CN1022282C - 可调去假频滤波器 - Google Patents

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Abstract

一种经取样数据的可编程二次取样系统，该系统包括一限制着有待根据二次取样比进行二次取样的信号的信息带宽的可编程去假频滤波器。该去假频滤波器包括一对输入取样信号和经延迟(310)的组合取样信号按K与(1-K)的比例(其中K是个变量)进行换算和组合(304，306，308)的递归式滤波器。各变量K按N个K值的重复次序加到递归式滤波器中，其中N是二次取样因数，将每第N个组合取样信号提取，然后作为二次取样信号提供。

Description

本发明涉及一种其传递函数易于调节得使其适应例如视频信号特性处理器中的多个希望有的取样比的去假频滤波器。
在数字系统中，经常需要以不同的取样比处理信号。举例说，可对多态声频处理器进行这样的安排：在第一工作状态下处理以取样比F出现的单声频信号，在第二工作状态下以时分多路复用的方式处理两个声频信号，其中各信号是以F/2的取样比进行处理的，以及在第三工作状态下则以时分多路复用的方式处理N个声频信号，其中各信号是以F/N的取样比进行处理的。假设各N个声频信号以F的取样比出现，且包括一系列含趋近F/2的频率（奈奎斯特Nyquest取样极限）的信息，则为避免出现假频率，必须对N个声频信号进行滤波，以减小信息范围，使其小于F/2N，然后再进行时分多路复用以便加到处理器之前进行二次取样，使其取样比为F/N。各去假频滤波器的频带宽度必须可以根据待进行时分多路复用的信号的数目N加以调节。
再举一个例子，让我们看看一个具有能同时显示数目可选择的画幅压缩了的图象的画中画（picture-in-picture）处理器的电视接收机。该处理器可以显示个个压缩到占显示屏的1/4的四幅图象、个个压缩到占显示屏的1/9的九幅图象、个个压缩到占显示屏的1/16的十六幅图象等等。假设表示各图象的视频信号系取样得使其包含未经压缩的图象的全部视频频带宽度。在这种情况下，该画中画处理器可包括一个或多个可选择地加以调节的去假频滤波器，以便按所选用的压缩系数限制各图象的信息频带宽度。
大家都知道，有一种用以将各信号的信息通带调节成数字形式的可编程数字低通滤波器。一般说来，这类滤波器呈输出经加权的脉冲特性有限的滤波器的形式，改变其权重因数是有一定的规定的。但这种过滤器如果要使其适应范围甚至较窄的不同频带宽度就会变得相当复杂了。
大家都知道，可以把可编程低通滤波器制成无限脉冲特性或递归式滤波器。这种滤波器也包括可选择地加以编程以限定信号通带的权重元件。
名义上，在上述这两种滤波器中，各权重元件上都加有固定的一套权重因数，用以限定特定的通带。弗林格（Fling）等人在美国专利4，656，516中参照其中的附图3A叙述了一种采用顺序可互换的权重因数的固定带宽递归式去假频滤波器。弗林格等人的滤波器形成假平均的彼此不相容的N个取样组成的取样群，其中各群中的各取样用不同的因数加权。这种滤波器特有的优点在于只需用一个权重元件，因而各部件的效率非常高。
本发明的目的是提供一种配备在二次取样系统中的可调带宽的滤波器，该滤波器：甲）采用递归式滤波装置;乙）应用可互换的成组权重因数;和丙）得用例如所要求的二次取样比的倒数即可简易地加以编程。
本发明包括将换算/组合元件与延迟元件串联连接。装有定序器的电路将可互换的成组权重因数加到换算/组合装置，以便将输入信号和来自换算/组合装置的延迟信号以互补比例的形式组合起来。在本发明的一个实例中，延迟元件上耦合有一取样器，该取样器根据定序器输出每第N个已组合的取样。定序器有一个输入端用以加入与二次取样比有关的值，以便对换算/组合元件所处理的输出信号的频率通带进行编程。
图1是用以对多个数字信号可选择地进行多路复用的一个数字系统 的方框图，该系统装有实施本发明的去假频滤波器。
图2是装有实施本发明的滤波器、用以产生信号频带宽度可选择的视频信号的视频系统的一部分的方框图。
图3是根据本发明的可调通带去假频滤波器设备的一个实施例的方框图。
图4是根据本发明的可调通带去假频滤波器设备的另一布局方式的方框图。
图5是根据本发明的可调通带去假频滤波器设备的另一实施例的方框图。
