DE19608892A1 - Schaltungsanordnung zur Analog-Digital-Wandlung eines Eingangssignals - Google Patents
Schaltungsanordnung zur Analog-Digital-Wandlung eines EingangssignalsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Analog-
Digital-Wandlung eines analogen Eingangssignals, insbesondere
eines Videosignals.
Zur digitalen Signalverarbeitung in Videosignalverarbeitungs
geräten, insbesondere Fernsehempfängern, ist eine Analog-
Digital-Wandlung von Videosignalen erforderlich. Speziell bei
der Bild-im-Bildeinblendung eines einzublendenden Kleinbildes
in ein Hauptbild, erfolgt die Aufbereitung des einzublenden
den Bildes weitgehend digital. Für gute Wiedergabequalität
ist ein entsprechend aufwendiger Analog-Digital-Wandler,
durch den das Videosignal für das Kleinbild digital gewandelt
wird, erforderlich. Um beispielsweise zur Farbdecodierung den
Farbträger möglichst exakt rekonstruieren zu können, ist ein
Wandler mit ausreichend hoher zeitlicher Auflösung und folg
lich entsprechend hoher Abtastwerterate notwendig. Um eine
möglichst gute Bildschärfe zu erreichen, ist eine ausreichend
hohe Werteauflösung des Wandlers und somit ein möglichst ge
ringes Quantisierungsrauschen notwendig. Die hohe Verarbei
tungsgeschwindigkeit und Auflösung des Video-Analog-Digital-Wandlers
erfordert einen hohen schaltungstechnischen Aufwand
und entsprechend großen Flächenbedarf bei integrierter Reali
sierung. Die wegen den Geschwindigkeitsanforderungen zur Vi
deosignalverarbeitung üblicherweise verwendeten Flash-Analog-
Digital-Wandler erfordern für jedes zusätzliche Bit an Auflö
sung in etwa den doppelten Schaltungsaufwand, beispielsweise
in der Bereitstellung von Referenzelementen und Komparatoren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsan
ordnung zur Analog-Digital-Wandlung eines analogen Eingangs
signals, insbesondere eines Videosignals anzugeben, bei der
der Schaltungsaufwand bei hoher Wiedergabequalität für das
gewandelte Signal möglichst gering ist. Insbesondere soll der
Aufwand für die Realisierung des Analog-Digital-Wandlers ver
ringert werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Schaltungsan
ordnung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß durch ein
geeignetes Hilfssignal, das den Nutzsignalanteil des Videosi
gnals nicht merkbar stört, das Quantisierungsrauschspektrum
in geeigneter Weise geformt wird. Zweckmäßigerweise wird die
se Formung derart ausgenutzt, daß die Quantisierungsrau
schleistung zu denjenigen Frequenzen hin konzentriert wird,
die außerhalb des Durchlaßbereichs von nachgeschalteten Tief
paßfiltern liegt. Vorteilhaft ist die Anwendung bei der
Bild-im-Bildeinblendung, da nach der Analog-Digital-Wandlung und
der Farbdecodierung ohnehin Tiefpaßfilter vorgesehen sind, um
eine Bandbegrenzung der Videosignalanteile zum Zwecke einer
möglichst störungsarmen Dezimierung des einzublendenden Bil
des durchzuführen.
Für die Leistungsdichteverteilung des Quantisierungsrauschens
trifft zu, daß dann, wenn sich das zu wandelnde Signal lang
sam ändert, das heißt im wesentlichen niederfrequente
Signalanteile enthält, viele benachbarte Abtastwerte, das
heißt Bildpunkte eines Videobildes, zum gleichen Abtastwert
quantisiert werden. Folglich ist auch das Quantisierungsfeh
lersignal niederfrequent. Das Leistungsdichtespektrum des
Quantisierungsrauschens weist dann wesentliche Anteile bei
niedrigen Frequenzen auf. In der Fernsehsignalverarbeitung
mit grober Quantisierung tritt dieser Fall häufig auf. Durch
die nachfolgende Tiefpaßfilterung werden aber gerade die nie
derfrequenten Rauschanteile an die nachfolgenden Funktions
einheiten weitergeleitet. Das Signal-Zu-Rausch-Verhältnis des
weiterverarbeitenden Videosignals würde sich ohne weitere
Maßnahmen verschlechtern bzw. bei der Analog-Digital-Wandlung
müßte ein entsprechend hoher Aufwand getrieben werden, um die
Wiedergabequalität zu erhöhen. Durch die Erfindung wird in
vorteilhafter Weise erreicht, daß das Quantisierungsrauschen
im wesentlichen bei hohen Frequenzanteilen erzeugt wird und
diese Frequenzanteile durch dem Analog-Digital-Wandler nach
geschalteten Tiefpaßfiltern abgetrennt werden. Zur Weiterver
arbeitung steht dann ein mehr als herkömmlich rauschbefreites
digitales Signal zu Verfügung.
