專利名稱：多重正交調幅電視信號編碼器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及利用多重正交調幅(QAM)信號的數(shù)字式高清晰度電視(HDTV)信號編碼系統(tǒng)。更具體地說，本發(fā)明涉及1991年2月4日H.E.White的美國專利申請系列第650329號和1992年6月16日頒發(fā)給Ray-chaudhur等人的美國專利第5122875號中所描述的那種類型的按優(yōu)先序排列的雙載波QAM編碼系統(tǒng)。
在所揭示的那種類型的QAM符號傳輸系統(tǒng)中，傳輸數(shù)據(jù)符號是用“I”和Q”兩個正交分量來表示;這兩個分量調制各自的正交相位載波。每個符號可包括若干比特，符號的數(shù)目規(guī)定了QAM系統(tǒng)的類型，即，16QAM、32QAM等等。應用查閱表(例如，ROM)把每個符號映射(分配)到四象限柵形構象中的指定位置上。規(guī)定數(shù)目的符號在各象限中占據(jù)指定的區(qū)域。在32QAM系統(tǒng)中，構象的每個象限在相對于I-Q直角坐標軸的指定坐標上包含八個符號。一些符號比特表示某一符號坐落于其中的星座象限，而一些比特則表示位于分配給該符號的象限內的特殊坐標。這種一般類型的QAM系統(tǒng)是眾所周知的。
White和Raychaudhuri等人描述了某一系統(tǒng)的一些情況，其中代表高清晰度圖像信息的電視信號是用在標準6MHz電視傳輸基帶中多路傳送的兩個QAM載頻傳輸。其中一個載波傳送高優(yōu)先信息，而另一個載波傳送(比較低的)標準優(yōu)先信息。高優(yōu)先(HP)信息是建立可視圖像所需要的信息，盡管比完整圖像的信息少，而且用比標準優(yōu)先(SP)信息(它是剩下的信息)更多的功率傳送。高優(yōu)先信息同標準優(yōu)先信息比較起來顯出更窄的帶寬，因此不容易由于傳輸信道而出差錯。HP載波坐落于電視傳輸信道的那部分頻譜上，例如，NTSC信道，一般它是被標準NTSC電視信號的殘余邊帶所占用。這部分信號通常是被標準接收機的奈奎斯特濾波器大大地削弱，因此具有這種傳輸格式的HDTV信號不會引起同信道干擾。
把這樣的雙QAM信號編碼的直接方法是使用兩個平行通道，分別編碼和調制兩個QAM信號。在兩個編碼QAM信號從數(shù)字轉變成模擬格式之后，兩個變頻器把編碼QAM信號同坐落在適當頻譜位置上的載波合并成復合雙QAM信號。按照本發(fā)明的原理，一種說明性系統(tǒng)把按優(yōu)先序排列的多載波QAMHDTV信號編碼，以便在沒有犧牲編碼QAM信號質量的情況下，例如通過減少總的電路尺寸，尤其是集成電路表面積，減少電路復雜性和生產成本。
按照本發(fā)明的原理，組成HDTV信號的高優(yōu)先和標準優(yōu)先正交調幅信號，在轉換成模擬形式之前，并入數(shù)字范疇。因此，為了產生模擬多重QAM信號供RF傳輸之用，只需要一個數(shù)/模轉換器和模擬網。
在公開的本發(fā)明的較好實施例中，高優(yōu)先(HP)和標準優(yōu)先(SP)信號，在QAM調制之前，由相應數(shù)字濾波器進行頻譜整形。QAM調制的HP和SP分量，在傳送給唯一的數(shù)/模轉換器和相關的模擬網以供RF傳輸之前，被一數(shù)字處理器(包括數(shù)字加法器和內插器)所合并。


圖1是按照本發(fā)明的原理的數(shù)字HDTVQAM編碼系統(tǒng)的方框圖;
圖2顯示圖1系統(tǒng)的一部分細節(jié);
