-
-
Digitales Filter für Videosignale
-
Die Erfindung betrifft digitales Filter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
-
Eine derartige Einrichtung ist bekannt aus der Zeitschrift NTZ, Bd.
37(1984), Heft 4, S. 196. Es ist die Aufgabe, der Erfindung pine Realisierung des
dort erwähnten digitalen Filters anzugeben, die einen geringen Schaltungsaufwand
erfordert. Die Aufgabe wird wie im Patentanspruch 1 angegeben gelöst. Weiterbildungen
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
-
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen beispielsweise näher
erläutert.
-
Es zeigen: Fig. 1 den Grundaufbau einer Signalverarbeitungsvorrichtung
mit dem erfinoungsgemäßen digitalen Filter, Fig. 2 ein Beispiel der Struktur der
beiden parallelen Filterzweige des digitalen Filters, Fig. 3 eine schematische Darstellung
der Ausführung der im digitalen Filter enthaltenen Verzögerungsstufen
Dem
digitalen Filter F in Fig. 1 ist ein Multiplexer vorgeschaltet, der das digitale
Luminanzsignal Y, dessen Abtastfrequenz 13, 5MHz beträgt, und die Chrominanzsignale
U und V (R - Y und B - Y), deren Abtastfrequenz jeweils 6,75 MHz beträgt, zu einem
Zeitmultiplexsignal der Taktfrequenz von 27 MHz zusammenfasst. Die Funktion des
Multiplexers kann auch vom vorgeschalteten Decodierer übernommen werden, so daß
hierfür kein zusätzlicher Schaltaufwand erforderlich ist. Die Reihenfolge der Abtastwerte
der Komponenten im Zeitmultiplexsignal ist wie in Fig. 1 angegeben: Y, U, Y, V,
Y...
-
Das digitale Filter F ist erfindungsgemäß aufgeteilt in eine Reihenschaltung
aus einem ersten Teilfilter FO und einem zweiten Teilfilter, das ein interpolierendes
digitales Filter in Parallelform mit den beiden Filterzweigen F1 und F2 ist. Ein
interpolierendes digitales Filter in Parallelform ist an sich bekannt, beispielsweise
aus der DE-OS 32 03 852 . Dieses bekannte Filter wird aber nicht im Multiplexbetrieb
zur Filterung sämtlicher drei Komoonenten verwendet.
-
Jedem Filterzweig ist ein Demultiplexer nachgeschaltet, der an seinen
parallelen Ausgängen die gefilterten digitalen Komponenten Y, U', V' liefert.
-
Am Ausgang der Demultiplexer ist für jede der Komponenten ein Schalter
S gezeigt, der abwechslungsweise Ausgangswerte vom Filterzweig F1 und vom Filterzweig
F2 zum Ausgang des Digitalfilters F durchschaltet, genauer gesagt,
während
der einen Hälfte jeder Abtastperiode der jeweiligen Komponente den Ausgangswert
vom Filterzweig F1 und während der anderen Hälfte jeder Abtastperiode den Ausgangswert
des Filters F2, so daß für jede der Komponenten die Abtastfrequenz gegenüber der
am Eingang des Filters verdoppelt ist.
-
Jedem Schalter S ist ein Demultiplexer mit einem äußerst einfachen
RC-Tiefpaß am Ausgang nachgeschaltet, der ein AnaLogsignal für die jeweilige Komponente
liefert.
-
Wie bereits erläutert, ist für jede Komponente am Ausgang des digitalen
Filters F die Abtastfrequenz verdoppelt.
-
Das digitale Filter F bewirkt also eine sogenannte zweifache überabtastung,
ohne daß die gezeigten Teilfilter selbst eine verdoppelte Verarbeitungsfrequenz
haben. Das Filter arbeitet durchweg mit der einheitlichen Taktfrequenz von 27MHz.
-
Der Schalter S läßt sich auf einfache Weise dadurch realisieren, daß
die Ausgangswerte der beiden Filterzweige F1 und F2 mit Auslesetakten ausgelesen
werden, die in ihrer Phase um eine halbe Taktperiode egeneinander versetzt sind.
Somit wird zu der durch die im einen Filterzweiq enthaltenen Verzögerungsstufen
gegebenen t'erzöqerungszeit noch eine Verzögerungszeit hinzugefügt. die durch den
individuellen Schalter S an die Abtastperiode der jeweiligen Komponente angepaßt
ist.