本发明在适当选用各电路元件的基础上可应用于数字（二进制）取样数据的领域，或模拟取样数据的领域中。在数字领域中，本发明可按位串行形式或位并行形式实施。但下面将就并行位处理进行说明。因此在有关的情况下，各相互连接方式应视为并联导线总线的连接方式。在附图中，在某些信号通道中可能需要一些起补偿作用的延迟元件，供临时调节相应的信号之用，这是因为在所实施的具体电路元件中可能会产生在处理方面固有的延迟现象。熟悉数字电路设计技术的人士是会知道在什么场合下需要补偿这种延迟。
参看图1，图中示出了用以有选择地对多个信号进行多路复用的一个系统。在该系统中，可以假设各相应信号的信号频带宽度与频道“输出”所能适应的最大频带宽度相适应。因此若多路转换器4提供只来自其中一个现有信号源的数字信号，则输出信号的现有频带宽度最宽。另一方面，若多路转换器4系调节得使其以交错取样的方式对N个现有数字信号进行时分多路转换，则多路转换器按奈奎斯特取样标准的取样行动会使相应经多路转换的信号的频带宽度减少到1/N。为了防止使频率折叠或假频分量包含在相应经多路转换过的输出信号中，加到多路转换器4上的相应各输入信号其频带必须限制到至少多路转换率倒数的一 半。
图1中设有多个数字信号源2A-2N。各相应信号可表示例如四声道立体声音响系统的信号分量，包括非立体声分量、立体声（L-R）分量和所要求的另外一些分量。“输出”通道可以是传输通道。取决于要发送的是非立体声、立体声或四声道立体声信号，要将多路转换器4调节到各信号的1、2或N的时分倍数。
各信号源2A-2N的结构与元件2N类似，包括与去假频滤波器串联耦合的宽带数字信号源。各去假频滤波器响应控制器5所提供的控制信号。该控制信号表示多路转换的程度，且起调节滤波器的作用，使滤波器适当地限定相应各数字源所提供的信息的频带。来自信号源2A-2N经滤波的相应信号耦合到相应的锁存器3A-3N上，这些锁存器存储着经滤波的相应取样，历时一个多路转换周期，并将经滤波的信号加到多路转换器4的各相应的输入接头。锁存器3A-3N和多路转换器4是在控制器5的控制下工作的。后面将参照图3说明去假频滤波器的详细情况。
参看图2，图中示出了应用实施本发明的去假频滤波器的画中画（PIP）视频处理器。这种型式的PIP视频处理器可以装在例如电接收机（TV）或盒式磁带录象机（VCR）中。图2中，主视频信号和辅助视频信号分别由视频信号源10和12提供。信号源10和12可以是一般提供基带视频信号的调谐器和中频电路。主视频信号和辅助视频信号耦合到开关装置14各相应的输入端上，开关装置14则由系统的使用者借助于系统控制器30加以调节，以便将所希望的视频信号加到其输出端14A和14B上。加到输出端14A的视频信号耦合到主视频处理器16上，该处理器可以包括一般电视接收机使用的那种视频信号处理电路。来自处理器16经处理的视频信号耦合到另一开关装置26的一个输入端口上。来自开关装置26的输出信号耦合到后处理电路28上。若图2的线路是用在电视接收机中，则后处理电路28可包括一些驱动电路，供调节视频信号以便加到显象管 显示器上之用。不然的话，若图2的线路系用在盒式磁带录象机中，则后处理电路28包括一射频调制器，供提供甚高频信号之用。
加到开关装置14的输出端14B上的视频信号耦合到模-数转换器（A/D）18上，由该模-数转换器将模拟视频信号转换成表示模拟信号的二进制取样数据信号。
A/D18所提供的二进制信号耦合到实施本发明的那一种去假频滤波器20上。去假频滤波器20根据来自控制器30的控制信号并根据系统所执行的功能适当调节二进制视频信号信息内容的通带。
来自去假频滤波器20的取样信号耦合到存储元件22上，该存储元件的存储容量足以存储一帧或多帧的视频信号。二进制信号存储在存储元件22的形式由存储控制器32在系统控制器30的指示下进行控制。存储控制器32可以包含产生存储器写和读地址的线路。
来自存储元件22所存储的二进制视频信号由数-模转换器（D/A）24转换恢复成模拟形式。来自D/A24的模拟信号加到辅助信号处理器25，辅助信号处理器25可以包括亮度和对比度的控制、矩阵化等电路。来自辅助处理器25经处理的信号耦合到开关装置26的第二输入端上。
开关装置26由系统控制器30控制以便给后处理器28提供各种不同的组合输出信号。在第一工作状态下，开关装置26系调节得使其只提供来自主处理器16的信号。在该工作状态下，输出信号与普通电视接收机提供的视频信号类似。
