DE69230280T2

DE69230280T2 - Verfahren zur Video-Rauschverminderung unter Anwendung einer nichtlinearen Pre/Deemphasis

Info

Publication number: DE69230280T2
Application number: DE69230280T
Authority: DE
Inventors: Brian Beech
Original assignee: Tandberg Television AS
Current assignee: Ericsson Television AS
Priority date: 1991-06-04
Filing date: 1992-06-04
Publication date: 2000-05-18
Anticipated expiration: 2012-06-05
Also published as: US5535246A; EP0541754A1; DE69230280D1; JPH06502289A; GB9111926D0; WO1992022136A1; CA2088597A1; EP0541754B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Signalverarbeitung und insbesondere der Verarbeitung von Videosignalen zur Erzielung einer verbesserten Rauschverminderung.
Die nichtlineare Preemphasis und Deemphasis wurde zur Rauschverminderung von Videosignalen verwendet. Die nichtlineare Preemphasis / Deemphasis eines Typs, der als E7 bezeichnet wird, wurde erfolgreich für die Satellitenübertragung der MAC-Paketfamilie verwendet und ist nun in der EBU MAC Paketspezifikation festgeschrieben (Tech Doc 3258). Aufgrund des Trends zu geringerer Satellitenleistung besteht der Wunsch nach Erzielung einer weiteren Verbesserung bei der Rauschverminderung. Versuche, dies durch die Verwendung stärkerer nichtlinearer Funktionen zu erreichen, haben zwei Probleme aufgezeigt:
Zum ersten hat sich gezeigt, daß bei der Verwendung einer stärkeren nichtlinearen Funktion die Spitze-Spitze-Abweichung des FM-Signals zunimmt und dies zu einem Abbrechrauschen aufgrund der eingeschränkten Kanalbandbreite führen kann.
Zum zweiten hat sich gezeigt, daß, wenngleich eine bessere Rauschleistung in flachen Bereichen der Fernsehbilder erzielt werden kann, das Rauschen in höher detaillierten Bereichen nicht verbessert und manchmal sogar verschlechtert wird. E7 beruht auf der subjektiven Maskierungswirkung des Bildes auf das Rauschen. Das Prinzip bricht zusammen, wenn die nichtlinearen Parameter modifiziert werden, um zu versuchen, eine wesentlich größere Rauschverbesserung zu erzielen.
Fig. 1 zeigt die Deemphasiskonfiguration, die für E7 verwendet wurde. Das Signal wird entweder mit einem Tiefpaßfilter (Fig. 1a) oder einem Hochpaßfilter (Fig. 1b) und einer Subtraktion in zwei Frequenzbänder unterteilt. Die Hochfrequenzkomponente wird einer nichtlinearen Bearbeitung unterzogen und dann wieder innerhalb der unmodifizierten Tieffrequenzkomponenten kombiniert. Das bei der Deemphasis verwendete Nichtlineargesetz ist im allgemeinen so, wie es in Fig. 2 dargestellt ist.
Weitere alternative Strukturen, die zur Implementierung dieser Art von nichtlinearer Preemphasis verwendet werden könnten, sind in Fig. 1 (c) und 1 (d) dargestellt. Fig. 1 (c) zeigt einen einfachen Fall, bei dem Tiefpaß- und Hochpaßfilter verwendet werden, um die Tief- und Hochfrequenzbänder zu trennen, so daß die Nichtlinearität nur am Hochfrequenzband angewandt werden kann. Fig. 1(d) zeigt eine höher entwickelte Anordnung, bei welcher der Tiefpaßpfad nicht mit Hilfe des Hochpaßfilters und dem Subtraktor von Fig. 1(b) erzeugt wurde, sondern durch Modifizierung der Nichtlinearität zu einer Form N' = N (V) - V, was zu einem Ergebnis führt, das mathematisch gleichwertig ist. Diese Struktur wird bevorzugt, weil sie weniger Elemente verwendet als die anderen Anordnungen. Wenn die Nichtlinearität mit Hilfe einer Nachschlagetabelle implementiert wird, die als PROM implementiert ist, werden auch weniger Bits benötigt, um die Ausgabe des PROMs darzustellen, wenn die modifizierte Nichtlinearität N' verwendet wird. Somit kann die Kapazität des PROMs verringert werden.
Die nichtlineare Preemphasis für PAL-Signale wurde ebenfalls in unserer gleichzeitig anhängigen britischen Patentanmeldung Nr. 9027598.3 vorgeschlagen. Fig. 3 zeigt die Preemphasisstruktur einschließlich der Vorkorrektur, die verwendet wurde. Die Nichtlinearitäten N1, N2 beziehen sich auf eine Nichtlinearität N derselben Form, wie sie in Fig. 2 enthalten ist, wobei folgende Beziehungen bestehen:
N&sub1;(V&sub1;) = N (V&sub1;) - V&sub1; (1)
N&sub2; (V&sub1;) N&supmin;¹ (V&sub1;) - V&sub1; (2)
Wobei der Ausgang V&sub0; einer Nichtlinearität durch die Relation V&sub0; = N (V&sub1;) in bezug zu seinem Eingang V&sub1; steht, und N&supmin;¹ die reziproke Funktion von N ist. N ist eine monotone Funktion.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zur Preemphasis eines Signals, welches die folgenden Schritte umfaßt:
a) das Empfangen des Signals als Eingang;
b) das Anlegen des Eingangssignals an ein Verarbeitungssystem, umfassend ein Paar parallele Signalverarbeitungspfade, wobei jeder einen nichtlinearen Phasenfilter und eine Nichtlinearität umfaßt, und einen weiteren parallelen Pfad, wobei die Filter im Verarbeitungspfadpaar gleiche, aber einander entgegengesetzte Phasenverläufe und im wesentlichen die gleichen Größenverläufe aufweisen; und
c) das Kombinieren der Ausgänge der parallelen Pfade, um ein rohes deemphatisches Signal zu erzeugen, wodurch das Eingangssignal einer nichtlinearen dynamischen Bereichskompression unterzogen wird, die phasenlinear ist.
Die vorliegende Erfindung schafft weiter eine Preemphasisvorrichtung, umfassend:
ein Mittel zum Empfangen eines Eingangssignals;
ein System zur Verarbeitung des Eingangssignals, wobei das Verarbeitungssystem ein Paar parallele Verarbeitungspfade umfaßt, wobei jeder einen nichtlinearen Phasenfilter und eine Nichtlinearität umfaßt, und einen weiteren parallelen Pfad, wobei die Filter im Verarbeitungspfadpaar gleiche, aber einander entgegengesetzte Phasenverläufe und im wesentlichen die gleichen Größenverläufe aufweisen; und
ein Mittel zum Kombinieren der Ausgänge der parallelen Verarbeitungspfade, um ein rohes deemphatisches Signal zu erzeugen, wodurch die Signalverarbeitung und Kombinierung eine nichtlineare dynamische Bereichskompression des Eingangssignals erzeugt, die phasenlinear ist.