圖3描繪由圖1的系統(tǒng)所產生的雙QAM高清晰度電視信號的視頻頻譜;
圖4顯示圖1系統(tǒng)的數(shù)字濾波器部分的另一個可供選擇的裝置。
在討論圖1所示系統(tǒng)之前，先研究圖3的是有用的，它描繪由以后將討論的公開的系統(tǒng)所產生的按優(yōu)先序排列的雙32-QAM基帶視頻信號的頻譜。
圖3舉例說明高清晰度電視信號的視頻頻譜，它與標準NTSC電視信號信道的6MHz帶寬一致。為簡化與標準NTSC視頻頻譜的對比，沿著圖3的頻率標度的頻率(-1.25MHz至4.5MHz)以NTSC系統(tǒng)的RF圖像載波的0.0MHz頻率為基準。
HDTV信號是分成高和低優(yōu)先分量的數(shù)據(jù)壓縮信號。在這例子中，需要在高可靠性情況下接收的音頻、同步和低頻視頻信息分量分配到高優(yōu)先信號。該同步信息，例如，可以具有訓練信號(包括唯一的特生標記或代碼便于信號恢復和在接收機中處理)的性質，作為例證還可包括場頻掃描信息(例如，場標記的起點)。其它非關鍵分量，例如高頻視頻信息，分配到低優(yōu)先次序。高優(yōu)先信息較之低優(yōu)先信息顯出更窄的帶寬，并如下文所討論的，正交振幅調制(QAM)以信號REF為基準的0.96MHz的第一抑制載波。低優(yōu)先信息正交振幅調制3.84MHz的第二抑制載波，它也以信號REF為基準。形成的復合信號是多重QAM信號的一種形式，即，在這種情況下是“雙”QAM信號。合成的雙QAM信號通過帶外參考信號REF轉換成6MHz標準電視頻帶。信號REF的頻率是這樣選擇的以致當信號REF被復合QAM信號所調制時，結果的和分量和差分量中的一個落入與所需射頻電視信道有關的頻帶之內，例如同播VHF信道3。信號REF被合成的雙QAM信號所調制的產生雙邊帶已調信號，如圖3所示，其下邊帶被除去而保留其上邊帶。
窄帶HPQAM分量的振幅比寬帶SP分量的振幅大得多，例如，大一倍。HP分量的-6db帶寬是0.96MHz，而SP分量的-6db帶寬是3.84MHz;它是HP分量的帶寬的四倍。窄帶HP和寬帶SP分量的非線性帶緣躍遷區(qū)被具有平方根升余弦特性的有限沖激響應(FIR)濾波器修整成形，以產生一些平滑的躍遷區(qū)，它們避免尖銳躍遷區(qū)所產生的無用高頻效應。帶緣躍遷區(qū)(不按比例描繪)內的寬帶SP分量的幅度-頻率響應具有較陡的窄帶HP分量的四分之一斜率。
HP和SPQAM信號各包括正交的“I”和“Q”分量。32-QAM系統(tǒng)處理五比特數(shù)據(jù)字，或符號。八個符號被安排在I和Q坐標軸所限定的QAM構象的四個象限的每一個象限中。每個符號位于在規(guī)定的構象坐標上。每個符號的兩個比特指定該符號的構象的象限;三個比特標明在該象限中該符號的坐標。
要討論的32-QAM系統(tǒng)呈現(xiàn)0.96MHz和3.84MHz的符號率分別用于HP和SP數(shù)據(jù)。該符號率與所使用的QAM處理類型無關(例如，16-QAM或32-QAM)。使用四倍于符號率的的采樣，HP采樣頻率是3.84MHz而SP采樣頻率是15.36MHz。就32-QAM來說，在每符號5比特的條件下，HP和SP比特率分別是4.8Mbps和19.2Mbps。
