的行边缘部分。这一显示的区域是可以变化的，因此，在标准接收器中，在横向的边缘范围内，被传递的附加信息就会是可察觉的。
由于用于标准接收器和16∶9接收器的“信箱”方法中也仅仅只有一个宽度大约为5MHz的发送频带可用，其结果就是16∶9接收器的水平视在分辨率(脉动数/在等视距下的视角)与标准接收机相比以相当于两者的图象宽高比的比值(16∶9)/(4∶3)＝1.333的数量下降。然而最好标准的和16∶9接收器具有相等的水平助分辨率，这一点是我们所希望的。
本发明的目的就在于提出一个用于PAL信号的兼容传输系统，这一系统可以向标准的接收器提供一个宽高比为4∶3的图象，该图象的在“信箱”方法中可部分被填充;还可以向改进的接收器提供一个规格为16∶9的图象，特别是能够具有相当于4∶3规格的水平助分辨率。
这一任务已由权利要求1中所述的特征所完成。本发明的一些新进展在附属权利要求中给出。
首先，在发射机这方面，代表大图象宽高比16∶9的附加信息被调制于在PAL信号的传输中出现的彩色信息U和V上，并选择了一种调制模式，借助于这种模式彩色信息U和V的频谱范围可以互相重叠。例如这可以正交调制的方法来实现。在一个对彩色信息U和V解码的标准接收器中，由于缺少对应的解码器，这一附加信息就被抑制了。在另一方面，一个用于16∶9图象宽高比的改进了的接收器中包含了一个相应的译码器，这个译码器可以和用于标准信号的译码器一起，提供一个16∶9规格的图象。
在“信箱”方法中，发射机中由于图象的扩大而引起水平方向的高频亮度信号分量消失，这部分信号可以从总的亮度信号分离出，并可以被调制在彩色信息U和V上。
下面，用附图顺序地说明这项发明的实施例。
图1是一个NTSC信号以垂直空间频率fy和时间频率ft(参照有效扫描行数)为座标的频谱;
图2是一个PAL信号以垂直空间频率fy和时间频率ft(参照有效扫描行数)为座标的频谱。
图3宽屏幕PAL编码器的方框图表;
图4边长比4∶3和16∶9的图象显示;
图5，16∶9的边缘信息的亮度分辨率;
图6，第一个例子的时分割多路传输(timeplex)部分;
图7.第二个例子的时分多路传输(timeplex)部分;
图8.用于第二个实例的滤波装置11;
图9.宽屏幕PAL译码器的方框图;
图10.根据图5用于组合亮度分量的装置;
图11.获得高频率亮度信号分量的电路;
图12.亮度信号的频谱;
图13.亮度信号的第一次调制和解调的频谱;
图14.亮度信号的第二次调制和解调的频谱;
图15.较高频率分量(在垂直空间频率和水平频率座标内的附加信号)的频谱。
在图1和2中，显示了对于在fy-ft座标内的NTSC和PAL信号的亮度和色度信号的频谱位置。从图1和图2我们可以看出，在色彩传输上NTSC和PAL有很大的差别。由于在PAL系统中的V信号逐行倒相，PAL系统中的U和V信号在频谱中并不占据同样的位置，就象NTSC系统中的I和Q信号所出现的情况一样。由于这一原因，在本发明中，PAL系统中的这些频谱区域被二次占据。同时，在附加信号中的16∶9宽高比信号的附加信息就以正交调制形式调制在色彩载波上。
下文中称之为“宽屏幕PAL”的彩色电视系统，允许编/译码以及16∶9图象信号的PAL兼容传输，并具有下列优点对于通用的PAL接收器具有良好的兼容性，通用的PAL接收器通过用在亮度线路上采用陷波滤波的办法，保证了对亮度信号的交叉干扰的抑制，用同步的色彩解调办法，附加调制在色载波上的正交分量不会被解码，在PAL演播室中可直接记录大屏幕的PAL信号，通过色同步脉冲保证了足够的稳定性，因此，使宽屏幕信号得以很简单地重现。