Die vorliegende Erfindung schafft weiter ein Verfahren zur Deemphasis eines Signals, umfassend die folgenden Schritte:
a) das Empfangen des Signals als Eingang;
b) das Anlegen des Eingangssignals an ein Verarbeitungssystem, umfassend ein Paar parallele Signalverarbeitungspfade, wobei jeder einen nichtlinearen Phasenfilter und eine Nichtlinearität umfaßt, und einen weiteren parallelen Pfad, wobei die Filter im Verarbeitungspfadpaar gleiche, aber einander entgegengesetzte Phasenverläufe und im wesentlichen die gleichen Größenverläufe aufweisen; und
c) das Kombinieren der Ausgänge der parallelen Pfade, um das deemphatische Signal zu erzeugen, wodurch das Eingangssignal einer nichtlinearen dynamischen Bereichsexpansion unterzogen wird, die phasenlinear ist.
Die vorliegende Erfindung schafft weiter noch eine Deemphasisvorrichtung, umfassend:
ein Mittel zum Empfangen eines Eingangssignals;
ein System zur Verarbeitung des Eingangssignals, wobei das Verarbeitungssystem ein Paar parallele Signalverarbeitungspfade umfaßt, wobei jeder einen nichtlinearen Phasenfilter und eine Nichtlinearität umfaßt, und einen weiteren parallelen Pfad, wobei die Filter im Verarbeitungspfadpaar gleiche, aber einander entgegengesetzte Phasenverläufe und im wesentlichen die gleichen Größenverläufe aufweisen; und
ein Mittel zum Kombinieren der Ausgänge der parallelen Verarbeitungspfade, um ein deemphatisches Signal zu erzeugen, wodurch die Signalverarbeitung und Kombinierung eine nichtlineare dynamische Bereichsexpansion des Eingangssignals erzeugt, die phasenlinear ist.
Ein von der vorliegenden Erfindung geschaffener Vorteil besteht darin, eine größere Rauschverbesserung zu schaffen als Systeme des Standes der Technik, ohne daß es dabei zu einer sichtbaren Rauschzunahme in einzelnen Bereichen kommt. Ein weiterer Vorteil, den die vorliegende Erfindung bietet, besteht in der Verringerung der Spitze-Spitze-FM- Abweichung des Signals. Diese Verringerung der Abweichung ermöglicht eine Übertragung in schmäleren FM-Kanälen ohne auftretendes Abbrechrauschen, oder alternativ dazu wird eine Zunahme der zulässigen Abweichung für einen gegebenen FM-Kanal ermöglicht.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsformen deutlich, die als Beispiel dienen soll, und in der:
Fig. 1 Deemphasiskonfigurationen des Standes der Technik im Blockdiagrammformat zeigt, die zur Implementierung der E7-Deemphasis verwendet wurden;
Fig. 2 ein Graph ist, der die Form der Nichtlinearität zeigt, welche bei der E7 Deemphasis verwendet wird;
Fig. 3 ein Blockdiagramm eines Deemphasissystems des Standes der Technik für die Anwendung an einem Videosignal des PAL-Formats zeigt;
Fig. 4 Blockdiagramme der Preemphasiskonfigurationen gemäß den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung zeigt, in denen:
Fig. 4a ein Blockdiagramm einer Preemphasiskonfiguration zeigt, die eine Vorkorrektur anwendet; und
Fig. 4b ein Blockdiagramm einer Modifizierung der Konfiguration von Fig. 4a zeigt; und
Fig. 4c ein Blockdiagramm einer grundlegenden Preemphasiskonfiguration zeigt;
Fig. 5 ein Blockdiagramm einer Deemphasiskonfiguration gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 6 und 7 ein Beispiel für Preemphasis- und Deemphasisbausteine zeigen, die für die Übertragung von Videosignalen mit erweiterter Definition oder hoher Definition optimiert sind, die in den Konfigurationen von Fig. 4 und 5 verwendet werden können;
Fig. 8 typische Merkmale der in Fig. 6 und 7 gezeigten Filter darstellt;
Fig. 9 ein Testsignal einschließlich einem Impuls und einer Stufe zeigt;
Fig. 10 die Reaktion der einzelnen Filter F8/F9 auf ein angelegtes Signal zeigt, welches die Form des in Fig. 9 dargestellten Testsignals besitzt;
Fig. 11 die zusammengefaßte Reaktion der Filter F&sub8;/F&sub9; auf das Testsignal von Fig. 9 zeigt;
Fig. 12 ein Beispiel für die Nichtlinearitäten N&sub7;/N&sub8; zeigt, die für die Verarbeitung eines HDMAC-Signals optimiert sind; und
Fig. 13 ein Beispiel für die Nichtlinearitäten N&sub4;/N&sub5; zeigt, die für die Verarbeitung eines HDMAC-Signals optimiert sind.
Nun wird auf Fig. 4 und 5 Bezug genommen. BP ist ein Preemphasisbaustein. BD ist ein Deemphasisbaustein.
Die Bausteine BP, BD und deren Verwendung innerhalb der Strukturen von Fig. 4 und 5 zur Schaffung eines komplementären Kompressions- bzw. Expansionsprozesses zeigen die vorteilhaften Merkmale der vorliegenden Erfindung.
Der Rauschverminderungsprozeß gemäß der vorliegenden Erfindung kann so implementiert werden, daß sichtbare Rauschmodulationseffekte im Fernsehbild im wesentlichen verringert werden.
Bei der Preemphasiskonfiguration von Fig. 4a handelt es sich um eine Vorkorrekturstruktur, von der zwei Vorkorrekturebenen dargestellt sind, aber dieses Prinzip kann auf eine beliebige Anzahl von Stufen ausgedehnt werden, um den Gesamtfehler soweit zu reduzieren, wie dies erforderlich ist. (Dies gilt nur, wenn BD auf entsprechende Weise konstruiert ist, so daß der Fehler konvergent ist). In der Praxis stellt die Anzahl der verwendeten Vorkorrekturstufen einen Kompromiß zwischen den folgenden Faktoren dar: den Wunsch, eine so präzise Preemphasis wie möglich zu erzielen (viele Vorkorrekturstufen), und die Notwendigkeit, die Gerätekosten niedrig zu halten (wenige Vorkorrekturstufen). Es ist darauf hinzuweisen, daß ausfüllende Verzögerungen (nicht dargestellt) im Eingangssignalpfad geschaffen werden, um Verzögerungen in den Filtern und, falls notwendig, in den Nichtlinearitäten zu berücksichtigen.