所描述的按優(yōu)先序排列的雙QAM系統(tǒng)顯出有效地免除與標準NTSC電視信號(即，在相同的信道中以雙QAM的形式從不同的地點發(fā)射的NTSC信號)有關的同信道干擾。這是由于在與高能信息有關的NTSCRF圖像載波和NTSC伴音載波左右的QAM頻譜中衰減標記所造成的。相反地，從雙QAM信號進入NTSC信號的同信道干擾大大減少，因為大振幅窄帶QAM信號的有效地被標準NTSC電視接收機的奈奎斯特斜率濾波器所衰減。在圖3中，標準NTSC接收機的奈奎斯斜率濾波器響應是用疊在QAM頻譜的低頻帶從-0.75MHz到0.75MHz的部分上的虛圖線表示。合成的振幅大于6db的窄帶QAM分量及其相對于寬帶QAM分量的四分之一帶寬導致比寬帶QAM分量大得多的功率密度。因此所示高優(yōu)先窄帶QAM信號較之低優(yōu)先寬帶QAM信號顯出信噪比顯著提高和較低的誤碼率。
大峰值振幅窄帶分量包含足以產生顯示圖像的視頻信息，其清晰度近似標準清晰度電視圖像的清晰度。因此如果(例如)高清晰度傳輸暫時被飛機反射干擾所妨礙，不應使觀眾過分受擾。也就是說，如果包含高清晰度信息的低功率寬帶分量暫時被干擾，高功率窄帶分量可以不受影響，而暫時顯示低清晰度但可接受的的圖像。
SP和HPQAM信號的采樣頻率(分別為15.36MHz和3.84MHz)有益地呈顯4∶1整數(shù)關系。這種關系簡化了在接收機中恢復窄帶和寬帶QAM信息，因為同樣導出的數(shù)據(jù)時鐘可以很容易地用于同步兩個QAM分量的數(shù)據(jù)恢復操作。用于接收系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)時鐘頻率能輕易地從恢復的高功率窄帶QAM信號導出。
在圖1中，來自人信號源5的高優(yōu)先(HP)數(shù)據(jù)和來自信號源11的標準優(yōu)先(SP)數(shù)據(jù)，在被數(shù)字信號處理器40所合并之前，在相應的高優(yōu)先和標準優(yōu)先信號通道中被處理。由信號源5和11所提供的HP和SP數(shù)據(jù)可以像在Raychaudhuri等人的美國專利第5122875號中所揭示的那樣形成。由于數(shù)據(jù)源和單元40之間的HP和SP信號處理通道在結構上和操作上相似，所以只有HP處理通道詳細地加以描述。
圖1描繪數(shù)字雙32-QAM編碼系統(tǒng)，最好把它制成集成電路。數(shù)字信號處理器40(在圖2中更詳細地加以顯示)把HP和SPQAM信號并入數(shù)字范疇，因此，為了產生模擬雙QAM信號供RF傳輸之用，只需要一個數(shù)/模轉換器和一個模擬網。
來自信號源5的HP數(shù)據(jù)流是通過移位寄存器10從串行形成轉換成5比特并行形式。來自移位寄存器10的輸出被加到包括ROM(只讀存儲器)單元15和16的編碼器單元14。為便于在接收機中譯碼，編碼器14是按照常規(guī)QAM編碼實際操作加以使用。具體地說，由單元14提供的編碼提高了接收機對接收的QAM構象的相位旋轉的不敏感性。
包括內部累加器和查閱表的單元15具有5比特并行輸入和5比特并行輸出。此ROM在沒有處理的情況下不處理每個5比特符號的末尾三個比特(它規(guī)定符號坐標)，但檢查規(guī)定象限的頭兩個符號比特。累加器累積當前符號的頭兩個比特和前一個符號的頭兩個比特。查閱表提供表示這些當前的頭兩個比特和前一個的頭兩個比特之差的2比特輸出值。該代表差額的比特作為在接收機中正確識別QAM象限的參考。把這些比特傳給單元15的輸出端，在那里它們與相應的末尾三個比特合并以重組5比特符號。