Insbesondere bei Videosignalen mit niederfrequenten Bildin
halten hat sich in der praktischen Realisierung ein deutlich
sichtbarer Qualitätsgewinn gezeigt. Niederfrequente Bildan
teile enthalten beispielsweise Strukturen mit weichen Hellig
keits- oder Farbübergängen. Ohne Verwendung des Hilfssignals
ergibt sich durch die Quantisierung des Analog-Digital-Wandlers
ein treppenförmig abgestufter Übergang zwischen den
Strukturen. Durch die erfindungsgemäße Verwendung des
Hilfssignals wird auch im digitalen Bereich wieder ein all
mählicher, weicher Übergang bei Helligkeit und Farbe erzeugt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der in der Zeichnung
dargestellten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung,
Fig. 2 (a) und (b) je ein Beispiel für ein Videosignal und
dessen Quantisierungsfehlerspektrum,
Fig. 3 (a) und (b) verschiedene Hilfssignale,
Fig. 4 (a) und (b) Quantisierungsfehlerspektren des Videosi
gnals mit additiv überlagerten Hilfssignalen gemäß
Fig. 3 (a) bzw. (b) und
Fig. 5 ein Diagramm des über die Frequenz integrierten
Spektrums des Quantisierungsfehlersignals abhängig
von den verschiedenen Hilfssignalen.
Der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 wird am Anschluß 1 ein
analoges Videosignal FBAS zugeführt. Dieses Videosignal ent
hält Luminanz- und Chrominanzsignalanteile. Nach Analog-
Digital-Wandlung in einem Analog-Digital-Wandler 2 wird das
digitalgewandelte Videosignal FBAS′ in den Helligkeitssig
nalanteil Y sowie die Farbsignalanteile I, Q aufgetrennt. Zur
Gewinnung des Luminanzsignalanteils ist ein Tiefpaßfilter 3
vorgesehen, die Chrominanzsignalanteile I, Q werden durch
Multiplikation des Signals FBAS′ mit orthogonalen Farbträgern
fsc, fsc′ und anschließende Tiefpaßfilterung in Tiefpaßfil
tern 4, 5 gewonnen. Die gefilterten Videosignalkomponenten Y,
I, Q werden in einem Bildspeicher 6 zwischengespeichert. Die
aus dem Bildspeicher 6 ausgangsseitig an Anschlüssen 7, 8, 9
ausgelesenen Videosignalanteile dienen zur Einblendung dieses
einzublendenden Bildes in ein Hauptbild. Die Bildgröße des
einzublendenden Bildes wird hierzu dezimiert. Dies erfolgt
durch eine entsprechende Bandbegrenzung der Signalanteile Y,
I, Q, die zusammen mit den unten beschriebenen Aufgaben eben
falls in den Tiefpaßfiltern 3, 4, 5 realisiert wird, und ent
sprechende Verringerung der Abtastwerterate, beispielsweise
durch ausgangsseitige Unterabtastung an den Tiefpaßfiltern
3 . . . 5. Vorausgesetzt, daß die Farbsignalanteile I, Q bezüg
lich des Helligkeitsignalanteils Y eine vierfach niedrigere
Datenrate aufweisen und daß eine horizontale Bildverkleine
rung um den Faktor 1/3 vorliegt, muß die Abtastwerterate für
den Signalanteil Y um 1/3, für die Signalanteile I, Q jeweils
um 1/12 reduziert werden. Um durch die Unterabtastung keine
Bildstörungen im einzublendenden Bild zu erzeugen, wird durch
die Tiefpaßfilter eine Bandbegrenzung auf 1/3 der ursprüngli
chen Bandbreite durchgeführt, das heißt für das Tiefpaßfilter
3 eine Bandbegrenzung auf 1/6fT, für die Tiefpaßfilter 4, 5
jeweils eine Bandbegrenzung auf 1/24fT, wobei fT die Ab
tastfrequenz ist. Die Tiefpaßfilter 3, 4, 5 wirken dabei als
horizontale Tiefpaßfilter. Darüber hinaus können diesen wei
tere, vertikal wirkende Tiefpaßfilter nachgeschaltet sein.
