CN1029500C - 降低传输的视频值号的噪声的信号处理系统 - Google Patents

Abstract

视频信号处理系统采用一幅度压缩扩展器以降低传输噪声的影响。该压缩扩展器包括用于放大小信号而压缩大信号的发射机非线性幅度压缩器(12)。发射机重复某些接收机处理电路，包括接收机幅度扩展器(16)和滤波器(18，20，22)以产生一预测信号。在发射机处将视频信号幅度压缩之前，从发射机的输入视频信号中减去该预测信号，产生一被发射的误差信号，若预测好的话，该误差信号较小，因而从在发射机处的压缩器增益获得噪声降低。

Description

本发明是关于采用压缩扩展和预测信号处理的视频信号降噪系统。

在一可能的噪声信道上发送诸如电视信号那样的视频信号，通常总涉及到要考虑如何防止信道噪声降低视频信号的信噪比以及重放图象的质量。压缩扩展便是一种改善在一噪声环境中传送的视频信号的质量的方法。压缩扩展时，在发射机处压缩视频信号的幅度，从而提高其平均-峰值功率比，进而提高其抗噪声的能力。在接收机处，信号的幅度以与发射机处压缩函数相反的转换函数进行扩展，以恢复原来的视频信号幅度分布，从而获得正确的显示信号。在发射机处进行非线性压缩时，信号借助于小信号扩展和大信号压缩相结合的方法进行了修改，而在接收机处则进行了互补的工作。

在发射机处的非线性幅度压缩会产生不希望有的带外高频信号分量，例如在电视型视频信号的情况下约4.2兆赫的信号分量。这些不希望有的高频分量可以通过一发射机输出低通滤波器来除去。但是，我们认识到这种滤波器也会引入不希望的信号畴变，这种信号畸变会损害在接收机处进行幅度扩展后的接收机的视频信号的质量。这里所公开的系统是旨在补偿上述视频信号畸变的结果，同时保持良好的信噪比特性。这是通过在发射机处结合了接收机的给定部分的模型来实现的，该接收机给定部分包括了接收机的扩展功能部分（即幅度扩展器）。这样该发射机可以利用关于如在接收机处被处理的视频信号的特征的信息。在所公开的系统中，被发射的信号是一个代表发射机输入信号与在接收机处接收 的信号的一估计或预测模型之差的信号。如预测是好的话，则该信号是很小的，因而通过在发射机处的压缩扩展增益提高了抵抗噪声的能力。

图1示出根据本发明装置的发射机编码器部分的方框图;

图2示出根据本发明装置的接收机解码器部分的方框图;

图3示出包括了根据本发明的装置的宽屏幕电视信号处理系统的发射机部分的方框图;

图4是采用根据本发明装置的宽屏幕电视接收机的一部分的方框图。

在图1的发射机结构布局中，输入视频信号加至信号减法器10的一个输入端，其另一个输入端接收来自一信号预测器网络15的信号（将在下面讨论）。来自减法器10的输出差信号（DIFF）通过方框12所示的具有非线性转换函数的一幅度压缩器12进行非线性幅度压缩。压缩器12对幅度大于一给定幅度阈值的大信号进行幅度压缩，而对小幅度信号进行幅度扩展（放大）。压缩器12与在接收机处的具有互补转换函数的一幅度扩展器一起构成了一压缩扩展系统的一个部件。

压缩器12的非线性转换特性会产生不希望有的高频分量（例如谐波），该高频分量在本例中的视频信带的上限-4.2兆赫之上展开。在输出信号在一可能包括信号有害噪声的信道上传输之前，由一低通滤波器14将这些带外高频分量滤掉。但是，滤波器14可能会引入不希望有的其本身的信号畸变。这滤波器畸变以及与可能会在实践中出现的发射机处的压缩与扩展功能之间失配有关的畸变，特别是在例如图象移动的情况下，在预测器网络15的配合下被降低或消除。

