способ передачи цифровой информации в полосе частот телевизионного канала

Формула изобретения

СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ЦИФРОВОЙ ИНФОРМАЦИИ В ПОЛОСЕ ЧАСТОТ ТЕЛЕВИЗИОННОГО КАНАЛА, заключающийся в том, что в верхней части полосы телевизионного канала, свободной от спектров несущих видео и аудио ТВ-сигналов, передают не менее двух дополнительных несущих, модулированных цифровыми сигналами, отличающийся тем, что число дополнительных несущих выбирают четным, пары, образованные соседними дополнительными несущими, разносят по частоте с несмешиванием их спектров, а модуляцию осуществляют путем частотной манипуляции без разрыва фазы в одной паре соседних дополнительных несущих одним цифровым сигналом, причем частоту манипуляции выбирают в области надтональных частот, индекс модуляции выбирают меньше единицы и/или предварительно ограничивают полосу спектра частот манипулируемых несущих в частях, лежащих вне пар этих несущих.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике связи и может быть использовано в системах широковещательного и кабельного телевидения (ТВ) для передачи информации в цифрокодированном виде.

Известен способ передачи цифровой информации в полосе частот ТВ-канала, согласно которому цифровой сигнал передают по дополнительному каналу передачи, организованному путем временного уплотнения канала передачи видео-ТВ-сигнала.

Данный способ, нашедший широкое развитие в системах "Телетекст", позволяет осуществлять передачу информации исключительно при условии работы передатчика ТВ-видеосигнала. Системы, воплощающие этот способ, отличаются невысокой скоростью передачи информации, значительной сложностью и стоимостью.

Известен способ передачи цифровой информации в полосе частот ТВ-канала, согласно которому, как и в изобретении, в верхней части полосы ТВ-канала, свободной от спектров несущих видео- и аудио-ТВ-сигналов, передают колебания дополнительной несущей, модулированной цифровым сигналом.

Данным способом расширяется сервисное обслуживание абонентов ТВ-канала в части передачи дополнительных звуковых сигналов для получения эффектов стереофонии или многоязычного сопровождения ТВ-видеопрограммы. Однако, в нем для модуляции дополнительной несущей применен метод относительной кодирова6нной квадратурной фазовой манипуляции (ОКФМн), обуславливающий достаточно сложное исполнение принимающего устройства и значительные аппаратурные доработки в аудио-ТВ-передатчике, необходимые для организации передачи ТВ-программы с повышенным сервисом из одной студии.

Известен также способ передачи цифровой информации в полосе частот ТВ-канала, согласно которому, как и в изобретении, в верхней части полосы ТВ-канала, свободной от спектров несущих видео- и аудио-ТВ-сигналов, передают не менее двух дополнительных несущих, модулированных цифровыми сигналами.

Данный способ - прототип по сравнению с рассмотренным известным способом отличается большим объемом передаваемой аудиоцифровой информации, из которого абонент может выбрать по своему усмотрению следующей варианты: принять на своем приемнике какой-то один звуковой сигнал для получения речевого сопровождения ТВ-программы на нужном ему языке или принять одновременно два звуковых сигнала для получения стереофонического звучания музыкального сопровождения. Однако, и в рамках этого способа нашел применение сложный метод фазовой модуляции несущих информационных цифровых сигналов, что ограничивает повсеместное его использование в широковещательном ТВ вследствие высокой ожидаемой стоимости абонентского приемника.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, явилось обеспечение возможности организации новых дешевых систем передачи информации, в том числе как локальных компьютерных сетей, так и широковещательной сети, причем при минимуме аппаратурных доработок в действующих ТВ-передатчиках в сочетании с низкой стоимостью аппаратурного оснащения абонентов. Таким образом, заявляемым техническим результатом от использования изобретения является конструктивное упрощение и снижение стоимости систем передачи цифровой информации в полосе частот ТВ-канала.

Достижение данного технического результата обеспечивается благодаря тому, что в способе передачи цифровой информации в полосе частот ТВ-канала, заключающимся в том, что в верхней части полосы ТВ-канала, свободной от спектров несущих видео- и аудио-ТВ-сигналов, передают не менее двух дополнительных несущих, модулированных цифровыми сигналами, согласно изобретению число дополнительных несущих выбирают четным, пары, образованные соседними дополнительными несущими, разносят по частоте с обеспечением несмешивания их спектров, а модуляцию осуществляют посредством частотной манипуляции без разрыва фазы в одной паре соседних дополнительных несущих одним цифровым сигналом, причем частоту манипуляции выбирают в области надтональных частот, индекс модуляции выбирают меньше единицы и/или предварительно ограничивают полосу спектра частот манипулируемых несущих в частях, лежащих вне пар этих несущих.

Покажем, что между совокупностью существенных признаков изобретения и достигаемым техническим результатом имеется устойчивая причинно-следственная связь.