在第二工作状态下，可以将开关装置26调节得使其对来自主处理器和辅助处理器的信号以已知的顺序进行时分多路转换，以提供与画中画视频信号相适应的信号。在第三工作状态下，可以将开关装置26调节得使其只提供来自辅助处理器25的输出信号。在该工作状态下，可根据存储控制器的工作情况产生各种各样的图象形式。举例说，可提供高清晰度静止图象、多画面图象、快速变焦拍摄的图象等。产生这些特点的电 路，也就是说存储控制器的结构和/或工作情况，是视频信号处理技术领域中所周知的，因此其详细情况在这里不再介绍了。但可以这样说，在应用将许多不同的图象组合起来供同时在重显图象的各专用部分同时显示的多画面功能时，表示不同图象的二进制视频信号在进行合成之前一定要进行二次取样。但要体现静止图象的特点时，最好对高清晰度的二进制视频信号进行取样，就是说，对整个图象进行取样，无需进行二次取样。因此在系统中是否需用可编程的去假频滤波器来控制视频信号的频带宽度就视要体现出的图象特点而定。
一般说来，现行可选用上述特点的图象设备都装有一个或多个去假频滤波器，设置在A/D转换器之前。这些系统可能设有旁路装置，供输出全频带信号时将滤波器旁路之用。在这些系统中，去假频滤波器的通带通常是固定不变的，且滤波器的至少一些性能特点通常都兼顾到。现行的装置，装设了可编程的去假频滤波器，克服了这个缺点。
在图2设备所例举的系统中，按规定是由主视频信号源10和辅助信号源12提供复合视频信号的。在这种情况下，主视频处理器16和辅助视频处理器24可以设计得使其给开关装置26提供分开的亮度信号分量和色度信号分量。此外，线路可紧接着A/D18之前或之后设置，以便将由此处理过的复合信号的亮度分量与色度分量分开。亮度和色度分量要耦合到为适应分量信号的不同带宽而配置的分立的去假频滤波器。来自各分立的去假频滤波器经滤波的输出信号可按周知的方式组合起来加到单个存储元件上或加到分立的存储元件上。
我们还考虑了其它一些布局方式，其中色度分量可以解调成其基带的色差分量。在这种情况下，由于各基带色差分量的带宽比亮度信号低得多，因而只需要对亮度分量进行去假频滤波。
上面的论述不应理解为复合视频信号不能在图2中所举的设备例子中直接加以去假频滤波。
还应该指出的是，去假频滤波器20可以包括垂直和水平滤波兼用的装置。不然的话，这些功能的一个或其它功能也可由安置在A/D18前面的固定带宽去假频滤波器去执行。
图3例示了对限止水平视频信息的频带有益的可编程取样数据去假频滤波器的一个实施例。图3的系统在频率为fS等于取样比的时钟信号FS的控制下与所加的输入取样信号同步工作。图3中，输入取样信号Y输入（可以是亮度取样信号）耦合到D型锁存器302的数据输入端300上。连续的输入取样信号在时钟信号FS的控制下存储在锁存器302中。来自锁存器302连续的输入取样信号加到差组合电路304的被减数输入端。来自差组合电路304的输出差耦合到可调换算电路306上。换算系数K从逻辑线路318加到换算电路306，逻辑线路318则以只读存储器（ROM）的形式表示。来自电路306经换算的样品信号耦合到加组合电路308的一个输入端上。组合电路308所产生的和数加到D型锁存器310的数据输入端上。该和数在时钟信号FS的控制下加入锁存器310中。相对于加到组合电路304的输入取样信号，锁存器310提供延迟一个取样周期的和数。来自锁存器310的延迟和数耦合到组合电路304和308的第二输入端。若输入取样信号以SI表示，延迟和数以SD表示则组合电路308所提供的和数S可用下式求出：
S＝KSI+（1-K）SD（1）
因此电路元件304-310形成递归式滤波器。但可以证明，在慎重选择K因数序列的情况下，该系统在各序列范围内会产生平均值，且平均值的带宽直接与序列中的取样信号数有关。举例说，假设每个序列的取样信号数为1，K因数等于1，则各输出取样信号等于输入取样信号，且该信号保留全带宽状态。其次假设每个序列的取样信号数为2，可互换K因数为1和1/2，则每个第二输出取样信号会由先前两个取样信号值的一半组成。信息带宽会因平均化过程而大致减少到原最大信号带宽的一半， 也就是说，fS/4附近的频率大致上衰减。
可以证明，若第一K因数等于1，且令各连续K因数K等于
Kn＝Kn-1/（1+Kn-1） （2）
则经因数Kn和（1-Kn）换算过的整个n个取样信号的和等于第n分之一各输入取样信号的和或n个连续取样信号的平均值。但应该指出，中间的各输出取样信号是不能用的，只一序列n的第n个输出值才能用。
表一示出了1至8序列的可能K值，这对应于1至8的带宽减因数，即fS/2至fS/16以上信号频率的大致衰减。第一行K值K（A）产生终止于任何值的序列的真正结果。