ROM16充當映像程序供來自ROM15的連續(xù)不斷的5比特并行數(shù)據(jù)流之用。ROM16使其輸入數(shù)據(jù)流分制成順序的5比特符號。利用查閱表，使每個5比特符號映入由I-Q直角坐標軸所限定的四象限柵形構象。在32-QAM系統(tǒng)中，在每個象限中八個5比特符號占據(jù)指定的區(qū)域。各符號的頭兩個比特表示象限，這符號是相對于I-Q直角坐標軸座落在其中，剩下的三個比特表示在該象限內配給該符號的具體位置(坐標)。下一個符號同樣地加以處理。ROM16具有兩個并行輸出線，數(shù)據(jù)字交替出現(xiàn)于其上。交替處理的符號通常被指定為I和Q符號，并分別出現(xiàn)于ROM16的I和Q并行輸出線上。關于單元14所執(zhí)行的那種類型的編碼的附加信息，可參閱CCITTV.29和V.30標準。
ROM16分別向數(shù)字濾波器21a和21b提供并行方式的HP的I和Q輸出符號。這些濾波器是20抽頭(20個系數(shù))有限沖激響應(FIR)平方根升余弦數(shù)字低通頻譜整形濾波器，以3.84MHz高優(yōu)先采樣頻率加以同步。在標準優(yōu)先通道中的對應整形濾波器25a和25b的標準優(yōu)先分量以15.36MHz采樣頻率加以同步。按照常規(guī)QAM信號處理實際操作使用該整形濾波器以限定過量帶寬響應的形狀，即，I和Q分量的帶緣的陡度。在這例子中，過量帶寬大致是17%。
來自濾波器21a和21b經過濾波的HPI和HPQ輸出信號用多路復用器32加以時分復用。如接著要加以說明的那樣，濾波器21a和21b與Max32共同的產生正交調幅分量，也就是，32-QAMHP分量。來自單元32的32-QAMHP信號和來自標準優(yōu)先通道的對應MUX34的32-QAMSP信號被數(shù)字信號處理器40所處理，以便用D/A轉換器50把它們從數(shù)字形式轉化成模擬形式之前，產生一個數(shù)據(jù)流(以下結合圖2將加以討論)。來自轉換器50的輸出信號，在調制來自調制器54中本機振蕩器55的信號之前，被模擬濾波器52所低通濾波，以產生適于RF傳輸?shù)妮敵鲂盘枴V波器52把輸出信號限制在標準電視信道帶寬(在NTSC的情況下是6MHz)范圍內，并除去高頻分量，例如伴隨前面的數(shù)字信號處理產生的諧波。按優(yōu)先序排列的雙32-QAM信號的基帶頻譜屬于圖3所示的形式。
Samueli等人在一篇題為“應用于數(shù)字無線電的高速全數(shù)字正交調制器和解調器的VLSI結構”的論文(1990年10月刊登于IEEE學報，通信選集，卷8第8期)中討論了數(shù)字濾波器(例如在單元20中的濾波器21a和21b)和數(shù)字多路復用器(如Mux32)共同作用以產生數(shù)字正交調幅的過程。整形濾波器21a和21b及在HP通道中的輸出Mux32基本上起正弦/余弦載波發(fā)生器和變頻器的作用。整形濾波器和HP通道的輸出Mux的采樣頻率，和SP通道的對應元件的采樣頻率，分別形成QAMHP和SP載頻。采樣頻率是四倍于載頻，而載頻等于符號率。
通過選擇等于符號率的載頻(即，采樣頻率的四分之一)，為變頻作用所需要的余弦和正弦波形值可通過在0、90、180和270度采樣得到。上述采樣產生1，0，-1，0的數(shù)值(對余弦函數(shù)來說)，和0，1，0，-1的數(shù)值(對正弦函數(shù)來說)。一個2∶1多路復用器(例如Mux32)和一個倒相器就能完成調制器變頻作用。在變頻過程中，變頻器所需的執(zhí)行-1乘法運算可通過賦給一半整形濾波器系數(shù)為負號來實現(xiàn)。
