DE19608892C2 - Schaltungsanordnung zur Analog-Digital-Wandlung eines Eingangssignals - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Analog- Digital-Wandlung eines analogen Videosignals nach dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1.

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.

In der DE 41 38 936 A1 ist eine Schaltungsanordnung zur Ana­ log-Digital-Wandlung eines Videosignals beschrieben. Durch additive Überlagerung des Videosignals mit einem Hilfssignal wird verhindert, daß das Fehlersignal deterministische Antei­ le, etwa eine bestimmte bevorzugte Frequenz, enthält. Die Amplitude des Hilfssignals soll sich zur maximalen Amplitude des Analogsignals etwa wie 1 : 4 verhalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine andere Schal­ tungsanordnung zur Analog-Digital-Wandlung eines analogen Vi­ deosignals 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 f_sc' f_sc' 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 1/6f_T, für die Tiefpaßfilter 4, 5 jeweils eine Bandbegrenzung auf 1/24f_T, wobei f_T 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 f_T liegt, wird durch die Tiefpaßfilter 3, 4, 5 ausgefiltert. Das Signal-zu- Rauschverhältnis 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 f_T 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 f_T auf. Das Signal gemäß Fig. 3(b) weist Frequenzanteile bei 0,2 f_T und 0,4 f_T 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 Videosignals, enthaltend einen Anschluß (1) für das Vi­ deosignal (FBAS) und einen Analog-Digital-Wandler (2), dem eingangsseitig ein durch additive Verknüpfung (10) des analo­ gen Videosignals (FBAS) und eines Hilfssignals erzeugtes Si­ gnal zuführbar ist und an dem ausgangsseitig ein digitales, einen Nutzsignalanteil und einen Quantisierungsrauschanteil enthaltendes Ausgangssignal (FBAS') abgreifbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Tiefpaßfilter (3, 4, 5) mit einem Durchlaßbe­ reich und einem Sperrbereich vorgesehen ist, dem eingangssei­ tig das digitale Ausgangssignal des Analog-Digital-Wandlers (2) zuführbar ist, daß Mittel zur Bereitstellung (11, 12) des Hilfssignals vorgesehen sind derart, daß der Quantisierungs­ rauschanteil im wesentlichen im Sperrbereich des Tiefpaßfil­ ters liegend erzeugt wird, und daß die Amplitude des Hilfs­ signals kleiner als eine Quantisierungsstufe des Analog- Digital-Wandlers (2) ist.

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 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 Videosi­ gnal (FBAS) additiv (10) überlagert wird und daß das digitale 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 Tiefpaßfilter ein horizontales Tiefpaßfilter (3, 4, 5) und ein vertikales Tiefpaßfilter umfaßt mit je einem Durchlaß- und einem Sperrbereich und daß das Hilfssignal der­ art erzeugt wird, daß es im wesentlichen nur Frequenzanteile enthält, die im Sperrbereich der jeweiligen Tiefpaßfilter (3, 4, 5) liegen.