DE3930085C2 - Verfahren zur digitalen Übertragung eines Signals - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur digitalen Übertragung eines Signals nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Umwandlung eines analogen Signals in ein digitales Signal durch einen Zeitselektiven Abtastvorgang kann als eine Multiplikation des analogen Signals mit einem Abtastsignal aufgefaßt werden. Dabei findet eine Vervielfachung des analogen Spektrums an Trägern statt, die mit einem Vielfachen der Frequenz des Abtastsignals auftreten. Ist die Frequenzbandbreite des analogen Signals nicht auf die Hälfte der Frequenz des Abtastsignals begrenzt, kommt es zu störenden Überlappungen im Frequenzspektrum, die als Alias-Störungen bezeichnet werden. Aus diesem Grund wird vor einer A/D-Wandlung eine Vorfilterung des analogen Signals mit einem Tiefpaßfilter vorgeschrieben. Die Frequenzbandbreite (f_g) des Tiefpaßfilters richtet sich nach der Abtastfrequenz (f_s).

Nach einer digitalen Übertragung, welche z. B. auch einen digitalen Signalverarbeitungsprozeß oder einen magnetischen Aufzeichnungs- und Wiedergabebetrieb einschließen kann, erfolgt eine Rekonstruktion des übertragenen und D/A-gewandelten Signals durch eine Nachfilterung mit einem weiteren Tiefpaßfilter. Maßgebend für die Grenzfrequenz des weiteren Tiefpaßfilters ist neben der sin(x)/x-Funktion des D/A-Wandlers auch hier die Frequenz des Abtastsignals.

Für den Amplitudenfrequenzgang der beiden Tiefpaßfilter genügt nach der Theorie ein Durchlaßbereich, der im Frequenzbereich von 0 Hertz bis zur Grenzfrequenz (f_g) hin geradlinig verläuft. Außerhalb des Durchlaßbereiches sollen die beiden Tiefpaßfilter vollständig sperren. In der Praxis sind derart steilflankige Tiefpaßfilter nicht mit vertretbarem Aufwand herzustellen.

Ferner ist aus der DE 37 07 244 A1 ein Verfahren zur digitalen Übertragung von Hörrundfunksignalen bekannt, bei dem die Signale bandbegrenzt sendeseitig analog/ digital-gewandelt und empfangsseitig wieder digital/analog-rückgewandelt werden. Hierbei ist zur Umwandlung von empfangenen Ukw-Hörrundfunksignalen in Ton- Basisbandsignale ein Empfangsumsetzer vorgesehen, in welchem das Eingangssignal in ein Zwischenfrequenzsignal umgesetzt und bandbegrenzt wird bevor es als Basis­ bandsignal A/D-gewandelt wird. Das digitale Basisbandsignal wird nach der Über­ tragung empfangsseitig in analoge Ukw-Hörrundfunksignale rückumgesetzt wird.

Aus der US-Zeitschrift "SMPTE-Journal", Okt. 1981, S. 949 bis 955 ist ein Verfahren zur Verbesserung der subjektiven Bildqualität von digitalen Fernsehsignalen bekannt, bei welchem mehrere Filter mit zur Grenzfrequenz unterschiedlich abfallendem Amplitudenfrequenzgang in den Übertragungsweg eingefügt sind. Die verschiedenen Filtercharakteristiken vermindern zwar Störungen bei Helligkeitssprüngen in Fernsehsignalen, der Filteraufwand ist jedoch nach wie vor erheblich. Außerdem weist dieses bekannte Verfahren den Nachteil auf, daß bei einer Reihenschaltung mehrerer A/D- und D/A-Wandler die vorliegenden Frequenzgangfehler im Durchlaßbereich der Filter addiert werden. Dies trifft insbesondere auf einfache Filter mit kleiner Ordnungszahl zu, z. B. bei Tschebycheff- und Butterworth-Filter, deren Durchlaßbereich sehr steil in den Sperrbereich übergeht. Diese Eigenschaft wird jedoch durch eine größere Welligkeit im Durchlaßbereich dieser Tiefpaßfilter erkauft.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren nach der eingangs genannten Art anzugeben, welches die Verwendung einfacher Filter mit größerer Amplitudenwelligkeit im Durchlaßbereich erlaubt.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat den Vorteil, daß auf einfachere und damit billigere Tiefpaßfilter zurückgegriffen werden kann. Damit verbunden kann auf die den Tiefpaßfiltern üblicherweise nachgeschalteten Allpaßfilter zur Glättung des Gruppenlaufzeitgangs verzichtet werden.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Patentanspruch 1 angegebenen Verfahrens möglich.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das Blockschaltbild einer digitalen Übertragungseinrichtung,

