DE19716314A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Addition von als Abtastwerte vorliegenden Signalen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Summenbildung von N < 1 bandbegrenzten Zeitsignalen mit je einer Bandbreite ≦ B, die als analoge und/oder digitale Abtastwerte vorliegen, wobei die jeweilige Abtastfrequenz f_A < 2B ist.

Ein solches Verfahren ist aus der DE 32 00 934 A1 bekannt.

Eine Summenbildung von Analogsignalen durch Addierer ist beispielsweise in dem Lehrbuch von Tietze und Schenk, "Halb­ leiterschaltungstechnik", 8. Auflage, 1986, Seiten 299 und 300 sowie 579 bis 581 beschrieben.

Die Aufsummierung von digitalen Signalen aus analogen Ein­ gangssignalen mit einem zwischengeschalteten Analog-Digital- Wandler (ADC) über einen digitalen Signalprozessor und einer Re-Analogisierung der verarbeiteten Signale mittels eines Digital-Analog-Wandlers (DAC) insbesondere im Bereich von Videosignalen ist beispielsweise in der EP 0 695 066 A2 be­ schrieben.

Eine lineare Addition von mehreren bandbegrenzten Zeitsigna­ len zu einem neuen Summensignal kommt unter anderem in der Audio-Technik vor, wo Audio-Signale durch Tonmischung von mehreren verschiedenen Quellen überlagert werden, oder in der Videotechnik, wo Videosignale durch Bildüberblendung von zwei verschiedenen Quellen zu einem neuen Bildsignal verei­ nigt werden. Anwendungsbereiche für die Tonmischung liegen beispielsweise beim Rundfunk, in der Schallplattenindustrie und bei der Herstellung anderer Tonträger. Außerdem wird ei­ ne Tonmischung bei Audio-Konferenzschaltungen, d. h. bei ei­ ner Summation von mehreren Tonsignalen verschiedener Quel­ len, im Bereich der Fernmeldetechnik erforderlich. Eine Bildmischung durch Überblendung mehrerer Bildsignale ist beispielsweise beim Fernsehen, bei der Herstellung von Bild­ platten und Bildaufzeichnungen auf anderen Bildträgern, Vi­ deorecordern, Camcordern und dergleichen üblich. Bei Video- Konferenzen erfolgt zwar keine Bildmischung, jedoch werden Fenster für die unterschiedlichen Teilnehmer am Konferenzsy­ stem in ein gemeinsames Bild eingeblendet.

Bei dem aus der eingangs zitierten DE 32 00 934 A1 bekannten Verfahren zum Mischen von Niederfrequenzsignalen, die in Form von digitalen Abtastproben vorliegen, werden die für ein gemeinsames Endgerät bestimmten Impulse, die im jeweili­ gen Endgerät gemeinsam hörbar gemacht werden sollen, in ei­ nem analogen Addierer aufaddiert und jeweils einmal in einem Zeitrahmen in Form eines Summenimpulses übertragen, der das Endgerät während des gesamten Zeitrahmens steuert.

Nachteilig bei den bekannten Verfahren ist die relativ lange Rechenzeit bei der Addition der einzelnen Signale in einem digitalen Rechner bzw. in einer Hardware-Schaltung von Ad­ diereinheiten. Außerdem erfolgt eine erhebliche Dämpfung der Signale und damit ein Informationsverlust bei der Umwandlung von Analog- in Digitalsignale und umgekehrt bei der Re-Ana­ logisierung der aufaddierten Signale im Falle einer digita­ len Addition.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber darin, ein Verfahren der eingangs genannten Art so zu ver­ bessern, daß die Summation mit einer erheblich geringeren Rechenzeit durchgeführt werden kann, daß gegebenenfalls eine Vielzahl von langsamen und teueren Addiergliedern eingespart werden kann und daß eine Dämpfung der Signale bei der Verar­ beitung und der damit einhergehende Informationsverlust mi­ nimiert wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe auf ebenso überraschend einfache wie wirkungsvolle Art und Weise dadurch gelöst, daß die Abtastwerte aller N Zeitsignale zeitlich zueinander ver­ setzt überlagert und gemeinsam in ein Tiefpaßfilter der Fil­ terbandbreite B' < B eingegeben werden, und daß am Ausgang des Tiefpaßfilters ein Summensignal abgegriffen wird.

Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren, bei denen die als analoge oder digitale Abtastwerte vorliegenden Signale un­ terschiedlicher Quellen für jedes Signal separat in analoge Signale umgesetzt werden, die mittels eines oder mehrerer analoger Addierer oder eines digitalen Prozessors addiert werden, werden beim erfindungsgemäßen Verfahren die Abtast­ werte unterschiedlicher Zeitsignale zeitlich versetzt zuein­ ander überlagert und mittels eines passiven Tiefpaßfilters analog umgesetzt. Die Abtastwerte von unterschiedlichen Si­ gnale, die jeweils mit einer Frequenz f_A abgetastet wurden, werden in einem Zeitmultiplexverfahren zu einem überlagerten Signal mit der Frequenz N.f_A zusammengefaßt. In der an­ schließenden Filterung mit einem Tiefpaßfilter der Filter­ bandbreite B' ≈ f_A/2 wird dann ein analoges Summensignal ge­ neriert, das zur weiteren Verarbeitung mit der Frequenz f_A abgetastet werden kann.

Damit ergibt sich einerseits eine qualitativ bessere und schnellere Addition, zum anderen läßt sich wegen der Einspa­ rung einer Addiereinheit bzw. eines entsprechenden Prozes­ sors zur digitalen Addition der Eingangssignale eine kosten­ günstigere Realisierung der Summenbildung erreichen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung ohne weiteres in einem integrierten Schaltkreis, beispielsweise in einem VLSI-Chip integriert werden kann. Andererseits läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren auch leicht in einer DSP-Software mit entsprechendem Gewinn an Rechenzeit einbau­ en. Das erfindungsgemäße Verfahren ist sowohl zur Summenbil­ dung von digitalen als auch analogen Eingangswerten geeig­ net.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform des erfindungs­ gemäßen Verfahrens, bei der die Abtastwerte der N Zeitsigna­ le zeitlich äquidistant zueinander versetzt werden. Dadurch läßt sich eine von vornherein starre, stets bekannte und gleichbleibende zeitliche Relation der Signale von unter­ schiedlichen Quellen festlegen.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß die Eingabe der zeitlich zueinander versetzten Ab­ tastwerte in das Tiefpaßfilter mit einer Taktfrequenz N.f_A erfolgt.

Bei der Eingabe analoger Abtastwerte kann bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ein analoges Tiefpaßfilter verwendet werden, an dessen Ausgang ein zeit­ lich kontinuierliches Summensignal erscheint, das eine per­ fekte Summenbildung der Teilsignale bewirkt.

Vorzugsweise wird dieses Verfahren dadurch weitergebildet, daß aus dem zeitlich kontinuierlichen Summensignal durch Ab­ tastung analoge Abtastwerte des Summensignals gewonnen wer­ den.

Alternativ dazu ist bei anderen Ausführungsformen, bei denen digitale Abtastwerte eingegeben werden, die Verwendung eines digitalen Tiefpaßfilters vorgesehen, das mit der Taktfre­ quenz n.f_A arbeitet, und an dessen Ausgang ein Summensi­ gnal mit n.f_A Abtastwerten pro Zeiteinheit, d. h. in über­ abgetasteter Form vorliegt. Damit können alle Vorteile eines Oversampling-Verfahrens ausgenutzt werden.

Eine Weiterbildung dieser Ausführungsform sieht vor, daß das überabgetastete Summensignal auf einen Digital-Analog(D/A)- Wandler gegeben wird, der mit der Taktfrequenz N.f_A arbei­ tet, und dessen Ausgangssignal über eine Nachfilterung, vor­ zugsweise mittels eines RC-Gliedes, das zeitlich kontinuier­ liche Summensignal ergibt. Anstelle einer aufwendigen Fil­ tereinrichtung kann ein ganz einfaches, kostengünstiges RC-Filterglied verwendet werden, das aufgrund des Oversamplings eine ausreichende Unterdrückung von im Frequenzraum nach ei­ ner Fouriertransformation periodisch auftretenden Spiegelsi­ gnalen sicherstellt.

Besonders vorteilhaft ist eine Weiterbildung, bei der das überabgetastete Summensignal durch periodisches Weglassen von Abtastwerten (= Dezimation) auf eine niedrigere Abtast­ frequenz i.f_A < N.f_A überführt wird, wobei vorzugsweise i = 1. Umgekehrt kann auch eine höhere Abtastfrequenz durch Abtastratenwandlung erreicht werden, indem an Zwischenstel­ len fiktive Abtastwerte "0" eingefügt werden, wobei aufgrund der Tiefpaßfilterung am Ende ein perfektes Gesamtsignal her­ auskommt.