预测器15是接收由图1的装置所发射的信号的接收机中的幅度扩展器和预测器网络的一个复制。现在参阅图2，接收到的已在发射机处被非线性地幅度压缩的输入信号通过幅度扩展器216以与发射机非线性转换函数相反的转换函数进行幅度扩展。扩展器216与发射机处的压缩器12一样提供一种瞬时的转换功能，并可以只读存储器检查表的形式来实施。

图2的其余结构是一无限脉冲响应（IIR）滤波器，它包括一加法器218，一象素存储延迟元件220和一信号增益为“A”的放大器222，所有这些元件如图所示那样布置。延迟元件220例如在处理电视型信息时是个帧延迟器，因为间隔一帧的电视视频信息一般是极暂时相关的。延迟器220和放大器222在放大器222的输出处产生一预测信号。在单元220处输出延迟一帧信号的情况下，放大器222的输出端的预测信号只是与来自由放大因数A定标的前一帧相同的图象象素，该放大因数A小于1（例如为0.75）。预测过程也可涉及来自多场的多象素的作用。在本例中，定标因数小于1，以防止噪声不衰减而沿着包括元件218、220和222的环路传播。因此，在输出信号中的噪声将每沿环路一次而衰减A倍。在接收机处受到额外视频信号处理的输出信号是通过将来自单元216的非线性幅度扩展信号与来自放大器222的预测信号相加而形成的。

回到图1，来自预测器15的输出端的预测信号代表由因数A定标的延迟了的接收机输出信号的估计信号。单元10从输入信号中减去预测信号，以产生一个差信号，该差信号由单元12和14进行处理以产生被发射的输出信号。

在图1的发射机装置中，该差信号是输入信号与预测信号的差。加法器18的输出是接收机输出的一个模型。可以证明在接收机输出端的信号类似于加到发射机输入端的信号。如果在发射机处的减法器10所产生的差信号是小的（表示一个好的预测），则非线性幅度压缩器12将放大该差信号，从而在传输之前有利地提高其信噪比特性。

以所公开的系统以4.2兆赫的亮度信号工作的话，以定标因数为0.75和具有压缩扩展参数（μ）为11的μ-定律压缩扩展器，可以观察到噪声降低2.7分贝。对于A为0.9和μ为40的情况可获得噪声降低为4.1分贝。

图3示出一用于兼容宽屏幕电视系统，例如用于处理5∶3的宽图象 宽高比信号的编码器的方框图，它包括由图1所示那种类型的压缩和预测网络。除了这样的网络部分外，在授于斯特罗尔（strolle）等人的美国专利4，816，899中更详细地公开了图3的系统。

在图3中，宽屏幕电视信号源310以数字形式提供宽屏幕电视彩色视频分量Y（亮度）和I、Q（色差）。信号源310示例性地包括矩阵。模-数变换器和低通滤波电路。来自源310的信号由一侧边-中央屏幕信号分离器和处理器318进行处理，以产生三组输出信号：YE、IE和QE;YO、IO和QO;以及YH、IH和QH。前二组信号（YE、IE、QE和YO、IO、QO）被理处后分别得出包含中央屏幕分量的信号和时间压缩入水平图象过扫描区的侧边屏幕低频亮度信息（亮度低）。第三组信号（YH、IH、QH）被处理后得出一包含侧边屏幕高频信息（侧边屏幕高）的信号。在中央和侧边屏幕信号分量均匀组合时，产生一个具有4∶3显示图象宽高比的NTSC兼容宽屏幕信号。信号YO、IO和QO提供没有侧边屏幕高频信息的低频侧边屏幕信息，侧边屏幕高频信息被插入左和右水平过扫描区。信号YO、IO和QO在通过侧边-中央信号组合器328（即一时间多路复用器）与信号YE、IE和QE组合之前，由在方框322中的（图1所示类型的）幅度压缩和预测网络分别进行处理。组合器328产生具有标准4∶3图象宽高比的信号YN、IN和QN。

信号处理器和NTSC编码器336对信号YN、IN和QN进行处理，以产生一个包括了中央屏幕信息和压缩入水平过扫描区的侧边屏幕低频信息的NTSC兼容复合输出信号C/SL。单元336包括亮度和色度滤波器、色度调制器和用以对亮度和色度信息编码的普通的NTSC编码电路。