图3显示了一个宽屏幕PAL的编码器，一个图象宽高比为1∶9的信号可以用作信号源。这些信号起源于顺序扫描和隔行扫描(例如1250/50/1∶1，1250/50/2∶1，625/50/1∶1，625/50/2∶1，525/60/1∶1或525/60/2∶1)。对于其它不满足传输标准的信号源来说，必须设置一个匹配的(自动)译码处理过程，从而保证提供满足传输标准的信号。在图象宽高比为16∶9、扫描线为625条的情况下，尚待处理的R，G，B彩色信息，首先在矩阵1中被转换为亮度分量Y和两个彩色分量U和V。然后，这些16∶9的信息在一个分量电路2中分量就被分割成4∶3的中间信息和16∶9的边缘信息信号，见图4。由于4∶3的中部信息只对应于52微秒的有效扫描线的仅仅3/4，这一信号必须在时间上以4/3的信率来扩大，以正确几何比率产生与标准接收器兼容的信号。这是由一个扩展电路3来完成的。随后，一个常规的陷波滤波器可以引入亮度通道Y中，以避免色彩交叉的干扰。色度信号U和V在一个低通滤波器5中从行频至1.3MHz(-3dB)分别进行前置滤波(根据CCIR推荐)。接着，以场频fy进行场低通滤波，把色度信号的垂直分辨率限制到72C/pH(角频率/图象高度)。这样场色彩分辨率正好与MAC信号一样高(MACmultiplexedanaloguecomponents)。这一场前置滤波系统的理论上的必要性可以从图2中看出，也就是这样以后即使在引起ft方向频谱分量的扩大的活动图象中，频谱区域的场重叠(verticalalias)也避免了。
这样一个经过前置滤波的色度信号然后就被送到一个普通的PAL调制器7上。PAL调制器7的输出信号就是对PAL色彩载波正交调制的色度信号Uf和Vf，它们与一个用时间延迟线性电路8调节过的Y信号和(比方说)一个标准的同步信号一起，形成一个常见的CSCC(compositevideosignalcolorcorrection)信号。这些信号的结合由一个加速电路9来执行。象在标准的编码器中一样，PAL调制器7采用了色彩载波的0度相位位置来调制U参量，(以下称Fu)以及用相位为+/-90°的色载波调制V正交分量(以下称为Fv)。载波Fu和Fv都可以被引出PAL调制器7并可在处理宽屏幕PAL信号时使用。
16∶9的边缘信息仅仅占据了一行上52微秒总时间的1/4。亮度信号Y首先被送到一个扩展电路10上，其扩大倍率的系数是4，接着这个信号来到一个滤波电容11，该电路11为未经时间扩展的Y基带信号产生Y1和Y2分量，图5所示。
在第一个实例的执行过程中，滤波装置11产生了一个信号Y2，其场频限制在72c/ph，并在水平方向上占据了宽度为1MHz的频带(基带4MHz，图5)和一行的整个扫描时间。经过一个扫描时间(行延迟)适配器12之后，这个信号来到一个时分复用器13，在这里与色度信息一起，在时分多路传输中产生了色度和亮度信息的成分。
16∶9的边缘信息的色度信号被一个变化系数为2的压缩/扩展器14所扩展，接着在一个行低通滤波器15进行前置滤波，例如，可变成一个宽度为500KHz(相当于扩展后的250KHz)的基带信号。然后色度信号U和V通过一个场滤波器16，这一滤波器将场分辨率限制在72c/ph。现在，时分复用器就以图6的方式选择色度信号U和V以及亮度信号Y2。色度信号U和V分别占据了50%的行期间，亮度信号Y占据了10%的行时间。亮度信息Y2于是就被送到一个线性调制器17上，这个调制器以调制频率的方式接收一个被移相器18旋转了90°相位角的彩色载波Fu。色度信息U和V被送入另一个线性调制器19，这个调制器以调制频率的方式接收一个被移相器20旋转了90°相位角的彩色载波Fv。然后，彩色载波频信号被送到二个减幅器21，22，在这里幅度以一个小于1的因数被降低，以便获得对标准的PAL接收器更好的兼容性。此后，这些信号就送到加法电路9，并且与标准PAL输出信号结合在一起，经编码后形成一个兼容的CSSC宽屏幕PAL信号。
在第二个实例中，边缘区域场亮度分辨率增加了。必要的参量Y1，Y1′，U和V在时分复用器13中混合，并以图7中所示的方式合并起来。这样，亮度分量Y2再次占据了一行的整个扫描时间，而每个彩色分量U和V分别需要6.5微秒，亮度分量Y1需要39微秒。在线性调制器17里，宽带的亮度分量Y2再次被调制在Fu载波上。根据图5，滤波装置11再次产生分量Y1和Y2，在图8中，一个相补的场滤波器11a提供了一个场分辨率为0-72c/ph的分量Y2和一个场分辨率为72～144c/ph的分量Y1。在行滤波器11b中，亮度参量Y2被限制在一个亮度为4MHz(经时间扩展的1MHz)的基带上。亮度分量Y1通过反相器11c在垂直方向上位移372c/ph，使得现在场频的位置达到了0～72c/ph。