Besonders einfach und unaufwendig läßt sich das erfindungs­ gemäße Verfahren bei analogen Eingabewerten durchführen, wenn die Summenbildung und Tiefpaßfilterung mit einem digi­ talen Signalprozessor realisiert wird.

In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch eine Vorrichtung zur Summenbildung von N < 1 bandbegrenzten Zeit­ signalen mit je einer Bandbreite ≦ B, die als analoge und/oder digitale Abtastwerte vorliegen, wobei die jeweilige Ab­ tastfrequenz f_A < 2B ist, bei der eine Zeitmultiplexeinheit vorgesehen ist, in der die Abtastwerte aller N Zeitsignale zeitlich zueinander versetzt überlagerbar sind, und bei der im Anschluß an die Zeitmultiplexeinheit ein Tiefpaßfilter der Filterbandbreite B' < B vorgesehen ist, in das die zeit­ lich versetzt überlagerten Abtastwerte gemeinsam eingegeben werden können, und an dessen Ausgang ein Summensignal abge­ griffen werden kann.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Be­ schreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale erfin­ dungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in be­ liebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaf­ ten Charakter für die Schilderung der Erfindung.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird an­ hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit angedeuteten Abtastsignalen;

Fig. 2 eine verbesserte Ausführungsform der Vorrichtung nach Fig. 1;

Fig. 3a eine schematische Darstellung der Signale von ver­ schiedenen Quellen im Zeitverlauf;

Fig. 3b eine schematische Darstellung der zeitversetzten Zusammenführung und Tiefpaßfilterung der Eingangs­ signale aus Fig. 3a;

Fig. 4 eine schematische Darstellung des Zeitverlaufs einer erfindungsgemäßen Summenbildung bei analogen Eingangswerten;

Fig. 5a eine schematische Darstellung des Zeitverlaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens bei der Summation von digitalen Eingangswerten;

Fig. 5b eine Verbesserung der Vorrichtung von Fig. 5a;

Fig. 6 einen schematischen Aufbau für eine erfindungsge­ mäße Summenbildung mit analogem Signaleingang und Möglichkeit zur Abtastratenwandlung; und

Fig. 7 einen schematischen Aufbau zur Durchführung des er­ findungsgemäßen Verfahrens mit Interpolation und/oder Dezimation.

In Fig. 1 ist ein besonders einfacher schematischer Aufbau zur erfindungsgemäßen Summenbildung von Zeitsignalen aus zwei verschiedenen Quellen dargestellt, wobei die Zeitsigna­ le jeweils als Abtastwerte mit einer Abtastfrequenz f_A ein­ gegeben werden. Dabei muß die Abtastfrequenz f_A größer oder mindestens gleich dem doppelten der Bandbreite der bandbe­ grenzten Zeitsignale sein.

Die Zeitsignale aus den beiden Quellen werden in eine Zeit­ multiplexeinheit 11 eingegeben, in der sie zeitlich zueinan­ der versetzt überlagert werden. Vorteilhafterweise sind die Abtastwerte der Zeitsignale zeitlich äquidistant, so daß im vorliegenden Beispiel aus der Zeitmultiplexeinheit 11 Ab­ tastwerte mit einer Frequenz 2.f_A herauskommen. Diese wer­ den in ein Tiefpaßfilter 12 mit einer Filterbandbreite B' < B eingegeben. Am Ausgang des Tiefpaßfilters 12 kann dann das gewünschte Summensignal abgegriffen werden.

Eine verbesserte Ausführungsform für die Verarbeitung von digitalen Eingangsdaten ist in Fig. 2 schematisch darge­ stellt. Dabei werden die als digitale Abtastwerte vorliegen­ den, im gezeigten Beispiel wiederum aus lediglich zwei Quel­ len stammenden Zeitsignale der Zeitmultiplexeinheit 21 ein­ gegeben, in der wieder ein zeitlicher Versatz, vorzugsweise äquidistant vorgenommen wird. Die zeitlich versetzt zueinan­ der überlagerten Signale werden dann einem im vorliegenden Beispiel mit einer Frequenz 2.f_A getakteten digitalen Tiefpaßfilter 22 zugeführt. Da das digitale Tiefpaßfilter 22 immer auch periodische Fortsetzungen der Signale erzeugt, die unerwünscht sind, werden die Summensignale nach Durch­ gang durch einen Digital-Analog-Konverter (DAC) 23 einem weiteren, jedoch analogen Tiefpaßfilter 24 zugeführt, wel­ ches im Frequenz raum die kleinen Frequenzanteile der erzeug­ ten Signale durchläßt und die höheren Frequenzen stark genug abdämpft, so daß die unerwünschten periodischen Signalarte­ fakte unterdrückt werden. Der DAC 23 wird im vorliegenden Beispiel ebenso wie das digitale Tiefpaßfilter 22 mit einer Frequenz 2.f_A getaktet, da lediglich Signale aus zwei ver­ schiedenen Quellen, die in der Zeitmultiplexeinheit 21 äqui­ distant zueinander versetzt wurden, verarbeitet werden müs­ sen. Das analoge Tiefpaßfilter 24 kann ein ganz einfaches, preisgünstiges RC-Glied sein oder aus mehreren solchen be­ stehen.