Bei den meisten Signalfrequenzen wird der Signalausgang von den nachfolgenden Stufen der Preemphasiskonfiguration von Fig. 4a eine immer näher werdende Annäherung an das gewünschte Signal sein (wenn man davon ausgeht, daß die Nichtlinearitäten ausgewählt wurden, um einen konvergenten Fehler zu erzeugen). Bei der Korrektur, die von jeder Stufe des Vorkorrektors implementiert wird, handelt es sich jedoch nur um eine Annäherung an den wahren Fehler in jeder Stufe. Bei bestimmten Frequenzen nähert sich das anfängliche rohe, deemphatische Signal sehr nahe an das Idealsignal an, und die Anwendung von nachfolgenden Vorkorrekturstufen kann zu einer allmählichen Vergrößerung des Fehlers führen.
Eine Möglichkeit, dem obigen Problem zu begegnen, besteht darin, die Anzahl an Vorkorrekturstufen ausreichend niedrig anzusetzen, so daß der kumulative Fehler bei Frequenzen, bei denen der Fehler mit jeder Stufe zunimmt, am Ausgang der Preemphasisschaltung immer noch gering ist.
Eine bessere Möglichkeit zur Lösung dieses Problems besteht darin, die an jeder Stufe angewandte Korrektur zu skalieren oder zu gewichten, wie dies in der Ausführungsform von Fig. 4b dargestellt ist.
Fig. 4b zeigt eine modifizierte Vorkorrekturkonfiguration mit drei Vorkorrekturstufen. Wie in Fig. 4a sind auch hier die erforderlichen ausfüllenden Verzögerungen nicht dargestellt. Bei jeder Vorkorrekturstufe wird das deemphatische Signal um ein Ausmaß korrigiert, das von einem Gewichtungsfaktor A abhängt, der Werte zwischen 0 und 1 einnimmt. Die Preemphasiskonfiguration von Fig. 4a kann als ein spezi eller Fall der Konfiguration von Fig. 4b betrachtet werden (d. h. bei dem A = 1 ist).
Bestimmte Werte von A sind mit Hilfe digitaler Hardware einfacher zu implementieren als andere (z. B. Werte n/m, wobei m klein und eine Potenz von 2 ist, z. B. 7/8). Es empfiehlt sich, den Skalierungsfaktor A aus einem dieser einfacheren Werte auszuwählen. Für eine vorgegebene Anzahl an Vorkorrekturstufen und vorgegebene Filter- und Nichtlinearitätsfunktionen ist es sehr einfach, mittels Experiment oder Computersimulation zu bestimmen, welcher Wert für A zu einer optimalen Fehlerleistung führt.
Eine einfache Technik zur Bestimmung nützlicher Werte für den Wert A, der an einer vorgegebenen Vorkorrektur-Preemphasiskonfiguration anzuwenden ist, besteht darin, eine Computersimulation der Schaltung zu erstellen, einen Testwert für A auszuwählen, eine pseudozufällige Abfolge als Eingangssignal anzuwenden, den simulierten Ausgang der Preemphasisschaltung zu nehmen und an einer Simulation der entsprechenden Deemphasisschaltung anzuwenden, um das Ergebnis mit dem anfänglichen Eingangssignal zu vergleichen. Der beste Wert, der für A zu verwenden ist, ist jener, der zur besten Übereinstimmung zwischen diesen Signalen führt. In einer Ausführungsform der Schaltung von Fig. 4b (bei der drei Vorkorrekturstufen verwendet werden) hat sich gezeigt, daß ein Wert für A - 0,875 einen guten Kompromiß zwischen einer schnellen Fehlerkonvergenzrate und einer einfachen Hardwareimplementierung darstellt.
Natürlich gibt es auch dann Vorteile, wenn die vorliegende Erfindung nur in einfachen Preemphasisstrukturen verwendet wird (d. h. solchen, die keine Vorkorrektur verwenden). Es können auch Strukturen verwendet werden, die analog zu jenen Strukturen von Fig. 1a) bis d) sind. Ein Beispiel für eine geeignete einfache Struktur ist in Fig. 4c dargestellt.
Es wäre auch möglich, durch eine geeignete Verarbeitung im Deemphasissystem für Ungenauigkeiten im Preemphasis-/Deemphasisprozeß vorzusorgen. Für Anwendungen, bei denen es wahrscheinlich eine Preemphasisschaltung und eine große Anzahl an Deemphasisschaltungen gibt (z. B. Signalnachrichten), sollte vorzugsweise der Komplexitätsgrad der Deemphasisschaltung gering gehalten werden.
Fig. 6 und 7 zeigen ein Beispiel für BD und BP, die für die Übertragung von Fernsehbildern mit erweiterter Definition und hoher Definition durch Schmalbandsatelliten mit geringer Leistung konstruiert sind. F&sub5;, F&sub6;, F&sub8;, F&sub9; sind Filter. N&sub4;, N&sub5;, N&sub7;, N&sub8; sind Nichtlinearitäten. Die Art der Nichtlinearitäten N&sub4;, N&sub5;, N&sub7; und N&sub8; wird weiter unten diskutiert.
Fig. 8 zeigt typische Filtereigenschaften. Die Filter F&sub5;, F&sub6; sind nichtlineare Phasenfilter, die identische Größenverläufe, aber gleiche und entgegengesetzte Phasenverläufe besitzen. Die Filter F&sub5;, F&sub9; sind ebenfalls nichtlineare Phasenfilter mit identischen Größenverläufen, aber gleichen und entgegengesetzten Phasenverläufen. Die Summe der Verläufe von F&sub5;, F&sub6;, F&sub8;, F&sub9; bildet einen Hochpaßfilter.
Eine Möglichkeit, dies zu betrachten, besteht darin, zu berücksichtigen, daß das System durch Aufteilen des Signals in der Phase und auch im Frequenzbereich arbeitet. Eine vierfache Aufteilung ist in Fig. 6 und 7 dargestellt, das heißt, es handelt sich um eine zweifache Aufteilung in Phase und eine zweifache Aufteilung in Frequenz. Offensichtlich könnte das System zum Beispiel auf eine 2 (Phase) · 3 (Frequenz)-Aufteilung erweitert werden.
Auf ähnliche Weise kann eine geeignete, aber geringere Verbesserung bei der Rauschleistung in einem allgemeinen System erzielt werden, das so zusammengesetzt ist, daß eines oder mehrere der Frequenzbänder keine Phasenteilung enthalten. Wenn ein solches allgemeines System zum Beispiel an Videosignalen angewandt wird, wäre es wünschenswert, eine Phasenteilung im Tieffrequenzband zu haben und die Hochfrequenzbänder im Hinblick auf die Tatsache intakt zu lassen, daß die Mehrheit der Energie bei Videosignalen in tiefen Frequenzen konzentriert ist. Der "ungeteilte" Pfad würde einen Filter und eine Nichtlinearität entsprechender Form umfassen.
Die Vorteile zweier Aspekte der Erfindung sind weiter unten unter den Überschriften "Phasenteilung" und "Frequenzteilung" beschrieben. Die Diskussion bezieht sich noch immer auf die Beispiele der Fig. 6 und 7, die beide Aspekte der Erfindung umfassen.