Fig. 2 den normierten Frequenzgang eines Tiefpaßfilters zur Vorfilterung,

Fig. 3 den normierten Frequenzgang eines Tiefpaßfilters zur Nachfilterung und

Fig. 4 den resultierenden normierten Frequenzgang von Tiefpaßfiltern zur Vor- und Nachfilterung.

In dem Blockschaltbild der Fig. 1 wird über eine Klemme 1 ein analoges Signal zur Frequenzbandbegrenzung einem Tiefpaßfilter 2 zugeführt. Die Grenzfrequenz f_g des Tiefpaßfilters 2 ist so ausgelegt, daß das Shannon-Abtastgesetz für Spektren eingehalten wird. In dem vorliegenden Fall soll sich die durch die Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters 2 bestimmte Signalbandbreite und die Abtastfrequenz f_s eines an einer Klemme 3 zugeführten Abtastsignals entsprechend dem Verhältnis 2 f_g < = f_s verhalten. Das über die Klemme 3 zugeführte Abtastsignal dient zur Steuerung eines A/D-Wandlers 4, der das tiefpaßgefilterte analoge Signal zeitselektiv abgetastet, quantisiert und codiert.

Es sei angenommen, daß das am Ausgang des A/D-Wandlers 4 in digitaler Form abnehmbare Signal einer Übertragungsstrecke 5 zugeführt wird, die aus dem magnetischen Aufzeichnungs- und Wiedergabekanal eines digitalen Videomagnetbandgerätes besteht.

Das wiedergabeseitig empfangene digitale Signal wird mit einem D/A-Wandler 6 in ein analoges Signal zurückgewandelt und zu einem Tiefpaßfilter 7 zur Nachfilterung weitergeleitet. Das Tiefpaßfilter 7 ist üblicherweise an die Übertragungsfunktion des D/A-Wandlers 6 angepaßt und weist daher einen sin(x)/x-Verlauf des Amplitudenfrequenzgangs auf. An einer Ausgangsklemme 7 des Tiefpaßfilters 7 ist ein rekonstruiertes Analogsignal abnehmbar, welches frequenz- und zeitmäßig dem eingangsseitigen analogen Signal entspricht, wenn ideale Tiefpaßfilter mit einem rechteckförmigen Übergang zwischen Durchlaß- und Sperrbereich und linearem Amplituden- und Phasenverlauf im Durchlaßbereich verwendet werden.

Wie eingangs erwähnt, können derartige ideale Filter mit vertretbarem Aufwand nicht hergestellt werden. Selbst aufwendige Tiefpaßfilter weisen im Durchlaßbereich Welligkeiten auf, die bei einem mehrmaligen Kopieren von Videosignalen mit einem digitalen Videomagnetbandgerät zu erheblichen Störungen in einem wiedergegebenen Fernsehbild führen können. Insbesondere bei einem Editieren von Videosignalen, bei welchem beispielsweise 20 Generationen eines Original-Videosignals gezogen werden, findet eine Akkumulierung von Fehlern statt, deren Ursache in der Welligkeit im Amplitudenfrequenzgang der zur Vor- und Nachfilterung vorgesehenen Tiefpaßfilter zu sehen ist.