侧边屏幕高频分量YH、IH和QH在由单元321进行时间扩展后由单元343进行另外的处理。在单元343中，该侧边屏幕高频分量用以场速率反相的相位调制一辅助抑制副载波。该被调制的副载波经过幅度压缩和带通滤波，产生一个侧边屏幕高频分量信号SH。该信号在组合器340中 与信号C/SL组合，产生一个宽屏幕兼容信号NTSC。信号NTSC先由数-模变换器（DAC）354变换成模拟形式，然后再加到射频调制器和发射机网络355，用以通过天线356播出。

类似地，幅度压缩和预测网络322也可以安置在斯特罗尔等人的专利中所公开的宽屏幕编码器系统的提高了图象清晰度的改型中。在授于J.S.富尔勒（Fuhrer）的题为“压缩扩展辅助信号编码信息的兼容电视系统”的美国专利4，855，824中公开了这种提高清晰度的系统。

图4示出了用于由图3的发射机编码器产生的兼容宽屏幕电视信号的宽屏幕接收机解码器的方框图。除了扩展和预测网络442部分外，在上述斯特罗尔等人的专利中更详细地公开了图4所示的系统。

发射的兼容宽屏幕信号由天线410接收，并由输入解调和信号处理单元422解调，以产生信号YN、IN和QN和侧边屏幕高频分量信号SH。单元422包括用以恢复信号SH的滤波和幅度扩度网络，和用以恢复信号YN、IN和QN的信号组合、滤波和色度解调网络。处理器454响应侧边屏幕高频分量信号SH，以产生信号YH、IH和QH。在处理器454中，辅助副载波被解调，亮度和色度侧边屏幕高频分量被分离，且亮度侧边屏幕高频分量被时间压缩以产生侧边屏幕高频信号分量YH、HI和QH。

信号YN、IN和QN通过一侧边-中央分离器（多路分离器）440被分离成低频侧边屏幕分量YO、IO和QO与中央屏幕分量YE、IE和QE。单元444将信号YE、IE和QE时间压缩，以占据规定的中央屏幕显示区。信号YO、IO和QO在由单元445进行时间压缩以占据规定的侧边屏幕显示区域之前，分别在网络442中经受幅度扩展和预测信号处理。网络442包含如图2所示那一类的用以分别处理信号YO、IO和QO的电路。

来自时间扩展器445的侧边屏幕低频分量信号和来自处理器454的侧边屏幕高频分量信号在单元446中组合，以产生侧边屏幕亮度和色度信号YS、IS和QS。重新构成的侧边屏幕信号YS、IS和QS通过接合器460 被接合入来自时间压缩器444的中央屏幕信号YC、IC和QC，以形成包含分量Y、I和Q的完全重新构成的宽屏幕信号。

宽屏幕信号Y、I和Q由数-模变换器（DAC）462变换成模拟形式后，再加到视频信号处理器和矩阵放大器464。单元464的视频信号处理器部分包括一般性的信号放大电路、直流电平位移电路、峰值电路、亮度控制电路、对比度控制电路和其他视频信号处理电路。矩阵放大器464将亮度信号Y与色差信号I和Q组合，以产生代表彩色图象的视频信号R、G和B。这些彩色信号由单元464中的显示驱动器放大器放大至适合于直接驱动宽屏幕彩色图象显示装置470（例如一宽屏幕显象管）的电平。

如上指出，图3的编码器电路编码时间压缩形式的低频侧边屏幕信息。举例说，从直流到700千赫的亮度信息大约以6∶1的比率进行时间压缩，这样该侧边屏幕低频信息占据一4.2兆赫的带宽。如上述，接收机（图4）进行对应的时间扩展，在发射机处的非线性幅度压缩处理，（如在本例中）在时间压缩处理产生呈现有在所需要的频带（例4.2兆赫）的上限处或附近的诸频率的信号时，特别可能产生不希望有的带外频率。