经过一个行滤波器11d后，信号Y1′以宽度为3MHz(经时间扩展后的0.75MHz)的基带的方式产生。16∶9边缘信号的色度信息U和V占据了一个有效行的全部时间13微秒。这些信号在时间上被系数为2的压缩/扩展器14压缩，然后送到一个低通滤波器15，该低通滤波器把基带限制成500KHz的水平分辨率(压缩后为1MHz)。后面接有场滤波器16。在时分复用器13中，按照图7，产生信息成分(U/V，Y1′)。在线性调制器19中，这些成分被调制在彩色载波Fv上。图9图9展示了一个宽屏幕的PAL解码器，其中，CSCC信号首先被送到一个普通的PAL解调器23上。这个解调器提供了4∶3宽高比的图象中部信息的分量信号Y、U和V。随后，色度信号U和V通过一个场滤波器34，并被低通滤波到0-72c/ph。延迟线电路24，在时间上调整Y、U和V信号，使之适应于16∶9边缘信息信号。CSCC信号又通过一个带通25，该带通最大带宽为2MHz，并具有处于色载波频率上的中心频率。一个时钟脉冲发生电路26，从存在于CSCC信号中的色同步脉冲中重新获得Fu和Fv。Fu和Fv被送到90°移相网络27和28中。时钟脉冲发生电路也接收未经带通滤波的CSCC信号，以便产生一个行同步控制信号S。经相位角旋转了的彩色彩载波信号输出到解调器29和30上。另一方面，这些解调器还接收经带通滤波的CSCC信号。针对于发射机这边的衰减，解调出来的分量信号在放大器31、32中得到因数小于1的1/a的放大。放大器后面接有一个将信号限制在0-72c/ph的场滤波器33。这些信号来到一个逆-时分复用器中，并被分解成亮度和色度信号。例如在第一个实例的执行过程中，对于边缘信息期间，一个压缩/扩展器36，在边缘信息期间以系数2压缩第一个实施例中的色度信号，并以系数4压缩亮度信号。在一个存贮装置37中，信号可以在一行的持续时间以后被读出。一个选择器38通过控制信号S来控制，并以边缘信息和中部信息的顺序来转换YUV信号，在逆一矩阵39中，这些YUV信号被转换成RGB信号。
在第二个实施例中，亮度信息包括Y1′和Y2二个分量。图10中示出了一个用来组合这二个分量的装置。在接收机一侧，逆-时分复用器35提供这二个Y分量信号。Y1′分量在扩展电路40中被扩展至52ms的有效行长度，然后由转换器41转换至72-144c/ph的垂直位置，在加法电路42中与Y2分量相加。其结果是如图5所示的亮度信号。在行期间分别只占据6.5ms的色度分量U和V在压缩/扩展器36中被因子“2”扩展至边缘信息期间。电路部分37至39对YUV信号的处理与第一个实施例中的情况相同。
在第三个实施例中，因图象宽高比扩展而丢失的场高频亮度信号被从总亮度信息中分离出来并调制在彩色信息U和V上。
使用如图11所示的电路装置可以从总亮度信息中分离出附加传输的高频亮度信息。将亮度信号Y送入一个低通滤波器TP1，经低通滤波后的亮度信号接着由行延迟电路110调整，并从亮度信号Y中减去。图12中示出了相应的频谱表示。
图12中的实例中选择的频率以巧妙的方式满足了因为图象边长比的缘故而提高了的要求。从根据CCIR-第601项推荐的数字演播室的亮度分辨率(6.75MHz)和带宽为5MHz的传输信道，可算出待传输的总亮度信号的带宽为5MHz×(16∶9)/(4∶3)＝6.75MHz。低通滤波器TP1的边缘(两侧)必须位于传输信道的OdB带宽内，并且是与4.5MHz相对称的Nyqnist(奈奎斯特)边缘。虽然，根据图11相补的频带分裂开来，但边缘的路径(path)不是必须象一个奈奎斯特边缘。
图13中以频谱表示的方式表示了以第一种方法为亮度Y＊的兼容传输而进行的调制，滤波及重现。图13a所示的信号Y＊通过对(比方说)6.75MHz进行调制而移到了图13b所示的频谱位置。在从图13b所示频谱位置通过(比方说)U分量对载波f＊SC进行正交调制的方法移动至图13c所示的频谱位置之前，前面产生的位于13.5MHz处的分量可以用一个低通TP2滤掉，或者由传输讯道抑制掉。具有一个固定相位和一个在+/-90°之间切换的相位的f＊SC包括第一或第二实施例中的移相器18和19的二个输出信号。