Phasenteilung

Für ein gegebenes Videosignal werden die Reaktionen an den Ausgängen von F&sub5;/F&sub6; an unterschiedlichen Zeitpunkten auftreten. Das gleiche gilt für F&sub8;/F&sub9;. Man beachte das Impuls/Schritt-Testsignal von Fig. 9. Die Reaktionen der "Halb"-Filter F&sub8;/F&sub9; wären typischerweise so, wie sie in Fig. 10 dargestellt sind. Es sollte anerkannt werden, daß die Filter, z. B. F&sub8;/F&sub9;, nichtlinearphasig sind, aber die Summierung der zwei Reaktionen linearphasig ist (Fig. 11). Die Vorteile der Anwendung der nichtlinearen Funktion am Ausgang der Halbfilter anstatt am Ausgang eines einzelnen, linearphasigen Vollfilters können durch Vergleichen von Fig. 10 mit Fig. 11 verstanden werden:
a) Für eine Satellitenübertragung wird im allgemeinen eine nichtlinearphasige (analoge) lineare Preemphasis und Deemphasis verwendet. Das Ergebnis davon ist, daß die Abbrecheffekte im Satellitenkanal vorwiegend an Stufenübergängen und in geringerem Ausmaß an Impulswellenformen auftreten. Die Verwendung linearphasiger Filterung (Fig. 11) führt zu einer viel schwächeren Reaktion auf Stufenübergänge als auf Impulse, so daß es unmöglich ist, eine nichtlineare Funktion zu finden, welche den Stufenübergang komprimiert, ohne unnotwendigerweise den Impuls in sehr hohem Grad zu komprimieren.
Nun wird auf Fig. 10 Bezug genommen. Die Schrittreaktion der Halbfilter ist größer als ihre Impulsreaktion. Dies bedeutet, daß die Schrittreaktion stärker komprimiert werden kann als die Impulsreaktion, und dies führt zu einer optimalen Situation für die Beseitigung von Abbrechrauschen bei der Satellitenübertragung, wo eine nichtlinearphasige lineare Preemphasis verwendet wird, wie z. B. PAL, MAC, HDMAC. Dieser Prozeß ist auch bei der Verringerung von Abbrechrauschen in Situationen wirksam, bei denen der Demodulator im Empfänger eine Phasensynchronisationsschleifenvorrichtung besitzt, die selbst eine nichtlinearphasige Schleifenreaktion aufweist.
Simulationen, bei denen ein Testsignal verwendet wird, das aus einer Pseudozufallsabfolge besteht, haben bestätigt, daß das System das Abbrechrauschen für modulierende Signale zufälliger Art verringert.
b) Ältere Ansätze zur Komprimierung des Signals wurden unter Anwendung einer nichtlinearphasigen Filterung versucht. Dies kann jedoch zu einer sichtbaren Rauschzunahme in detaillierten Bereichen, und zwar insbesondere bei Stufenübergängen, führen. Es handelt sich um ein bestimmtes Merkmal der vorliegenden Erfindung, daß nichtlinearphasige Verarbeitungspfade mit gleichen und entgegengesetzten Phasenverläufen verwendet werden, so daß der Gesamtverlauf linearphasig ist und Rauschmodulationseffekte auf symmetrische Weise auf Stufenübergänge (und andere Wellenformen) verteilt werden, so daß die Sichtbarkeit der Rauschmodulation minimiert wird.