Die Fig. 3a und 3b illustrieren den Gang des erfindungs­ gemäßen Verfahrens schematisch: In Fig. 3a sind untereinan­ der die Zeitsignale von N Quellen dargestellt, wobei die Si­ gnale mit "S", einer nachfolgenden Ziffer für die Nummer der Quelle und einer weiteren Ziffer für die Nummer des Abtast­ wertes innerhalb des zunächst analogen Signales bezeichnet sind. Diese Signale von N verschiedenen Quellen werden der in Fig. 3b schematisch dargestellten Multiplexeinheit 31 zu­ geführt, in welcher sie zeitversetzt zueinander überlagert werden. Für die Abtastwerte aus derselben Quelle ist ein äquidistanter Zeitversatz erforderlich, während die Signale von verschiedenen Quellen nicht notwendigerweise äquidistant zeitversetzt sein müssen, falls eine Filtereinrichtung oder ein DAC eine entsprechend hohe Signalverarbeitungsgeschwin­ digkeit bewältigen kann.

Die resultierende Signalsequenz am Ausgang der Zeitmulti­ plexeinheit 31 wird einem normalen Tiefpaßfilter 32 zuge­ führt, dessen Bandbreite B' ungefähr der halben Abtastfre­ quenz f_A entspricht, damit die Signale jeder einzelnen Quel­ le aus dem Summensignal rekonstruiert werden können.

Fig. 4 zeigt schematisch die Verarbeitung von Abtastwerten aus zunächst analogen Signalen, die aus verschiedenen Quel­ len stammen und in einer, in Fig. 4 nicht mehr explizit dar­ gestellten Zeitmultiplexereinheit zeitlich zueinander ver­ setzt so überlagert sind, daß sich zwischen dem ersten Ab­ tastwert S11 aus der ersten Quelle und dem zweiten Abtast­ wert S12 aus der ersten Quelle sämtliche Abtastwerte aus al­ len anderen Quellen (S21 bis SN1) befinden. Diese Sequenz wird einem analogen Tiefpaßfilter 42 zugeführt, aus welchem ein entsprechendes kontinuierliches Summensignal in analoger Form herauskommt.

Fig. 5a zeigt denselben Vorgang bei der Eingabe digitaler Abtastwerte. Die zeitversetzten überlagerten Signale werden hier wiederum einem Tiefpaßfilter 52, bei dem es sich um ein digitales Tiefpaßfilter handelt, welches mit einer Frequenz N.f_A getaktet wird, zugeführt. Am Ausgang des digitalen Tiefpaßfilters 52 entsteht ein Summensignal mit digitalen Abtastwerten der Frequenz N.f_A, die, wie in Fig. 5b ge­ zeigt ist, einem ebenfalls mit N.f_A getakteten DAC 53 zu­ geführt werden. Am Ausgang des DAC 53 liegen dann analoge Abtastwerte mit einer Frequenz N.f_A vor, die aufgrund der oben beschriebenen Funktionsweise von digitalen Tiefpaßfil­ tern noch einer analogen Tiefpaßfilterung in einem RC-Ele­ ment 54 unterzogen werden müssen.

Teilt man den zeitlichen Fluß der digitalen Abtastwerte in gleiche Blöcke zu je n Abtastwerten ein, so genügt es in der Regel, den jeweils ersten Abtastwert eines jeden Blockes zu behalten und die jeweils übrigen (n-1) Abtastwerte zu ignorieren. Die in dieser sogenannten Dezimationsprozedur ausgewählten Abtastwerte haben eine Folgefrequenz f_A und stellen ebenfalls das gewünschte Summensignal exakt dar.