Erfindungsgemäß ist vor dem A/D-Wandler 2 ein Addierer 10
vorgesehen, durch den das Videosignal FBAS mit einem
Hilfssignal additiv verknüpft wird. Das Hilfssignal wird dem
Addierer 10 analog zugeführt, die Erzeugung des Hilfssignals
erfolgt zweckmäßigerweise aber digital in einer Einrichtung
11, die ausgangsseitig über einen Digital-Analog-Wandler 12
mit dem Addierglied 10 verbunden ist.
Das Signal FBAS weist beispielsweise den in Fig. 2(a) idea
lisiert gezeigten Zeitverlauf auf. Es handelt sich um ein
tieffrequentes Sinussignal, dem ein höherfrequenter Sinus-Anteil
überlagert ist. Bei der Digitalisierung dieses Testsi
gnals ergibt sich ohne Überlagerung eines Hilfssignals ein
Spektrum für das Quantisierungsfehlersignal wie in Fig. 2(b)
gezeigt. Die Abszisse der in Fig. 2(b) und Fig. 4(a) und
(b) und Fig. 5 dargestellten Spektren ist auf die Abtastfre
quenz normiert. Das Quantisierungsfehlersignal ist signalab
hängig und konzentriert sich auf niedrige Frequenzbereiche.
Es hat sich allgemein gezeigt, daß der herkömmliche Quanti
sierungsfehler bei niederfrequenten Signalanteilen signalab
hängig ist und sich um niedrige Frequenzen konzentriert. Nach
Überlagerung des in Fig. 3(a) gezeigten Hilfssignals ergibt
sich das in Fig. 4(a) gezeigte Quantisierungsfehlerspektrum.
Zwar liegt immer noch ein Teil der Quantisierungsfehlerlei
stung bei niedrigen Frequenzen, der überwiegende Teil des
Quantisierungsfehlers wird nun aber bei der halben Abtastfre
quenz erzeugt. Der letztgenannte Anteil wird aber - wie oben
ausgeführt - durch die Tiefpaßfilter 3, 4, 5 abgetrennt. Die
Signale Y, I, Q enthalten deshalb durch die Überlagerung des
Videosignals FBAS mit dem Hilfssignal weniger Rauschleistung
als ohne Hilfssignal. Bei vergleichbarem Signal-zu-Rauschverhältnis
für die Signale Y, I, Q kann dann der Ana
log-Digital-Wandler 2 mit weniger Aufwand dimensioniert wer
den. Für einen Signal-zu-Rausch-Abstand von 40 dB sind durch
die Verwendung des Hilfssignals anstelle von 6,4 Bit Auflö
sung für den Analog-Digital-Wandler 2 nur noch 5 Bit Auflö
sung bei der vorne angegebenen Dimensionierung notwendig. Der
Schaltungsaufwand zur Realisierung des Analog-Digital-Wandlers
2 ist deshalb mehr als halbiert.
Durch Verwendung des in Fig. 3(b) gezeigten Hilfssignals
wird für das in Fig. 2(a) gezeigte Testsignal die in Fig.
4(b) dargestellte spektrale Verteilung des Quantisierungsfeh
lersignals erhalten. Bei niedrigen Frequenzen weist das Quan
tisierungsfehlersignal kaum noch Anteile auf. Bereits der er
ste auftretende Spitzenwert, der etwa bei 0,2 fT liegt, wird
durch die Tiefpaßfilter 3, 4, 5 ausgefiltert. Das Signal-zu-Rausch
verhältnis der Signale Y, I, Q verbessert sich erheb
lich.