Frequenzteilung

Bezugnehmend auf Fig. 1 im Stand der Technik handelt es sich bei F2 um einen Hochpaßfilter, und daher wird bei einer Satellitenübertragung, wo das Rauschspektrum dreiecksförmig ist, der Großteils des Rauschens, das am Deemphasisausgang auftritt, aus dem Ausgang der Nichtlinearität N entstehen. Wenn das gewünschte Visionssignal keine große HF-Komponente enthält, wird das Rauschen durch N gedämpft (siehe Fig. 2), da die Neigung der Kurve für kleine Signale klein ist.
Bei Hochfrequenzsignalen mit hoher Größe wird jedoch das Rauschen durch N vergrößert, da das gewünschte Signal das Rauschen auf einen Punkt auf der nichtlinearen Kurve vorspannt, wo die Neigung größer ist als die Einheit.
Ein zusätzliches Problem besteht darin, daß es zwischen dem gewünschten Signal und dem Rauschen aufgrund der Nichtlinearität zu einer Intermodulation kommt. Wenn zum Beispiel das gewünschte Signal eine Sinuswelle mit der Frequenz Fw ist, wird aufgrund der symmetrischen Nichtlinearität N das Rauschen rund um die Frequenz 2FW bis nahe dc nach unten konvertiert, wo das Rauschen subjektiv sichtbarer ist. Es sollte darauf hingewiesen werden, daß diese zwei Probleme entstehen, da E7 im Gegensatz zu anderen Rauschverminderungssystemen (zum Beispiel Audiorauschverminderung) ein sofort kompandierendes System ist.
Nun betrachten wir das Deemphasisnetzwerk (Fig. 5, 6) gemäß der Erfindung. Der Rauschbeitrag am Ausgang entsteht aus 4 (im Beispiel) separaten Pfaden. Bezugnehmend auf die Filtereigenschaften von Fig. 8 ist klar, daß die Rauschleistung am Eingang zu den Nichtlinearitäten geringer sein wird als im Fall des Standes der Technik (Fig. 2), da die Rauschbandbreite eines jeden Filters kleiner ist als jene des Hochpaßfilters F&sub2; (Fig. 2).
Betrachten wir zum Beispiel ein gewünschtes Signal, das aus einer großen 4 MHz Sinuswelle besteht. Der dadurch verursachte Rauschmodulationseffekt wird kleiner sein als im Fall des Standes der Technik, da nur das Rauschen an den Ausgängen der Filter F&sub8;/F&sub9; moduliert wird. Im Falle eines erwünschten 10 MHz-Signals wird nur das Rauschen am Ausgang der Filter F&sub5;/F&sub6; moduliert.
In anderen Worten wird das Signal für die Verarbeitung in eine Anzahl unterschiedlicher Frequenzbänder aufgeteilt, wobei jedes Band einer jeweiligen unabhängigen Nichtlinearität unterworfen wird. Das Rauschen, welches das Signal beeinträchtigt, wird ebenfalls zwischen den unterschiedlichen Frequenzbändern aufgeteilt. Wenn ein Ton mit großer Amplitude dazu führt, daß ein Rauschsignal zu einem Teil der Deemphasiseigenschaft vorgespannt wird, wo das Rauschen verstärkt wird, beeinflußt dieser Effekt nur eines der Frequenzbänder. Somit verstärkt der gegenteilige Effekt nur einen kleineren Bruchteil des Rauschsignals.
Zusätzlich dazu verringert die Verwendung der in Fig. 8 dargestellten Filterung die (nach unten konvertierte) NF- Rauschkomponente aufgrund einer Intermodulation mit dem Signal. Im Fall von F&sub5;/F&sub6; können die dominanten NF-Produkte aufgrund der Multiplikation von 2 · FW und das Rauschen nicht auftreten, da nur erwünschte Signale unter 5 MHz diese erzeugen und diese vom Filter stark gedämpft werden.
Im Fall von F&sub8;/F&sub9; können erwünschte Signale einer Frequenz rund um 5 MHz keine NF-Intermodulationskomponenten mehr erzeugen, da sie nur von Rauschkomponenten rund um 2Fw (10 MHz) erzeugt werden können und diese Rauschkomponenten vom Filter stark gedämpft werden. Im allgemeinen Fall wird immer noch ein gewisses NF-"Intermodulations"rauschen bleiben, aber dieses wird vom Verfahren der vorliegenden Erfindung verringert.
Es ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß sie ein Mittel zur Implementierung einer Bearbeitung schafft, wodurch das Signal im Frequenzbereich so aufgeteilt wird, daß das Verhältnis zwischen Signal und Rauschen bei Vorhandensein des gewünschten Signals relativ zum Stand der Technik verbessert wird, und so daß die Erzeugung von NF- Rauschen aufgrund einer Intermodulation zwischen dem gewünschten Signal und dem Kanalrauschen verringert wird.
In Ausführungsformen der Erfindung, die bei der Übertragung von Hochdefinitionssignalen angewandt werden, kann es wünschenswert sein, wenn sichergestellt wird, daß das deemphatische Signal mit vorhandenen Empfängern (die für den Empfang von herkömmlichen Videosignalen geeignet sind) kompatibel ist. In solchen Fällen wird bevorzugt, daß die Tieffrequenzkomponente des Eingangssignals keiner nichtlinearen Funktion ausgesetzt wird. Stattdessen werden entsprechende unabhängige Nichtlinearitäten an höheren Frequenzbändern des Signals angewandt.