Базирование заявляемого способа на методе частотной манипуляции (ЧМн) без разрыва фазы для модуляции дополнительных несущих априори предопределилось известностью того, что аппаратурное воплощение метода ЧМн без разрыва фазы проще метода фазовой манипуляции (ФМн): поскольку нет необходимости создавать на приеме колебание синхронное и синфазное с несущим колебанием на передаче отпадает необходимость в громоздком устройстве, которое из-за своей сложности имеет низкую надежность. При этом учтен также и частотно-модулирующий принцип действия традиционных аудио-ТВ-передатчиков, предопределяющий минимальность аппаратурных доработок в последних для организации передачи дополнительной цифровой информации в стандартном ТВ-канале в случае использования метода ЧМн. Здесь же следует, вероятно, попутно обратить внимание и на то, что признаки "манипуляция двумя дополнительными несущими" и "безразрывность фазы этих несущих" неотъемлемы друг от друга, поскольку, в противном случае невозможно надежно различить посылку "0" или "1" на приемной части системы.

Надежный прием одного цифрового сигнала (одного потока цифровой информации), манипулирующего одной парой соседних дополнительных несущих, и второго цифрового сигнала, манипулирующего другой парой дополнительных несущих, возможен только при таком разносе частот, когда отсутствует смешивание спектров этих пар как между собой, так и со спектрами несущих видео- и аудио-ТВ-сигналов данного канала.

Надтональность частоты манипуляции в любой паре дополнительных несущих обязательна в силу частотно-модулирующего принципа действия традиционных аудио-ТВ приемников: в противном случае создаются звуковые помехи для абонента традиционной ТВ информации, затрудняющие ему качественную настройку на свою ТВ программу.

Из рассмотрения распределения частот в полосе ТВ-канала, регламентированного ГОСТ 7845-75, видно, что для размещения дополнительных несущих (с учетом указанного несмешивания спектров) есть только 125 кГц в верхней части полосы канала. Как показал расчет, выполненный с учетом того, что для передачи и восстановления прямоугольного импульса цифрового сигнала без существенных потерь параметров импульса следует передать и принять не менее трех гармонических составляющих, при индексе модуляции m 1 даже одну пару частотно-манипулируемых дополнительных несущих не удастся разместить на участке в 125 кГц без смешивания со спектром несущей аудио-ТВ-сигнала данного канала или без смешивания со спектром видео-ТВ-сигнала соседнего канала. Поэтому изобретением регламентировано m < 1. Однако, с другой стороны, если при определенных условиях передачи (например, требуется высокая скорость передачи информационного сигнала или каналу связи присущ высокий уровень помех) придется выбрать величину индекса модуляции, близкую к единице (например, m = 0,8), то можно опять же "не вписаться" в участок а = 125 кГц. Тогда следует еще и предварительно ограничить полосу спектра частот пары манипулируемых несущих в частях, лежащих вне пары. Это можно сделать без ущерба для достоверности передаваемой информации, поскольку две боковые полосы у каждой из пары манипулируемых несущих несут в себе идентичную информацию (значит по одной полосе у каждой несущей можно отфильтровать), а моменты времени передачи этих несущих не совпадают (значит, можно отфильтровать "внешние" полосы, допустив частотное перекрытие "внутренних" боковых полос в паре манипулируемых несущих). При определенных условиях передачи может оказаться целесообразным и сочетание такого "внешнего" ограничения полос спектра пары манипулируемых несущих с выбором индекса модуляции по условию m 1. Таким образом, заявляемым альтернативно через "и/или" сочетанием признаков "индекс модуляции m < 1" и "предварительно ограничивают. . . вне пары этих несущих" регламентируются действия, которые необходимо выполнить, чтобы "вписаться" парами дополнительных несущих в небольшой свободный участок ТВ-канала и в сочетании с другими признаками способа обеспечить достоверную передачу цифровой информации в реальном канале связи с соблюдением в нем требуемых защитных отношений. Понятно, что только благодаря совместному действию этих двух признаков можно организовать один, два, три независимых канала передачи цифровых сигналов.

Таким образом, можно считать доказанным, что вся заявляемая совокупность существенных признаков способа является необходимой и достаточной для решения поставленной задачи с достижением заявляемого технического эффекта.

На фиг. 1 показано размещение частот в радиоканале вещательного ТВ; фиг. 2 - пример размещения спектров двух пар дополнительных частотно-манипулируемых несущих в верхней свободной части полосы частот ТВ-канала, f₁, f₂, f₃, f₄ - дополнительные несущие, f₅ - несущая видео-ТВ-сигнала, f₆ - несущая аудио-ТВ-сигнала, а - ширина свободной части полосы частот традиционного ТВ-канала, l₁, l₂ - разнос частот в парах манипулируемых несущих, F₁, F₂ - полосы частот манипулируемых пар.