由于时间压缩和扩展。侧边屏幕低频分量在噪声信道情况下比相同频带的中央屏幕信息包含多得多的噪声能量。这一情况表现为在所显示的中央屏幕图象和侧边屏幕图象之间有害的噪声差别。尤其是，侧边屏幕图象表现出水平“条纹的”低频噪声，这与中央屏幕图象中的较宽的带宽噪声有明显差别，并更加有害。因此，侧边屏幕信息可以明显看出与中央屏幕信息不同，特别是对具有信噪比低于约35分贝的传输信道来说更是如此。因此，图1和图2的装置可有利地用于提高时间压缩的侧边屏幕低频信息的信噪比特性。所公开的装置作为变换也可用于图3的发射机系统中，安置在单元318和时间压缩器320之间，在这种情况下，图1装置的输出信号通道将为以6∶1比率压缩的亮度低频分量被低通滤 波至700千赫。

所公开的信号压缩扩展和预测装置也能用于处理来自图3中单元321的时间扩展侧边屏幕高频信号YH、IH和QH。在这方面要注意，以所示的图3的系统来说，侧边屏幕高频信息由于由扩展器321进行时间扩展而获得了信噪比的改善。但是，这改善由于幅度衰减而受到损害，这幅度衰减是由单元343给予侧边屏幕高频分量调制辅助副载波，使该调制辅助副载波在宽屏幕电视信号被具有标准4∶3的图象宽高比的标准电视接收机接收时不易看到。所公开的噪声降低装置也能用来根据一特定系统的要求而提高侧边屏幕高频分量信息的抗噪声性。

Claims (8)

1、一种用以降低被传输的视频信号上的噪声作用的视频信号处理系统，该系统包括：

用于根据一给定的转换函数压缩大幅度视频信号和扩展小信号的幅度压缩扩展器装置(12)；

用以产生一个作为前一视频信号样本大小的函数的预测信号的预测装置(15)；

用以向所述幅度压缩扩展器的输入端提供一个差信号的装置(10)，该差信号指示输入视频信号和所述预测信号之间的幅度差；其特征在于：

所述预测装置(15)响应于来自所述压缩扩展器装置(12)的输出信号，和

所述预测装置(15)包括幅度扩展器装置(16)，该幅度扩展器装置的转换函数基本上是所述给定转换函数的反函数。

2、根据权利要求1所述的视频系统，用于处理宽屏电视型信号，该信号包含主屏幕图象分量和侧边屏幕图象分量，并具有比标准电视图象的图象宽高比大的图象宽高比，所述系统包括用于时间压缩规定的侧边屏幕信息的装置，其特征在于：

所述的幅度压缩扩展器装置根据一给定的转换函数压缩所述侧边屏幕分量的幅度;

所述预测装置响应来自所述压缩扩展器装置的输出信号，以产生一预测信号作为前一个侧边屏幕分量样本大小的函数;和

所述差信号提供装置向所述幅度压缩扩展器的输入端提供一个差信号，指示输入侧边屏幕分量和所述预测信号之间大小的差别。

3、根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于所述的幅度压缩扩展器具有非线性转换函数。

4、根据权利要求3所述的系统，其特征在于还包括：

用于将来自所述幅度压缩扩展器的输出信号滤波的装置;且

所述预测装置响应来自所述幅度压缩扩展器的并已由所述滤波装置滤波后的输出信号。

5、根据权利要求4所述的系统，其特征在于所述的滤波装置是一个低通滤波器。

6、根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于所述的预测装置包括：

对应于所述幅度扩展器的输入端的一输入结点，耦合至所述差信号提供装置的一输出结点;

具有用于接收来自所述幅度压缩扩展器装置的信号的第一输入端、一第二输入端和一输出端的组合装置;和

用于将一个为来自所述组合装置的所述输出端的信号的已衰减的时间延迟模型，提供至所述输出结点和所述组合装置的所述第二输入端的变换装置。

7、根据权利要求6所述的系统，其特征在于所述的变换装置包括用于将信号延迟一个时间间隔的装置，视频信号信息基本上在该时间间隔上相关。

8、根据权利要求6所述的系统，其特征在于所述的延迟装置具有一个图象帧延迟时间间隔。

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