Umgekehrt kann mit Hilfe einer sogenannten Abtastratenwand­ lung auch eine Interpolation von Abtastwerten erfolgen. In Fig. 6 ist schematisch dargestellt, wie analoge Signale, die aus einer Zeitmultiplexereinheit 61 zeitlich zueinander ver­ setzt und überlagert herauskommen, einem analogen Tiefpaß­ filter 62 zugeführt werden, an dessen Ausgang eine Sample- Hold-Schaltung 65 vorgesehen ist. Dieser wiederum schließt sich eine Analog-Digital-Wandlereinheit (ADC) 63 an, nach der dann eine digitale Weiterverarbeitung der Signale mög­ lich wird. Zur Abtastratenwandlung werden dann an geeigneten Stellen, an denen jeweils keine Abtastwerte vorliegen, "Nullwerte" interpolativ eingefügt, um die Abtastfrequenz zu erhöhen.

Fig. 7 schließlich zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Zeitmultiplexeinheit 71, einer Inter­ polationsvorrichtung 76 zur Einfügung von "Nullwerten" und entsprechenden Abtastratenwandlung, einem Tiefpaßfilter 72 sowie einem Dezimator 77 zur wahlweisen Kompaktierung der Signaldaten nach dem oben beschriebenen Dezimationsverfah­ ren.

Claims (10)

1. Verfahren zur Summenbildung von N < 1 bandbegrenzten Zeitsignalen mit je einer Bandbreite ≦ B, die als ana­ loge und/oder digitale Abtastwerte vorliegen, wobei die jeweilige Abtastfrequenz f_A < 2B ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastwerte aller N Zeitsignale zeitlich zuein­ ander versetzt überlagert und gemeinsam in ein Tiefpaß­ filter (12; 22; 32; 42; 52; 62; 72) der Filterbandbrei­ te B' < B eingegeben werden, und daß am Ausgang des Tiefpaßfilters (12; 22; 32; 42; 52; 62; 72) ein Summen­ signal abgegriffen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastwerte der N Zeitsignale zeitlich äquidistant zueinander versetzt werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingabe der zeitlich zueinander versetzten Abtastwerte in das Tiefpaßfilter (12; 22; 32; 42; 52; 62; 72) mit einer Taktfrequenz N.f_A er­ folgt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß bei analogen Abtastwerten ein analoges Tiefpaßfilter (11; 32; 42; 62) verwendet wird, an dessen Ausgang ein zeitlich kontinuierliches Summen­ signal erscheint.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem zeitlich kontinuierlichen Summensignal durch Abtastung analoge Abtastwerte des Summensignals gewon­ nen werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei digitalen Abtastwerten ein digi­ tales Tiefpaßfilter (12; 22; 52; 72) verwendet wird, das mit der Taktfrequenz n.f_A arbeitet, an dessen Ausgang ein Summensignal mit n.f_A Abtastwerten pro Zeiteinheit, d. h. in überabgetasteter Form vorliegt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das überabgetastete Summensignal auf einen Digital-Ana­ log(D/A)-Wandler (23; 53) gegeben wird, der mit der Taktfrequenz N.f_A arbeitet, und dessen Ausgangssignal über eine Nachfilterung, vorzugsweise mittels eines RC-Gliedes (24; 54), das zeitlich kontinuierliche Summen­ signal ergibt.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeich­ net, daß das überabgetastete Summensignal durch peri­ odisches Weglassen von Abtastwerten (= Dezimation) auf eine niedrigere Abtastfrequenz i.f_A < N.f_A über­ führt wird, wobei vorzugsweise i = 1.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Summenbildung und Tiefpaßfilterung mit einem digitalen Signalprozessor realisiert wird.

10. Vorrichtung zur Summenbildung von N < 1 bandbegrenzten Zeitsignalen mit je einer Bandbreite ≦ B, die als ana­ loge und/oder digitale Abtastwerte vorliegen, wobei die jeweilige Abtastfrequenz f_A < 2B ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zeitmultiplexeinheit (11; 21; 31; 61; 71) vor­ gesehen ist, in der die Abtastwerte aller N Zeitsignale zeitlich zueinander versetzt überlagerbar sind, und daß im Anschluß an die Zeitmultiplexeinheit (11; 21; 31; 61; 71) ein Tiefpaßfilter (12; 22; 32; 42; 52; 62; 72) der Filterbandbreite B' < B vorgesehen ist, in das die zeitlich versetzt überlagerten Abtastwerte gemeinsam eingegeben werden können, und an dessen Ausgang ein Summensignal abgegriffen werden kann.