Nichtlinearitäten

Die nichtlinearen Funktionen N&sub4;, N&sub5;, N&sub7;, N8 sind nichtmonotone Funktionen. Für das in diesem Dokument enthaltene Beispiel (welches für die Übertragung von HDMAC optimiert ist) sind die Funktionen in Fig. 12, 13 dargestellt. Diese werden von monotonen Basisfunktionen derselben allgemeinen Form abgeleitet wie die in Fig. 2 dargestellte Funktion N. Die Umwandlung von monotonen auf nichtmonotone Funktionen wird durch Beziehungen erzielt, wie sie zum Beispiel in den Gleichungen (1), (2) oben dargestellt sind.
Die monotone Basisfunktion NL, die zum Erzeugen der Nichtlinearitäten N&sub4; und N&sub5; verwendet wird, welche im unteren Frequenzband verwendet werden, unterscheidet sich jedoch von der monotonen Basisfunktion NU, die zum Erzeugen der Nichtlinearitäten N&sub7; und N&sub5; verwendet wird, welche im höheren Frequenzband verwendet werden. Obwohl auch die monotonen Basisfunktionen NL und NU von derselben Art sind wie die monotone Basisfunktion N der Gleichungen (1) und (2) oben, werden sie optimiert, damit sie sich für das jeweils verarbeitete Eingangssignal (bei dem es sich, wie oben erwähnt, um ein HDMAC-Signal in den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung handelt) eignen.
Für die Nichtlinearitäten von Fig. 6 und 7 entsprechen die folgenden Gleichungen den Gleichungen (1) und (2) oben:
N&sub4;(V&sub1;) = NL(V&sub1;) - V&sub1;
N&sub5; (V&sub1;) = NL&supmin;¹ (V&sub1;) - V&sub1;
N&sub7;(V&sub1;) = NU (V&sub1;) - V&sub1;
N&sub8; (V&sub1;) = NU&supmin;¹ (V&sub1;) - V&sub1;
Der Stand der Technik beschreibt ein Verfahren zur nichtlinearen Preemphasis/Deemphasis, um das Signal-Rausch-Verhältnis von Fernsehbildern, die über Satelliten übertragen werden, zu verbessern. Die Rauschverbesserung in "flachen" Bereichen des Bildes kann durch Verwendung einer stärkeren nichtlinearen Charakteristik verbessert werden.
Es hat sich gezeigt, daß dies zu einer Rauschzunahme in detaillierten Bereichen des Bildes und auch zu einer Zunahme von Abbrechrauschen führt, das im Satellitenkanal verursacht wird.
Es ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, ein Mittel zur Erzielung einer größeren Rauschverbesserung zu schaffen, als zuvor erzielbar war, ohne daß es dadurch zu einer sichtbaren Rauschzunahme in detaillierten Bereichen kommt. Eine umfangreichere Verbesserung wird durch gemeinsame Verwendung beider Aspekte der Erfindung erzielt.
Es ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß ein Mittel zum Komprimieren des Signals geschaffen wird, so daß für einen beliebigen Satellitenkanal eine höhere Abweichung verwendet werden kann, ohne daß es zu einem Abbrechrauschen kommt. Dies führt zu einer zusätzlichen Rauschverbesserung im Vergleich zu dem, was ansonsten möglich wäre.

Claims

1. Verfahren zur Preemphasis eines Signals, umfassend die folgenden Schritte:

a) das Empfangen des Signals als Eingang;

b) das Anlegen des Eingangssignals an ein Verarbeitungssystem, umfassend ein Paar parallele Signalverarbeitungspfade, wobei jeder einen nichtlinearen Phasenfilter und eine Nichtlinearität umfaßt, und einen weiteren parallelen Pfad, wobei die Filter im Verarbeitungspfadpaar gleiche, aber einander entgegengesetzte Phasenverläufe und im wesentlichen die gleichen Größenverläufe aufweisen; und

c) das Kombinieren der Ausgänge der parallelen Pfade, um ein rohes deemphatisches Signal zu erzeugen, wodurch das Eingangssignal einer nichtlinearen dynamischen Bereichskompression unterzogen wird, die phasenlinear ist.

2. Preemphasisverfahren nach Anspruch 1, wobei der Anlegeschritt umfaßt:

das Anlegen des Eingangssignals an ein Verarbeitungssystem, welches mindestens einen zusätzlichen parallelen Verarbeitungspfad umfaßt, wobei der zusätzliche Verarbeitungspfad einen linearen Phasenfilter und eine Nichtlinearität umfaßt und dazu geeignet ist, auf einem Frequenzband zu arbeiten, das unterschiedlich ist von jenem, auf dem das Paar der Verarbeitungspfade arbeitet.

3. Preemphasisverfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Anlegeschritt umfaßt:

das Anlegen des Eingangssignals an ein Verarbeitungssystem, welches mindestens ein zusätzliches Paar Verarbeitungspfade umfaßt, wobei jedes zusätzliche Paar an Verarbeitungspfaden einen nichtlinearen Phasenfilter und eine Nichtlinearität umfaßt, wobei die Filter in den parallelen Pfaden eines Paars gleiche, aber einander entgegengesetzte Phasenverläufe und im wesentlichen gleiche Größenverläufe aufweisen, und wobei die Ausgänge der parallelen Pfade in jedem weiteren Paar mit den Ausgängen der anderen parallelen Pfade kombiniert werden, um das rohe deemphatische Signal zu erzeugen, wobei die unterschiedlichen Paare an Verarbeitungspfaden dazu geeignet sind, auf unterschiedlichen Frequenzbändern zu arbeiten.

4. Preemphasisverfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, und weiter umfassend den Schritt des Anlegens einer Vorkorrektur durch:

das Deemphatisieren des rohen, deemphatischen Signals;

das Subtrahieren des deemphatischen Signals vom Eingangssignal, um ein Fehlersignal zu erzeugen; und

das Kombinieren des Fehlersignals mit dem rohen deemphatischen Signal, um ein deemphatisches Signal mit einem Grad an Vorkorrektur zu bilden.

5. Preemphasisverfahren nach Anspruch 4, wobei der Vorkorrekturschritt die folgenden Schritte umfaßt:

das Anlegen des rohen deemphatischen Signals an einen Deemphasisbaustein, umfassend parallele Signalverarbeitungspfade, wobei jeder einen Filter und eine Nichtlinearität umfaßt, wobei die Nichtlinearitäten Nd in den parallelen Verarbeitungspfaden mit den entsprechenden Nichtlinearitäten Np in Beziehung stehen, die im Verarbeitungssystem durch die folgenden Gleichungen angewandt werden:

Na (V&sub1;) = Nb (V&sub1;) - V&sub1;

NP (V&sub1;) - Nb&supmin;¹ (V&sub1;) - V&sub1;

wobei N eine monotone Funktion ist,

und wobei die Ausgänge der parallelen Verarbeitungspfade kombiniert werden, um den Ausgang des Deemphasisbausteins zu erzeugen; und

das Subtrahieren des Ausgangs des Deemphasisbausteins vom Eingangssignal, um ein deemphatisches Signal mit einem Grad an Vorkorrektur zu erzeugen.

6. Preemphasisverfahren nach Anspruch 5, wobei der Vorkorrekturschritt wiederholt ausgeführt wird und wobei der Ausgang der n-lten Vorkorrekturstufe mit einem Skalierungsfaktor (1-A) multipliziert und A mal mit dem Eingangssignal und A mal mit dem Ausgang des Deemphasisbausteins in der n-ten Vorkorrekturstufe kombiniert wird, um den Ausgang der n-ten Vorkorrekturstufe zu erzeugen, wobei A ein Gewichtungsfaktor 0 < A < 1 ist.

7. Preemphasisverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Anlegeschritt das Anlegen des Eingangssignals an ein Verarbeitungssystem umfaßt, in welchem es sich bei den angelegten Nichtlinearitäten um nichtmonotone Nichtlinearitäten handelt.

8. Verfahren zur Deemphasis eines Signals, umfassend die folgenden Schritte:

a) das Empfangen des Signals als Eingang;

c) das Kombinieren der Ausgänge der parallelen Pfade, um das deemphatische Signal zu erzeugen, wodurch das Eingangssignal einer nichtlinearen dynamischen Bereichsexpansion unterzogen wird, die phasenlinear ist.

9. Deemphasisverfahren nach Anspruch 8, wobei der Anlegeschritt umfaßt:

das Anlegen des Eingangssignals an ein Verarbeitungssystem, welches mindestens einen zusätzlichen parallelen Verarbeitungspfad umfaßt, wobei der zusätzliche Verarbeitungspfad einen linearen Phasenfilter und eine Nichtlinearität umfaßt und dazu geeignet ist, auf einem Frequenzband zu arbeiten, das unterschiedlich ist von jenem, auf dem das Paar der parallelen Verarbeitungspfade arbeitet.

10. Deemphasisverfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Anlegeschritt umfaßt:

das Anlegen des Eingangssignals an ein Verarbeitungssystem, welches mindestens ein zusätzliches Paar Verarbeitungspfade umfaßt, wobei jedes weitere Paar an Verarbeitungspfaden einen nichtlinearen Phasenfilter und eine Nichtlinearität umfaßt, wobei die Filter in den parallelen Pfaden eines Paars gleichen, aber einander entgegengesetzte Phasenverläufe und im wesent lichen gleiche Größenverläufe aufweisen, und wobei die Ausgänge der parallelen Pfade kombiniert werden, um das deemphatische Signal zu erzeugen, wobei die unterschiedlichen Paare an Verarbeitungspfaden dazu geeignet sind, auf unterschiedlichen Frequenzbändern zu arbeiten.

11. Deemphasisverfahren nach einem der Ansprüche 8, 9 oder 10, wobei der Anlegeschritt das Anlegen des Eingangssignals an ein Verarbeitungssystem umfaßt, in welchem es sich bei den angelegten Nichtlinearitäten um nichtmonotone Nichtlinearitäten handelt.

12. Vorrichtung zur Preemphasis eines Signals, umfassend:

ein Mittel zum Empfangen eines Eingangssignals;

ein System zur Verarbeitung des Eingangssignals, wobei das Verarbeitungssystem ein Paar parallele Verarbeitungspfade umfaßt, wobei jeder einen nichtlinearen Phasenfilter und eine Nichtlinearität umfaßt, und einen weiteren parallelen Pfad, wobei die Filter im Verarbeitungspfadpaar gleiche, aber einander entgegengesetzte Phasenverläufe und im wesentlichen die gleichen Größenverläufe aufweisen; und

Mittel zum Kombinieren der Ausgänge der parallelen Verarbeitungspfade, um ein rohes deemphatisches Signal zu erzeugen, wodurch die Signalverarbeitung und Kombinierung eine nichtlineare dynamische Bereichskompression des Eingangssignals erzeugt, die phasenlinear ist.