Die in Fig. 5 gezeigten Integrale der Quantisierungsrau
schleistung über die Frequenz geben an, wieviel Rauschlei
stung von den Tiefpaßfiltern 3, 4, 5 in Abhängigkeit von der
Bandbreite durchgelassen wird. Die Kurve 30 stellt den Fall
ohne Hilfssignal dar. Unter Verwendung des Hilfssignals nach
Fig. 3 (a) ergibt sich die Kurve 31. Das Quantisierungsrau
schen ist hier bereits zu hohen Frequenzen hin verschoben.
Die Kurve 32, die sich für das Hilfssignal gemäß Fig. 3 (b)
ergibt, zeigt, daß Rauschleistung erst bei hohen Frequenzen
vorliegt. Diese Frequenzen werden jedoch durch die Tiefpaß
filter 3, 4, 5 gesperrt. Es ist demnach zweckmäßig, die Tief
paßfilter 3, 4, 5 derart zu dimensionieren, daß sie bei 0,2
fT sicher sperren, an der die Kurve 32 einen ersten steilen
Anstieg aufweist.
Für die Hilfssignale kommen eine Vielzahl von geeigneten Si
gnalen in Frage. Zweckmäßig ist die digitale Erzeugung in der
Einrichtung 11 und die anschließende Digital-Analog-Wandlung
zur analogen, additiven Überlagerung auf das analoge Signal
FBAS. Von der Vielzahl der möglichen Hilfssignalvarianten
sind die in Fig. 3 dargestellten Signale nur zum Zweck eines
Beispiels angegeben, wobei das in Fig. 3(b) gezeigte Signal
sich als überaus geeignet erwiesen hat. Durch geeignete Ver
suche können ohne weiteres weitere, ähnlich gut wirkende Si
gnale ermittelt werden. Folgende Bedingungen sind dabei ein
zuhalten.
Das Hilfssignal ist ein periodisches Signal, das im wesentli
chen nur Frequenzanteile enthält, die im Sperrbereich der
Tiefpaßfilter 3, 4, 5 liegen. Das Signal der Fig. 3(a) ist
ein digitales sinusförmiges Signal mit der Hälfte der Ab
tastfrequenz des Analog-Digital-Wandlers 2. Es weist demnach
nur einen Frequenzanteil bei 0,5 fT auf. Das Signal gemäß
Fig. 3(b) weist Frequenzanteile bei 0,2 fT und 0,4 fT auf.
Praktisch bedeutet dies, daß die Periode des Hilfssignals ge
genüber der Filterlänge der Tiefpaßfilter bei digitaler Rea
lisierung klein ist. Diese horizontal innerhalb einer Bild
zeile erforderliche Eigenschaft des Hilfssignals gilt zweck
mäßigerweise auch für das Hilfssignal bezüglich vertikaler
Betrachtungsrichtung. Vorzugsweise ist die Amplitude des
Hilfssignals kleiner als eine halbe Quantisierungsstufe des
Analog-Digital-Wandlers 2. Das Hilfssignal ist mittelwertfrei
oder zumindest im wesentlichen mittelwertfrei, um Frequenzan
teile bei niedrigen Frequenzen oder einen Gleichsignalanteil
zu vermeiden. In diesem Sinne ist das Signal in Fig. 3(b)
ein sägezahnförmiges Signal mit kurzer Periode, einer Ampli
tude von -0,4 bis +0,4 einer Quantisierungsstufe und fünf
verschiedenen Abtastwerten. Zweckmäßigerweise sind die Ab
tastwerte innerhalb einer Periode gleichmäßig verteilt. Dies
bedeutet, daß die Summe über alle Abtastwerte innerhalb einer
Periode Null ergibt.
Die Wirkung des Hilfssignals kann folgendermaßen erklärt wer
den. Das Hilfssignal wird additiv dem Videosignal FBAS über
lagert und wirkt aufgrund der Quantisierungswirkung des Ana
log-Digital-Wandlers 2, die nichtlinear ist, wie eine Modula
tion für das Quantisierungsrauschsignal. Dies bedeutet, daß
das Quantisierungsrauschen sich bei den Frequenzanteilen des
Hilfssignals konzentriert.