图13c中示出，要进行带宽为B的亮度信号(图13a)的兼容传输，传输带宽需2×B。标准PAL接收机的亮度支路中用轮廓线画出了陷波滤波器130，显示出在兼容接收中只对附近亮度信号进行少量抑制，因此，亮度的交叉干扰还是出现的。
在16∶9接收机中，对f＊SC再进行一次调制，从而把图113c所示的频谱移至图13d所示的频谱上。通过对6.75MHz进行一次新的调制即把图13d中的频谱移至图13e中所示的频谱。一个低通TP3滤出所需的Y＊分量，该Y＊分量再与在宽带传输(即处于原位的)宽度频谱相结合，构宽带总频谱Y(图12a)。象Y＊一样，高频U，V信号分量也可以经处理后作为U＊和V＊调制在V分量的载波上。
图14中示出了为了进行兼容传输而对亮度分量Y＊进行调制、滤波和重现的第二个可能的方案。首先，再次使用图11所示的电路装置以图12所示的方法建立起高频亮度分量Y＊。如果把Y＊理解为为是通过对f1调制而移至图14a所示的基带亮度分量，那么，Y＊可以用对f(＝f1-f＊SC)进行单边带调制的方式移至所要的兼容传输的频率范围内。因对f＝f1-f＊SC调制而出现的f＝2f1-f＊SC的频谱分量(图14b)可以用一个低通TP4滤出或被传输讯道所抑制。图14c中示出，对位于标准PAL接收机的陷波滤波器140的中心的Y＊的兼容传输只需用带宽B。因此，兼容接收机中的亮度交叉干扰被以一种方便的形式抑制掉了。
在16∶9的接收机中，通过对f＝f1-f＊SC再进行一次解调，使Y＊分量回到图14d所示的原始位置上。调制后出现在f＝f1-f＊SC的频谱分量借助于一个高通HP滤掉。
如果f1表示彩色载频fSC(对应于移相器18和19的输入信号)的倍数，那么，就可以很方便地为f1确定其值。因为此时接收装置中的同步可以通过色同步脉冲来实现。举个例子来说，f1可以等于(5/4)×fSC。如果如图14所示的频带分裂以这样的方式进行，即低通TP1具有一个与彩色载波fSC对称的边缘(边带)，彩色载波fSC可以在16∶9接收机中进行频谱分量合并(组合)时可以很方便地用作相位基准。从P3414271.1中可以查出这样建立相位基准的方法。
由于正如上面所述的那样，为了避免与活动图象相混淆，只有那些附加频谱分量才被调制在其垂直分辨率不超过72c/ph的彩色分量U和V上，因此，最好使16∶9接收机中的高频亮度信号的垂直分辨率扩展至72c/ph之外，从而使标准接收机和16∶9接收机在垂直分辨率上达到和谐。图15中示出了对图2所示的高频亮度分量的相应地提高了的垂直频带限制。垂直分辨率被限制在625行内插扫描系统的系统理论(扫描理论)所允许的144c/ph。图15所示的总频谱可分成一个Y1＊分量和一个经过互补垂直滤波的Y2＊。Y1＊由于伸展范围在0至72c/ph之间，因此可以直接正交调制在PAL制中的U和V分置上;而Y2＊(72c/ph至144c/ph)必须先在垂直位置上移位使该分量落在0至72c/ph之间，然后才能调制在V或者U上。其相应的方法已经在第二个实施例中结合图3，5，7，8和9描述Y2和Y1′信号时作了介绍。
在第四个实施例中，正交调制在U或V分量上的附加信息表现为一个在接收装置中支持改进了的显示的辅助信号。众所周知，上面的那种改进了的显示中很自然地避免了闪烁效应(25H2闪烁)及行内插形成的“行移动”，从而可以提高视觉垂直分辨率。H.Weckenbrok和W Wedam在《电视与电影技术》杂志第42册，1988年7月号上发表的“ACTVAdranced Compatible Telvsion(高级兼容电视)-Vorschlag fur eine neue，Kompatible Breitband-Fernse hnorm fur die USA(新设想适用于美国的宽屏幕兼容电视)”一文中详细描述于辅助信号这一概念。在调制在彩色载波上(如其他几个实施例一样)的辅助信号的帮助下，可以在下列种类的接收机上实现先进显示·4∶3标准接收机，
·16∶9接收机，·具有增强的亮度分辨率的16∶9接收机，·根据P3912470.3在场行延迟行(verticallinedelayline)中传送附加信号的接收机或彩色电视传输系统。
权利要求