圖2說明圖1的數(shù)字信號處理器40的補充細節(jié)。處理器40的一個輸入是窄帶、能量較高的32-QAMHP分量，具有中心在0.96MHz的頻譜和3.84MHz(4×0.96MHz)的采樣頻率。這信號加到1∶4內插器42，它向上采樣到15.36MHz。內插器42的這種作用把窄帶HP數(shù)據(jù)從3.84MHz采樣頻率轉變成15.36MHz采樣頻率，結果是來自Mux32的HP數(shù)據(jù)和來自Mux34的SP數(shù)據(jù)具有相同的采樣頻率，并且可以在數(shù)字時域中用數(shù)字全加器44正確地加以合并。由于SP及HPQAM信號的帶寬和載波頻率之間的4∶1整數(shù)關系，使采樣頻率轉換變得更為方便。加法器44被同步在15.36MHz并從Mux34直接接收32-QAMSP信號。HP和SP信號的相對功率電平(即，振幅)能輕易地和正確地保持在數(shù)字范疇內，例如通過編碼器單元14的前列ROM級的適當程序設計，或通過為整形濾波器單元20的濾波器的系數(shù)值編程序。來自加法器44的雙QAM數(shù)字輸出信號加到數(shù)/模轉換器(在圖1中編號是50)以產生作為RF傳輸用的雙QAM模擬信號。
正如屬于LaurenChristopher的美國專利申請系列第921790號(題為“時分多路復用信號的多路復用處理的FIR濾波器裝置”;申請日為1992年7月29日)和屬于LaurenChristopher的美國專利申請第922104號(題為“復數(shù)QAM信號的時分多路復用處理用的裝置”，申請日為1992年7月29日)中所揭示的那樣，使用多路復用技術;可以把整形濾波器單元20的濾波器數(shù)目減少一半。這樣的FIR濾波器(用于時分多路信號的多路復用處理)是用圖4闡明。
在圖4中，整形濾波器單元20包括多路復用I和Q濾波器61和65。每個濾波器之前是相應的輸入時分多路復用器62和66，后面分別是輸出時分多路分路器63和67。輸入HP-I和HP-Q分量是由圖1的ROM16提供，輸入SP-I和SP-Q分量是由圖1的ROM181提供。輸出HP-I和HP-Q分量加到圖1的輸出Mux34。用于I采樣處理的多路復用濾波器61的下列描述也適用于Q采樣處理用的濾波器65。
對HP分量的每個I(或Q)樣值來說，存在SP分量的四個I(或Q)樣值。因此按四個SPI樣值對一個HPI樣值的比率，把時分多路復用HP和SPI樣值輸入Mux62，并把合成信號耦合到多路復用濾波器61。濾波器61按時分多路復用方式操作，以減少硬件需要量。濾波器61是輸入加權FIR濾波器，它包括接收來自單元62的多路復用樣值用的輸入總線。這些樣值加到多個加權電路的每一電路上，在那里它們被相應的系數(shù)所加權。來自相應加權電路的加權樣值耦合到相應加法器，那些加法器是通過延遲級相互聯(lián)系在一起的。該延遲級與采樣頻率同步，以便依次處理外加樣值，并在最后的延遲級的濾波器輸出線上提供過濾信號。由于該樣值按SP，SP，SP，SP，HP，SP，SP，SP，SP，HP等等系列出現(xiàn)，所以當SP樣值出現(xiàn)時，SP延遲級被啟動或同步，而當HP樣值出現(xiàn)時，HP延遲級被啟動。因此HP樣值的濾波與SP樣值無關。每次一個類型(HP或SP)的樣值加到輸入線上，只有那些延遲級儲存的同類樣值在加法器電路之間相互聯(lián)系在一起，形成只在該類樣值上作用的濾波器。就是說，當SP(HP)樣值加到輸入線上時，能有效地從電路中除去與HP(SP)樣值有關的延遲級，但保留了它們的信息。該濾波器顯示兩組系數(shù)，它們是可切換的，取決于輸入樣值的類型。于是通過使用供不同樣值類型用的不同系數(shù)，該濾波器為不同的HP、SP樣值提供了不同的轉移函數(shù)。響應系數(shù)控制信號，當HP樣值出現(xiàn)時，一組系數(shù)被加到加權電路上，當SP樣值出現(xiàn)時，另組系數(shù)被加到加權電路上。濾波器61的輸出是時分多路復用信號，其中單個HPI和SPI分量是獨立地進行濾波。