-
Nachstehend werden 3 Beispiele für das digitale Filter F durch die
übertragungsfunktionen ihrer Teilfilter FO, F1 und F2 angegeben, wobei die übertragungsfunktionen
in gleicher Weise wie die zugehörigen Teilfilter selbst bezeichnet werden: Beispiel
1:
Beispiel 2: FO = 1 + -F1 = 1 + 2
Beispiel 3:
Bei dieser Darstellung in Form der z-Transformierten bedeutet z 1 eine Verzögerung,
die gleich der ausgangsseitigen
Abtastperiode der jeweiligen Komponente
ist, also für das Luminanzsignal eine Verzögerung von 1 und für 27MHz jedes der
Chrominanzsignale eine Verzögerung von 1 13,5MHz Auf welche Weise es innerhalb des
Filters erreicht ist, daß die Verzögerungsstufen Verzögerungszeiten haben, die an
die individuellen Abtastfrequenzen der verschiedenen Komponenten angepaßt sind,
wird anhand von Fig. 3 erläutert.
-
Besonders günstig hinsichtlich des Schaltungsaufwands ist das Filter
nach dem Beispiel 2. Ein schematisches Ausführungsbeispiel der beiden Filterzweige
F1 und F2 mit den Filterfunktionen nach Beispiel 2 ist in Fig. 2 gezeigt. Wie das
gesamte Filter F verarbeitet auch dieses Teilfilter die im Zeitmultiplex eintreffenden
Abtastwerte der drei Komponenten Y, U, V. Im oberen Filterzweig F1 wird jeder ankommende
Abtastwert parallel mit Koeffizienten 1 und 1/2 mulipliziert, die Produkte addiert,
und das Ergebnis in zwei hintereinander geschalteten Verzögerungsstufen D insgesamt
zwei Abtastperioden der jeweils vorliegenden Komponente verzögert. Die Bezeichnung
z 2 bei jeder der Verzögerungsstufen D bedeutet, daß jede Verzögerungsstufe eine
Verzögerung um 2 halbe Abtastperioden der jeweils am Ausgang des Filters F erscheinenden
Komponente bewirkt, d. h. jeweils eine eingangsseitige Abtastperiode, da wie bereits
erwähnt, für jede Komponente die Ausgangs-Abtastfrequenz gegenüber der Eingangs-Abtastfrequenz
verdoppelt ist. Im unteren Filterzweig F2 sind abwechslungsweise Verzögerungsstufen
D mit der gleichen Verzögerungszeit wie die im oberen Filterzweig ent--
haltenen
und Addierer hintereinander geschaltet. Der Eingangs-Abtastwert des Filters wird,
multipliziert mit einem Koeffizienten -4 , der ersten Verzögerungsstufe der Reihenschaltung
zugeführt und durchläuft diese Reihenschaltung. In den ersten beiden Addierern wird
der Eingangs-Abtastwert unverändert (Multiplikationsfaktor 1) hinzuaddiert, und
im letzten Addierer wird das Eingangssignal, mulipliziert mit einem Faktcr -t 1
- , hinzuaddiert.
-
Sämtliche gezeiaten Verzögerungsstufen D sind umschaltbare Verzögerungsstufen
der in Fig. 3 gezeigten und noch zu erläuternden Art, die eine der Abtastperiode
der jeweils vorliegenden Komponente aleiche Verzoqerunqszeit haben. Die gezeigten,
mit z - bezeichneten Verzögerungsstufen D haben also eine Verzögerungszeit, die
gleich der Abtastperiode der am Eingang erscheinenden Komponente ist, wogegen die
durch den Schalter 3. verkörperte Verzögerungsstufe nur um die Hälfte dieser Abtastperiode
verzögert.
-
Das Filter verhält sich also für jede der Komponenten wie ein eigens
dafür vorgesehenes Filter, so daß auf den vorhandenen Zeitmultiplexbetrieb bei der
Beschreibung des Filters keine Rücksicht genommen zu werden braucht. Dies wird in
den Verzögerungsstufen des Filters berücksichtigt.