13. Preemphasisvorrichtung nach Anspruch 12, wobei das Verarbeitungssystem weiter mindestens einen zusätzlichen parallelen Verarbeitungspfad umfaßt, wobei der zusätzliche Verarbeitungspfad einen linearen Phasen filter und eine Nichtlinearität umfaßt und dazu geeignet ist, auf einem Frequenzband zu arbeiten, das unterschiedlich ist von jenem, auf dem das Paar der Verarbeitungspfade arbeitet.

14. Preemphasisvorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, wobei:

das Verarbeitungssystem weiter mindestens ein zusätzliches Paar an Verarbeitungspfaden umfaßt, wobei jedes weitere Paar an Verarbeitungspfaden einen nichtlinearen Phasenfilter und eine Nichtlinearität umfaßt, wobei die Filter in den parallelen Pfaden eines Paars gleiche, aber einander entgegengesetzte Phasenverläufe und im wesentlichen gleiche Größenverläufe aufweisen;

das Kombinationsmittel dazu geeignet ist, die Ausgänge der parallelen Pfade zu kombinieren, um das rohe deemphatische Signal zu erzeugen; und

die unterschiedlichen Paare an Verarbeitungspfaden dazu geeignet sind, auf unterschiedlichen Frequenzbändern zu arbeiten.

15. Preemphasisvorrichtung nach Anspruch 12, 13 oder 14, wobei es ein weiteres Vorkorrekturmittel gibt, umfassend:

ein Mittel zur Deemphasis des rohen, deemphatischen Signals;

ein Mittel zum Subtrahieren des deemphatischen Signals vom Eingangssignal, um ein Fehlersignal zu bilden; und

ein Mittel zum Kombinieren des rohen deemphatischen Signals mit dem Fehlersignal, um ein deemphatisches Signal mit einem Grad an Vorkorrektur zu erzeugen.

16. Preemphasisvorrichtung nach Anspruch 15, wobei das Vorkorrekturmittel umfaßt:

einen Deemphasisbaustein zur Verarbeitung des rohen, deemphatischen Signals, wobei der Deemphasisbaustein parallele Signalverarbeitungspfade umfaßt, wobei jeder einen nichtlinearen Phasenfilter und eine Nichtlinearität umfaßt, und ein Mittel zur Kombinierung der Ausgänge der parallelen Verarbeitungspfade, um den Ausgang des Deemphasisbausteins zu erzeugen, wobei die Nichtlinearitäten Nd in den parallelen Verarbeitungspfaden mit den Nichtlinearitäten Np im Verarbeitungssystem durch die folgenden Gleichungen in Beziehung stehen:

Na(V&sub1;) = Nb(V&sub1;) - V&sub1;

Np(V&sub1;) - Nb&supmin;¹(V&sub1;) - V&sub2;

wobei Nb eine monotone Funktion ist;

und ein Mittel zum Subtrahieren des Ausgangs des Deemphasisbausteins vom Eingangssignal, um ein deemphatisches Signal mit einem Grad an Vorkorrektur zu erzeugen.

17. Preemphasisvorrichtung nach Anspruch 16, wobei das Vorkorrekturmittel dazu geeignet ist, eine wiederholte Vorkorrektur durchzuführen, und umfaßt:

ein Mittel zur Multiplizierung des Ausgangs der n-lten Vorkorrekturstufe mit einem Skalierungsfaktor (1-A);

ein Mittel zum Multiplizieren des Eingangssignals mit einem Skalierungsfaktor A;

ein Mittel zum Multiplizieren des Ausgangs des Deemphasisbausteins der n-ten Vorkorrekturstufe mit einem Skalierungsfaktor A; und

ein Mittel zum Kombinieren der skalierten Signale, um den Ausgang der n-ten Vorkorrekturstufe zu erzeugen, wobei es sich bei A um einen Gewichtungsfaktor 0 < A < 1 handelt.

18. Preemphasisvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, wobei es sich bei den angelegten Nichtlinearitäten um nichtmonotone Nichtlinearitäten handelt.

19. Vorrichtung zur Deemphasis eines Signals, umfassend:

ein Mittel zum Empfangen eines Eingangssignals;

ein System zur Verarbeitung des Eingangssignals, wobei das Verarbeitungssystem ein Paar parallele Signalverarbeitungspfade umfaßt, wobei jeder einen nichtlinearen Phasenfilter und eine Nichtlinearität umfaßt, und einen weiteren parallelen Pfad, wobei die Filter im Verarbeitungspfadpaar gleiche, aber einander entgegengesetzte Phasenverläufe und im wesentlichen die gleichen Größenverläufe aufweisen; und

ein Mittel zum Kombinieren der Ausgänge der parallelen Verarbeitungspfade, um ein deemphatisches Signal zu erzeugen, wodurch die Signalverarbeitung und Kombinierung eine nichtlineare dynamische Bereichsexpansion des Eingangssignals erzeugt, die phasenlinear ist.

20. Deemphasisvorrichtung nach Anspruch 19, wobei das Verarbeitungssystem weiter mindestens einen zusätzlichen parallelen Verarbeitungspfad umfaßt, wobei der zusätzliche Verarbeitungspfad einen linearen Phasenfilter und eine Nichtlinearität umfaßt und dazu ge eignet ist, auf einem Frequenzband zu arbeiten, das unterschiedlich ist von jenem, auf dem das Paar der Verarbeitungspfade arbeitet.

21. Deemphasisvorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, wobei:

das Kombinierungsmittel dazu geeignet ist, die Ausgänge der parallelen Pfade in jedem weiteren Paar mit den Ausgängen der anderen parallelen Pfade zu kombinieren, um das deemphatische Signal zu erzeugen; und

22. Deemphasisvorrichtung nach einem der Ansprüche 19, 20 oder 21, wobei es sich bei den angelegten Nichtlinearitäten um nichtmonotone Nichtlinearitäten handelt.