熟悉数字电路设计技术的人士都知道，用2的乘幂的倒数以外的数换算取样信号的电路是较为复杂的。表一中第二组K因数K（B）为n个取样平均值的近似值。用这些因数进行换算可以用较简单的移位和相加换算电路进行。第三组K因数K（C）也提供了整个n个取样信号平均值可接受的近似值。这些K因数个个都是2的乘幂的倒数，因此可以通过简单的二进制移位和截断进行取样信号的换算。
表一
序列＃    1    2    3    4    5    6    7    8
K值（A）    1    1/2    1/3    1/4    1/5    1/6    1/7    1/8
K值（B）    1    1/2    21/64    1/4    13/64    11/64    9/64    1/8
K值（C）    1    1/2    1/4    1/4    1/4    1/8    1/8    1/8
表二例示了一些就输入和输出取样信号进行排序的K值，因而也显示了一些二次取样比。表二中使用的个别K值系选自表一的K（C）行。
左栏中，在字母K旁边括弧中的数目字表示K在序列中的值。以O（i）表示的各行表示用因数i进行二次取样的输出取样信号。输出值O（i）与其输出取样信号有效的输入信号对齐。
表二
输入样品
信号＃    1    2    3    4    5    6    7    8    9    10    11    12    13
K（2） 1 1/2 1 1/2 1 1/2 1 1/2 1 1/2 1 1/2 1
O（2）    01    02    03    04    05    06
K（3） 1 1/2 1/4 1 1/2 1/4 1 1/2 1/4 1 1/2 1/4 1
O（3）    01    02    03    04
K（6） 1 1/2 1/4 1/4 1/4 1/8 1 1/2 1/4 1/4 1/4 1/4 1/8
O（6）    01    02
鉴于每n个取样信号序列的第n个输出取样信号是有效的，因而通过选择各有效取样信号能产生经低通滤波以防出现假频的二次取样信号。
图3中，各K因数系经ROM318加到换算电路306。ROM318是在一连串的地址单元进行编程的，其中的K因数表示系统准备加以实施的最长的序列（即最大的二次取样因数）。上升计数器314是为对时钟信号FS模数n进行计数而设的，计出的值则作为地址码耦合到ROM318上。计数器314系调节得使其借助比较器316对模数n进行计数的。比较器316是为将来自计数器314的计数值与值n-1进行比较而设的，其中n是所要求的模数。应该指出，这里采用了值n-1而不采用n，这是因为假定计数器的起始计数值为0。也可以采用其它已知模数n的计数器。
输出取样信号是从图3的设备从D型锁存器312获得的，而不是从组合电路308获得的。可供锁存器312使用的信号是来自组合电路308延迟一个取样周期的信号。组合电路308所提供的每第n个取样信号系在比较器320的控制下锁存入D型锁存器312中的，比较器320则每当计数器314开始新的计数序列时产生时钟脉冲。
二次取样比和信息带宽是通过加控制着计数器模数的单参考值同时 确定下来的。
图4中所示的电路是一个去假频滤波器二次取样系统，它是为在垂直方向上对视频信号（例如亮度信号）进行二次取样而设的。图4中，编以与图3中的元件同一编号的电路元件与图3中的对应元件类似，且履行同样的功能。但图4的设备对所加信号的每n个水平行（以输入取样比）产生视频取样的水平行。图4中，用以使取样延迟一水平行周期的延迟元件410代替了锁存器310。延迟元件410以输入取样比（fS）接收和产生取样信号。
输出取样信号Y′输出直接从组合装置308通过D型锁存器416和418的串联连接获得的。锁存器416由输入取样比时钟FS计时，以便给锁存器418提供所有计算出来的取样信号值。锁存器418是在每第n行由输入取样比时钟进行计时，以提供经去假频滤波垂直二次取样过的输出信号Y′输出。
图4中，计数器314是为对在各水平时限开始时出现的水平同步脉冲HS进行计数而设的。当各第n个水平脉冲出现时，比较器316产生其值为逻辑1的输出信号，耦合到计数器314的复位输入端和D型锁存器412的数据输入端。在下一次出现水平同步脉冲时，加到计数器的复位端上其值为逻辑1的信号促使计数器复位到零，从而使另一个计数程序开始。