1.用于发送和接收标准化的电视信号的彩色电视传输系统，具有第一个图象宽高比4∶3，其中包含着有关第二个图象宽高比16∶9的信息的附加信号被加在标准电视信号中，该附加信号可以被能使其解码的一个接收机所接收，其特征在于PAL信号中的标准电视信号和上述的附加信号以这样的方法调制在PAL信号中的彩色信息(U，V)上，就是使彩色信息(U，V)的频谱区域被双重占据。
2.根据权利要求1的彩色电视传输系统，其特征在于上述的附加信息中包含有表示超出第一图象格式的边缘图象条的第二图象格式的电视信号。
3.根据权利要求1或2的彩色电视传输系统，其特征在于在发射机一端产生一个带宽比标准电视信号的带宽还要宽的电视信号，超过标准电视信号的较高频率的标准电视信号分量被用作附加信息。
4.根据权利要求1、2和/或3的彩色电视传输系统，其特征在于上述的附加信息在基带频率范围内以时分复用的方式调制在现有的彩色信息(U，V)上。
5.根据权面的一个或多个权利要求的彩色电视传输系统，其特征在于彩色信色(U，V)的频谱区域的双重占用是通过正交调制从而使附加信息的载波的相位位置在任何情况下都与彩色信息(U，V)的载波的相位位置相差90°。
6.根据前面的一个或多个权利要求的彩色电视传输系统，其特征在于上述的附加信息被分成带宽较大的分量和带宽较小的分量，经相应的正交调整以后，带宽较大的分量如重地占据着U分量的频谱区域，而带宽较小的分量双重占据着V分量的频谱区域。
7.根据前面的一个或多个权利要求的彩色电视传输系统，其特征在于在发射机一端，附加信息的幅度被降低;而在接收机一端，又得到相应的提升。
8.根据前面的一个或多个权利要求的彩色电视传输系统，其特征在于附加信息在进入发射机以前先经过垂直前置滤波，在接收机中也进行相应的后置滤波。
9.根据前面的一个或多个权利要求的彩色电视传输系统，其特征在于在发射机一侧对上述的附加信号在时间上压缩或扩展，并在接收机中为了第二种格式而进行相应的时间扩展和压缩。
10.根据前面的一个或多个权利要求的彩色电视传输系统，其特征在于在传输之前先对标准电视信号的亮度和/或色度信号进行垂直前置滤波(见图2)。
11.根据权利要求8的彩色电视传输系统，其特征在于在传输之前，附加信息(图5中的Y1和图15中的Y2)中垂直频率较高(图5和图15中的72至144c/ph)的分量的频率位置通过调制而转换至一个不同的较低的频率范围(图5和图15中的0-72c/ph)，再在接收机中根据其原始频谱位置(图5和图15中的72-144c/ph)重新定位。
12.根据前面的一个或多个权利要求的彩色电视传输系统，其特征在于在传输之前对附加信息进行水平前置滤波，再在触收机中进行相应的后置滤波。
13.根据权利要求12的彩色电视传输系统，其特征在于在传输之前附加信息(图13a中的Y)中水平频率较高的分量的频谱位置通过调制转换至一个不同的、通常较低的频率范围(图13c)，在接收机中再根据它的原始频谱位置(图13c)重新定位。
14.根据权利要求5-13的彩色电视传输系统，其特征在于附加信息(图14a中的Y)中的水平频率较高的分量的转换是通过对接收机中以相位-精确方式产生的一个频率特别是对一个以彩色信息(U，V)的载波频率乘以一个因数后与附加信息的载波频率之差得出的频率进行调制来实现的;上述的因数由两个整数的比值组成，分散频谱用低通特别是通过传输讯道来去除，接收机中是通过对与传输前使用的频率相同的频率进行调制使附加信息(图14c)中的高频分量定位于原始位置(图14a)的，这样，用一个高通(图14b)再进行一次切除就可以得到附加信息(图14d中的Y＊)中的高频信息。
全文摘要
本发明为电视传输系统，该系统在传送一个适合标准电视机接收的4∶3宽高比的TV信号时或者发送“信箱(letter box)”信号时，还发送一个被一种特殊的电视机所接收和解码的有关16∶9宽高比的附加信息。该附加信号在发送部分中产生，包含有较高频谱部分的信息。附加信号被以这样的方式调制在PAL彩色信息(U，V)上，即彩色信息(U，V)的频谱区域被两次占据。
文档编号H04N7/00GK1043419SQ8910907
公开日1990年6月27日 申请日期1989年12月5日 优先权日1988年12月7日
发明者马丁·普兰特霍尔特, 埃里奇·盖格 申请人:德国索姆森-布兰特有限公司