權利要求
1.一種處理高清晰度電視信號的系統(tǒng)中的設備，其特征在于用于提供第一數(shù)字信號的裝置(5，10)，該信號代表高優(yōu)先信息并具有正交分量；用于提供第二數(shù)字信號的裝置(11，12)，該信號代表標準優(yōu)先信息并具有正交分量，第一數(shù)字信號處理裝置(15，25)，它響應所述第一和第二信號，以提供包括所述高優(yōu)先信息在內的正交調幅(QAM)的輸出高優(yōu)先信號，和包括所述標準優(yōu)先信息在內的正交調幅標準優(yōu)先信號；及第二數(shù)字信號處理裝置(32，34，40)，用于合并所述高優(yōu)先QAM信號和所述標準優(yōu)先QAM信號(以數(shù)字形式)，以產合成的多重QAM輸出信號。
2.按照權利要求1的設備，其特征在于，所述高優(yōu)先和低優(yōu)先QAM顯出不同的載頻和不同的帶寬，分別占據(jù)電視信號視頻頻譜的不同部分。
3.按照權利要求2的設備，其特征在于，所述高優(yōu)先QAM信號較之所述標準優(yōu)先QAM信號顯出更窄的頻帶，同時顯出與所述標準優(yōu)先QAM信號的所述載頻具有整數(shù)關系的載頻。
4.按照權利要求1的設備，另外具有下列特征把所述多重QAM輸出信號從數(shù)字形式轉化為模擬形式用的數(shù)/模轉換裝置;及從所述轉換裝置接收模擬輸出信號用的模擬信號傳輸裝置。
5.按照權利要求1的設備，其特征在于，所述第一數(shù)字信號處理裝置包括用于使所述第一和第二數(shù)字信號具有某種頻譜形狀的數(shù)字濾波裝置;及響應所述濾波裝置的輸出信號的多路復用裝置，用于時分多路復用濾波后的高優(yōu)先正交分量，以便在輸出線上提供所述高優(yōu)先QAM信號，并用于時分多路復用濾波后的標準優(yōu)先正交分量，以便在輸出線上提供所述標準優(yōu)先QAM信號。
6.按照權利要求1的設備，其特征在于，所述第二數(shù)字信號處理裝置包括用于轉換所述高優(yōu)先QAM信號的采樣頻率的內插裝置;及響應所述內插裝置的輸出信號和對所述標準優(yōu)先QAM信號的數(shù)字加法裝置，用于產生所述復合多重QAM輸出信號。
7.按照權利要求1的設備，其特征在于，所述多重QAM輸出信號是多重32-QAM輸出信號。
全文摘要
在高清晰度電視信號編碼器中，高優(yōu)先(5)和標準優(yōu)先(11)數(shù)字數(shù)據(jù)各自(16，18)分成正交的I和Q分量，通過數(shù)字濾波(21，25)加以整形使具有某種頻譜形狀，并加以時分多路復用(32，34)以產生32-QAM類型的相應正交調幅信號。高優(yōu)先QAM信號和標準優(yōu)先QAM信號顯出不同帶寬和載頻。高優(yōu)先和標準優(yōu)先QAM信號，在傳給唯一的數(shù)/模轉換器(50)和模擬RF傳輸?shù)?52，55)轉換開關之前，以數(shù)字形式加以合并。
文檔編號H04N7/24GK1090114SQ93117669
公開日1994年7月27日 申請日期1993年9月9日 優(yōu)先權日1992年9月10日
發(fā)明者王天駿, L·A·克里斯托弗 申請人:湯姆森消費電子有限公司