来自比较器316其值为逻辑1的输出信号借助于信号H′S在其产生的行周期（即每第n个行周期）期间加入锁存器412中。信号H′S可以取例如通过使水平同步信号延迟一个取样周期或一个长得足以确保比较器316的输出信号在水平同步脉冲出现之后已改变状态的时间所产生的水平同步信号的延迟形式。
锁存器412每第n个水平行周期提供一其值为逻辑1的输出信号，并在所有的插入行周期期间提供一其值为逻辑0的输出信号。
输入取样比时钟信号FS和来自锁存器412的输出信号耦合到门电路414的各相应输入端上。门电路414由来自锁存器412的信号调节使其在每第n个水平行周期期间提供时钟信号FS。选通的时钟信号FS系加到锁存器418上，以调节锁存器418，使其提供经垂直二次取样过的信号。
应该指出，举例说，至于垂直滤波方面，若所要求的输出信号是想反映隔行的视频信号，则最好是选取不同的水平行作为准备在各间隔场中进行处理以便保留或产生隔行信号的第一水平行。这只要选取适当的水平同步脉冲HS作为准备加到模数计数器314的第一脉冲即可付诸实施。同样，在水平滤波方面，若时钟频率是色度副载波频率的偶数或奇数倍，则最好例如隔行或隔场选取不同的第一时钟脉冲，以便使经处理的输出取样信号保持垂直校正状态。
图3和4的电路可以串联起来以提供水平二次取样视频信号和垂直二次取样视频信号。在此情况下，若该信号系准备在水平和垂直方向上以1∶n的取样比进行二次取样，且图4电路的输入系端耦合到图3电路的输出端，则加到图4各电路元件的时钟信号的频率会等于加到图3各电路元件的时钟信号FS的频率除以n。按如此次序耦合各滤波器可以减少延迟元件40中所需要的延迟级的数目。不然的话，若图4的电路是耦合到图3电路前面，则电路延迟元件410一定要包含足够的级以保留整个线路的取样信号，而且两电路时钟信号FS的频率必须相等。
图5的设备是对图3和4的电路所作的简单修改方案，它的工作方式和原理与图3和4的类似。图5中，加到换算电路的换算因数系列K′相当于加到图3和4的换算电路的因数（1-K）。此外，图5的电路是用来对两个取样比各为FS/2的信号进行滤波而设的。两信号U和V在二比一多路转换器510中在时间上是交错的，而且是依次加到滤波电路的。由于反馈回路中有两个锁存器516和518，因而两信号的相应和数仍然是有差别的。两个锁存器是以两倍输入取样比（即两倍FS/2）下计时的。 相应经二次取样的信号US和VS由多路转换器512加以分离，多路转换器512选通时用以在加第n个K′因数过程中选取经处理的取样信号。

Claims (3)

1、一种用以信号滤波的可调去假频设备，它包括：
信号输入装置(302)，提供经取样的数据信号和以频率F出现的所述经取样数据信号的取样；
一个递归式滤波器，具有一个响应于所述取样数据信号的输入端和一个用以提供经滤波的信号的输出端，所述滤波器包括：换算和组合电路(304，306，308)，用以组合分别与K和(1-K)成正比的两个信号，其中K是一个换算值，以及一个延迟装置(310)，所述换算和组合电路具有一个耦合到所述滤波器输入端的第一输入端、一个K值的控制输入端和一个输出端，所述延迟装置耦合在所述换算和组合电路的输出端和所述换算和组合电路的第二输入之间，其特征在于，
提供装置(314，316，318)，用以给所述换算电路的K值控制输入端提供连续减小着的换算值的重复序列和各序列中确定所述经滤波的信号的带宽的换算值的数目。
2、根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述用以提供重复序列的装置包括：
时钟信号施加装置，用以施加表示输入取样信号的出现的时钟信号;
可编程计数装置（314），用以对所述时钟信号模数N（N为小于或等于另一整数M的整数）的脉冲进行计数，并提供表示一序列N个脉冲的连续脉冲的连续输出计数值;
逻辑装置（316，318），用以提供表示所述变量K的M预定值，各所述M预定值与M计数值的不同预定值有关，所述逻辑装置耦合到所述计数装置，且根据所述N连续输出计数值产生表示变量K的N预定值序列。
3、根据权利要求1或2中所述的设备，其特征在于，耦合到所述滤波器的控制装置（312，320），提供在各序列最后一个K值时出现的经滤波的输出取样。
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