-
Daß die beiden Filterzweige F1 und F2 die im Beispiel 2 angegebenen
übertragungsfunktionen haben, läßt sich wie folgt leicht einsehen: Wie bereits erwähnt,
dient der Schalter S dazu, die Ausgangswerte der beiden Zweige um die Dauer einer
ausgangsseitigen Abtastperiode gegeneinander zeitversetzt (z ) auszulesen. . Wird
zuerst der Beitrag des unteren Filterzweigs F1 und dann der Beitrag des oberen Filterzweigs
F2 ausgelesen, so bedeutet dies, daß für den oberen Zweig zusätzlich zu den gezeigten
Verzögerungsstufen D noch eine durch den Schalter S verkörperte Verzögerungsstufe
mit -1 hinzuzurechnen ist. Liegt am Eingang des digitalen Filters ein Abtastwert
Xo, so wird auf Grund des oberen Filterzweigs F1 auf die Ausgangsleitung des gesamten
Filters der Wert(1 + 1) C durchgeschaltet (Verzögerung um fünf aus-2 X05) gangsseitige
Abtastperioden). Der vom unteren Filterzweig F2 stammende Beitrag beträgt bei gleichem
Eingangs-Abtastwert: - X0-2 + x04 + Xo -6 - 4 14 -8 Durch eine Indexerhöhung um
5 zum Eliminieren einer für das Filterergebnis unbedeutenden absoluten Laufzeitverschiebung
ergibt sich diejenige Darstellung, die der im Beispiel 2 angegebenen Darstellung
in der z-Transformation entspricht.
-
Nachstehend wird nun die erfindungsgemäße Arbeitsweise der im Filter
enthaltenen Verzögerungsstufen anhand von Fig. 3 beschrieben. Fig. 3 zeigt eine
der in Fig. 2 enthaltenen
Verzögerungsstufen D. Sie besteht aus
einem ersten Verzögerungselement DFF1 und Verzögerungselementen DFF2 und DFF3, wobei
die beiden letzteren zeitlich abwechselnd mit dem ersten in Reihe geschaltet sind.
Ebenso abwechselnd sind die beiden letzteren Verzögerungselemente auch mit dem Ausgang
der Verzögerungsstufe D verbunden. Beide Schalter befinden sich synchron zueinander
in der oberen Schalterstellung 1 oder in der unteren Schalterstellung 2. Jedes der
Verzögerungselemente hat eine Verzögerungszeit, die gleich dem Zeitmultiplextakt
der am Eingang nacheinander kommenden Abtastwerte der verschiedenen Komponenten
Y, U und V, also 27MHz ist. Die beiden Schalter werden so gesteuert, daß sie in
jeder Schalterstellung für die Dauer von 2 Taktperioden 2T des Zeitmultiplex-Eingangssignals
bleiben. Die nachstehende Tabelle zeigt, welche Abtastwerte der Komponenten zu welchen
Taktzeitpunkten am Eingang und am Ausgang erscheinen und in welcher Schalterstellung
sich die Schalter zu diesen Taktzeitpunkten befinden.
| Taktzeitpunkt: |
| Schatterstellun( |
| Eingang: |
| Ausgang: |
Die Taktzeitpunkte unterscheiden sich um die Taktperiode T des
Zeitmultiplex-Eingangssignals. Befinden sich zu einem mit der Nummer 1 bezeichneten
Taktzeitpunkt die Schalter in der Stellung 2 und liegt gleichzeitig am Eingang ein
Abtastwert der Luminanzkomponente, der in der Tabelle mit Y1 bezeichnet ist, so
erscheinen am Ausgang die Abtastwerte in der in der Tabelle angegebenen Reihenfolge
zu späteren Taktzeitpunkten, wenn die Schalterstellung in der aus der Tabelle ersichtlichen
Weise wechselt.
-
Aus der Tabelle ist ersichtlich, daß die Verzögerung zwischen Eingang
und Ausgang für die Abtastwerte des Luminanzsignals Y zwei Taktperioden und für
die Abtastwerte der Chrominanzkomponente U, ebenso wie für die Abtastwerte der Chrominanzkomponen-te
V
vier Taktperioden beträgt, also für die Luminanzkomponente T3,5MHz
und für jede der Chrominanzkomponenten i Weiterhin ist aus der Tabelle ersichtlich,
daß 6,75MHz . Weiterhin ist aus zu jedem Zeitpunkt am Eingang und am Ausgang nur
solche Werte erscheinen, die zu einer einzigen Komponente gehören, wodurch sichergestellt
ist, daß bei der digitalen Filterung Abtastwerte der verschiedenen Komponenten nicht
miteinander vermischt werden. Da die Y1 vorausgegangenen Eingangs-Abtastwerte nicht
bekannt sind, sind auch die ersten Ausgangs-Abtastwerte zum Teil unbestimmt.
-
Die einzelnen Verzögerungselemente sind einfache D-Flipflops, und
die beiden Schalter stehen symbolisch für gegeneinander zeitversetzte Einlesetakte
und gegereinderzeityersetzte Auslesetakte der beiden Verzögerungselemente DFF1 und
DFF3.