Erfindungsgemäß werden die zur Vor- und Nachfilterung vorgesehenen Tiefpaßfilter 2 und 7 so ausgelegt, daß sich deren Ordnungszahlen (Grad) um 1 unterscheiden. Im Fall, daß das Tiefpaßfilter 2 eine Ordnungszahl von n = 4 aufweist, ist das Tiefpaßfilter 7 so zu bemessen, daß dessen Ordnungszahl entweder n = 3 oder n = 5 beträgt. Außerdem wird die normierte Frequenz eines der Tiefpaßfilter mit einem geeigneten Faktor k multipliziert, damit die "Berge" im Amplitudenfrequenzgangverlauf des einen Filters den "Tälern" im Amplitudenfrequenzgangerlauf des anderen Filters entsprechen.

Dabei ist so vorzugehen, daß die Echodämpfung (Welligkeit) der beiden Filter im wesentlichen gleich gewählt wird.

Die in den Fig. 2, 3 und 4 angegebenen normierten Frequenzgänge mögen diesen Sachverhalt verdeutlichen. Dazu sei angenommen, daß aus dem Buch von G. Pfitzenmaier "Tabellenbuch Tiefpässe", Siemens AG, Berlin, 1971, für die Vorfilterung ein Tschebycheff-Tiefpaßfilter gewählt wird, dessen Ordnungszahl n = 4 und dessen Echodämpfung 13 dB beträgt. Als Tiefpaßfilter 7 wird ebenfalls ein Tschebycheff-Filter mit 13 dB Echodämpfung gewählt, dessen Ordnungszahl jedoch 5 beträgt. In den Fig. 2, 3 und 4 sind auf der Ordinate die Amplitudendämpfung a_b und auf der Abszisse die normierte Frequenz Ω aufgetragen. Die Fig. 2 zeigt dabei den entsprechenden Verlauf der Welligkeit im Durchlaßbereich des zur Vorfilterung vorgesehenen Tiefpaßfilters 2 und die Fig. 3 den entsprechenden Welligkeitsverlauf im Durchlaßbereich des zur Nachfilterung vorgesehenen Tiefpaßfilters 7. Durch eine Multiplikation mit dem Faktor k = 1,14 wird die Skalierung des normierten Frequenzgangs Ω für den zur Nachfilterung vorgesehenen Tiefpaßfilter 7 derart gedehnt, daß Minima und Maxima im Verlauf der Welligkeiten der beiden Filter 2 und 7 einander entsprechen, so daß resultierend eine geglättete Übertragungscharakteristik am Ende des Übertragungssystems entsteht. Die resultierende Echodämpfung beträgt nur wenige Prozent der einzelnen Echodämpfungen. Die mit dieser Kompensation einhergehende Einfügungsdämpfung kann durch eine lineare Verstärkung auf der Übertragungsstrecke aufgefangen werden.

Claims (3)

1. Verfahren zur digitalen Übertragung eines Signals, bei dem senderseitig ein ana­ log vorliegendes Signal mit einem ersten Tiefpaßfilter frequenzbandbegrenzt und mit einem A/D-Wandler in ein digitales Signal umgewandelt wird und bei dem empfan­ gerseitig das digitale Signal mit einem D/A-Wandler in ein analoges Signal zurück­ gewandelt und nachfolgend mit einem zweiten Tiefpaßfilter nachgefiltert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Tiefpaßfilter (2) eine erste Ordnungszahl (n) aufweist, von der sich die zweite Ordnungszahl (n+ 1 bzw. n-1) des zweiten Tiefpaßfilters (7) um 1 unterschei­ det.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein normierter Frequenzgangverlauf eines der Filter (2 oder 7) mit einem Faktor (k) derart multipliziert wird, daß die Minima und Maxima im Echodämpfungsverlauf der beiden Filter einen komplementären Verlauf zueinander aufweisen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefpaßfilter (2, 7) unterschiedlicher Ordnungszahl in einem Magnetband­ gerät zur digitalen Aufzeichnung und Wiedergabe von Videosignalen eingesetzt werden.