Claims (7)
1. Schaltungsanordnung zur Analog-Digital-Wandlung eines ana
logen Eingangssignals, enthaltend:
- - einen Anschluß (1) für das Eingangssignal (FBAS),
- - einen Analog-Digital-Wandler (2), dem eingangsseitig ein durch additive Verknüpfung (10) des analogen Eingangs signals (FBAS) und eines Hilfssignals erzeugtes Signal zu führbar ist und an dem ausgangsseitig ein digitales, einen Nutzsignalanteil und einen Quantisierungsrauschanteil ent haltendes Ausgangssignal (FBAS′) abgreifbar ist,
- - mindestens ein Tiefpaßfilter (3, 4, 5) mit einem Durchlaß bereich und einem Sperrbereich, dem eingangsseitig das di gitale Ausgangssignal des Analog-Digital-Wandlers (2) zu führbar ist,
- - Mittel zur Bereitstellung (11, 12) des Hilfssignals derart, daß der Quantisierungsrauschanteil im wesentlichen im Sperrbereich des Tiefpaßfilters liegend erzeugt wird.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Hilfssignal durch die Mittel zu dessen Bereitstellung
(11, 12) als ein periodisches Signal erzeugt wird, das im we
sentlichen nur Frequenzanteile enthält, die im Sperrbereich
des Tiefpaßfilters (3, 4, 5) liegen.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Amplitude des Hilfssignals kleiner als eine Quantisie
rungsstufe des Analog-Digital-Wandlers (2) ist und daß das
Hilfssignal im wesentlichen mittelwertfrei ist.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Hilfssignal als digitales Hilfssignal erzeugt wird und
über einem weiteren Digital-Analog-Wandler (12) dem Eingangs
signal (FBAS) additiv (10) überlagert wird und daß das digi
tale Hilfssignal Abtastwerte aufweist, die innerhalb einer
Periode des Hilfssignals gleichverteilt sind.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
das digitale Hilfssignal ein sinusförmiges Signal mit der
Hälfte der Abtastfrequenz des Analog-Digital-Wandlers (2)
ist.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
das digitale Hilfssignal ein sägezahnförmiges Signal ist.
7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Eingangssignal (FBAS) ein Videosignal ist, daß das Tief
paßfilter ein horizontales Tiefpaßfilter (3, 4, 5) und ein
vertikales Tiefpaßfilter umfaßt mit je einem Durchlaß- und
einem Sperrbereich und daß das Hilfssignal derart erzeugt
wird, daß es im wesentlichen nur Frequenzanteile enthält, die
im Sperrbereich der jeweiligen Tiefpaßfilter (3, 4, 5) lie
gen.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1996108892 DE19608892C2 (de) | 1996-03-07 | 1996-03-07 | Schaltungsanordnung zur Analog-Digital-Wandlung eines Eingangssignals |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE1996108892 DE19608892C2 (de) | 1996-03-07 | 1996-03-07 | Schaltungsanordnung zur Analog-Digital-Wandlung eines Eingangssignals |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19608892A1 true DE19608892A1 (de) | 1997-09-18 |
DE19608892C2 DE19608892C2 (de) | 2003-06-18 |
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ID=7787548
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE1996108892 Expired - Fee Related DE19608892C2 (de) | 1996-03-07 | 1996-03-07 | Schaltungsanordnung zur Analog-Digital-Wandlung eines Eingangssignals |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19608892C2 (de) |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE4138936A1 (de) * | 1991-11-27 | 1993-06-03 | Sel Alcatel Ag | Verfahren und schaltungsanordnung zum vermindern der wirkung des quantisierungsrauschens |
-
1996
- 1996-03-07 DE DE1996108892 patent/DE19608892C2/de not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE4138936A1 (de) * | 1991-11-27 | 1993-06-03 | Sel Alcatel Ag | Verfahren und schaltungsanordnung zum vermindern der wirkung des quantisierungsrauschens |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE19608892C2 (de) | 2003-06-18 |
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Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: MICRONAS MUNICH GMBH, 81541 MUENCHEN, DE |
|
8304 | Grant after examination procedure | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: MICRONAS GMBH, 79108 FREIBURG, DE |
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R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
Effective date: 20111001 |