-
Das vorstehend beschriebene digitale Filter in Parallelform mit den
beiden Filterzweigen F1 und F2 bietet, wie nachstehend beschriebenweine Möglichkeit,
die Ausgangsabtastwerte zu quantisieren, d. h. die Bitanzahl pro Abtastwert zu verringern,
und trotzdem dafür zu sorgen, daß das analoge Signal, in welches das Filterausgangssignal
nach der Filterung umgesetzt wird, durch den bei der Quantisierung entstehenden
Quantisierungsfehler unbeeinträchtigt bleibt . Quantisiert man beispielsweise die
Filterausgangssignale auf 7 Bits pro Abtastwert, so ist eine 7 nur 2 -stufige Digital-Analog-Umsetzung
erforderlich, und trotzdem hat das analoge Ausgangssignal dieselbe Genauigkeit,
die durch eine 28-stufige igital-Analog-Umsetzung entstehen würde.
-
Die dazu getroffene Maßnahme besteht darin, daß zusätzlich zu den
im einen Filterzweig, entweder in F1 oder in F2 durchzufJhrenden Additionen ein
Wert hinzuaddiert wird, der dem halben Quantisierungsfehler enspricht. Wenn die
Quantisierung eine Abrundung ist, so wird dieser Wert mit positivem Vorzeichen addiert,
wogegen er,falls die Quantisierung eine Auf rundung bedeutet, mit negativem Vorzeichen
addiert wird. In jedem Fall handelt es sich um einen konstanten Wert, der addiert
wird, was schaltungsmäßig äußerst einfach zu realisieren ist. Bei sämtlichen Additionen
ist das Ergebnis auf den Wert beschränkt, der durch die Bitanzahl der Addierer maximal
darstellbar ist. Da beide Filterzweige an ihrem Ausgang quantisierte Abtastwerte
liefern und diese wie oben erläutert abwechslungsweise zum Filterausgang und damit
zum Eingang eines Digital- Analog-Umsetzers durchgeschaltet werden (für jede Komponente
individuell) gleicht der Digital-Analog-Wandler mit dem nachfür
irgend
einen Aufwand zu erfordern, den bei der Filterung insgesamt entstandenen Quantisierungsfehler
aus, und es entsteht dasselbe analoge Ausgangssignal,das durch einen mit einer höheren
Genauigkeit arbeitenden Digital-Analog-Umsetzer sich ergeben würde.
-
Für diese einfache Maßnahme wird nachstehend ein Beispiel angegeben:
Angenommen,
in jedem Filterzweig würde eine Addition zweier Werte, jeweils mit 8 Bits binär
codiert, mit einer 12-Bit-Genauigkeit durchgeführt und das Ergebnis wäre z.B. gleich
284, also in binärer Darstellung 12 Bits: 0001 000111 00, und es erfolgt in jedem
Zweig eine Quantisierung der 12 Bit-Wörter auf 7 Bits durch Weglassen der niedrigstwertigen
5 Bits, so würde dadurch das 7 Bit-Binärwort 000 1 000, also der Wert 256 entstehen,
was einen Fehler vom Wert 28 bedeuten würde, und zwar in jedem der beiden Filterzweige.
Bei dieser Quantisierung kann maximal ein Quantisierungsfehler vom Wert 31 entstehen.
-
Erfindungsgemäß wird nun in einem der beiden Zweige bei irgendeiner
der dort stattfindenden Additionen ein Wert addiert, welcher der Hälfte des maximal
möglichen Quantisierungsfehlers entspricht, also im vorliegenden Beispiel der Wert
16. Dies führt dazu, daß in diesem Zweig das Ergebnis zunächst nicht 284 sondern
300 heißt, in Binärdarstellung mit 12 Bits: 000 1 001 011 00. Die Quantisierung
dieses Wortes auf 7 Bits durch Weglassen der 5 niedrigstwertigen Bits ergibt das
Binärwort 000 1 001, was den Wert 288 bedeutet. Dieser Wert 288 wird nun wie oben
erläutert zeitlich nacheinander mit dem Wert vom anderen Zweig, nämlich dem Wert
256 dem Digital-Analog-Wandler zugeführt, der mit einem nachgeschalteten RC-Tiefpaß
durch Mittelung einen Wert von 272 bildet. Dieser Wert 272 bedeutet lediglich einen
Quantisierungsfehler vom Wert 12 qegenüber dem ohne die erfinderische zusätzliche
Maßnahme in jedem Filterzwei vorhandenen Quantisierunqsfehler vom Wert 28. Die erfindungsgemäße
Addition eines dem halben maximalen Quantisierungsfehler entsprechenden Wertes ist
nur bei einer einzigen Addition in einem der beiden Filterzweige erforderlich.
-
- Leerseite -