Способ осуществляют следующим образом.

На первом этапе выполняют предварительный расчет условий размещения дополнительных несущих f₁, f₂, f₃, f₄ в верхней части а = 125 кГц полосы ТВ-канала, свободной от спектров несущих f₅ и f₆ видео- и аудио-ТВ-сигналов (фиг. 1). Общее число дополнительных несущих должно быть четным для возможности образования i пар соседних несущих (f₁-f₂, f₃-f₄), в каждой из которых будет выполняться частотная манипуляция без разрыва фазы своим i-ым цифровым сигналом _i= (t), передаваемым, например, от центрального компьютера к серии абонентских компьютеров. Отправной точкой расчета является требуемая скорость передачи данных, а точнее частота f_i передаваемого прямоугольного цифрового сигнала, которая должна быть надтональной (f_i > 16 кГц). С учетом того, что для передачи и восстановления прямоугольного импульса без существенных потерь следует передать и принять не менее трех гармонических составляющих модулирующей функции _i= (t), обладающих максимальным уровнем мощности, ширина f_i спектра передаваемого сообщения может быть оценена по соотношению

f_i= 3Kf_i, где К - поправочный коэффициент, зависящий от условий передачи в реальном радиоканале (0,2 К < 1).

Таким образом, ширина спектра каждой из несущей f₁, f₂, f₃, f₄ равна 2 f_i. Разнос l_i частот в каждой паре манипулируемых несущих (фиг. 2) определяется с учетом индекса m_i модуляции по соотношению l_i = m_i f_i. Первоначально можно выбрать m_i = 1, поскольку моменты времени передачи несущих f₁ и f₂ (f₃ и f₄) никогда не совпадают. С учетом полученных значений f_i и l_i далее производится оценка возможности размещения пар несущих f₁-f₂ и f₃-f₄ в полосе а = = 125 кГц ТВ-канала, руководствуясь недопустимостью смешивания их спектров. Если не удается обеспечить несмешивание спектров i пар дополнительных несущих как между собой, так и со спектром несущей f₆ аудио-ТВ-сигнала данного канала без выхода за верхнюю его границу, то следует попытаться сузить полосы F_i каждой манипулируемой пары (или одной из них). Для сужения полосы F_i можно пойти тремя путями: либо путем уменьшения величины m_i (уменьшая тем самым l_i), либо путем ограничения (обрезания) полосы F_i в частях, лежащих вне пар этих несущих, либо одновременно варьировать как значением m_i, так и степенью "внешнего" обрезания полосы F_i. Как уже отмечалось выше, отфильтровывание по одной боковой полосе у каждой частотно-манипулируемой несущей в i паре (естественно при условии обеспечения полноты передачи вторых полос) теоретически не влияет на достоверность передачи цифрового сигнала _i= (t).

По результатам такого ориентировочного базового расчета рекомендуется провести макетные исследования (для уточнения значения К) на опытном образце системы, например, компьютерной связи в полосе частот ТВ-канала, по результатам которых удастся существенно сократить сроки отладки системы, работающей с реальным ТВ-каналом.

Руководствуясь общепринятыми правилами обеспечения высоких защитных отношений в ТВ-канале, уровни мощности передаваемых дополнительных несущих f₁-f₄ можно устанавливать на 10 дБ ниже уровня аудионесущей ТВ-сигнала.

Воплощение данного способа при организации локальных компьютерных сетей возможно с использованием системы приема-передачи, выполненной по известной блок-схеме: на передающей стороне организуется последовательная цепочка "устройство сопряжения с ЭВМ - частотный манипулятор - ЧМ-радиопередатчик", а на приемной стороне - последовательная цепочка "супергетеродинный ЧМ-радиоприемник - устройство сопряжения с ЭВМ". Схемно-технические решения блоков просты и предполагают использование дешевой серийно выпускаемой элементной базы. Устройство сопряжения с ЭВМ на передающей стороне включает в себя контроллер с буфером, а на приемной стороне системы - это последовательная цепочка "компаратор - буфер - контроллер". Частотный манипулятор, обеспечивающий неразрывность фазы в паре манипулируемых частот, может быть выполнен, например, в виде автогенератора синусоидального напряжения, в колебательную систему которого включен управляемый реактивный элемент.

Организация широковещательной компьютерной сети или сети в составе действующей системы кабельного ТВ-сигналов передатчика указанной блок-схемы, т. е. реализация заявляемого способа не влечет за собой никаких изменений в стандартной аппаратуре ТВ-систем. Исполнение же приемной части может быть выполнено универсально для всех трех рассмотренных случаев.

Понятно, что организация параллельной передачи не одного, а, например, двух цифровых сигналов (фиг. 2) может быть сопряжена с параллельным подключением к одной антенне двух передатчиков идентичного схемного исполнения и при этом в приемнике абонента может предусматриваться наличие двух параллельно принимающих схем.