DE3412106C2

DE3412106C2 -

Info

Publication number: DE3412106C2
Application number: DE19843412106
Authority: DE
Inventors: Siegbert Dr.-Ing. 7146 Tamm De Hentschke
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1984-03-31
Filing date: 1984-03-31
Publication date: 1990-02-15
Also published as: DE3412106A1

Description

Die Erfindung betrifft ein 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, eine 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 erfindungsgemäßen 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, 5 MHz 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 F 0 und einem zweiten Teilfilter, das ein interpolierendes digitales Filter in Parallelform mit den beiden Filterzweigen F 1 und F 2 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 Komponenten 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 F 1 und vom Filterzweig F 2 zum Ausgang des Digitalfilters F durchschaltet, genauer gesagt, während der einen Hälfte jeder Abtastperiode der jeweiligen Komponente den Ausgangswert vom Filterzweig F 1 und während der anderen Hälfte jeder Abtastperiode den Ausgangswert des Filters F 2, so daß für jede der Komponenten die Abtastfrequenz gegenüber der am Eingang des Filters verdoppelt ist.

Jedem Schalter S ist ein Digital-Analog-Wandler 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 Filter 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 27 MHz.

Der Schalter S läßt sich auf einfache Weise dadurch realisieren, daß die Ausgangswerte der beiden Filterzweige F 1 und F 2 mit Auslesetakten ausgelesen werden, die in ihrer Phase um eine halbe Taktperiode gegeneinander versetzt sind. Somit wird zu der durch die im einen Filterzweig enthaltenen Verzögerungsstufen gegebenen Verzögerungszeit 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 seiner Teilfilter F 0, F 1 und F 2 angegeben, wobei die Übertragungsfunktionen in gleicher Weise wie die zugehörigen Teilfilter selbst bezeichnet werden:

Beispiel 1

Beispiel 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 und für jedes der Chrominanzsignale eine Verzögerung von .

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 F 1 und F 2 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 F 1 wird jeder ankommende Abtastwert parallel mit Koeffizienten 1 und 1/2 multipliziert, 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 F 2 sind abwechslungsweise Verzögerungsstufen D mit der gleichen Verzögerungszeit wie die im oberen Filterzweig enthaltenen und Addierer hintereinander geschaltet. Der Eingangs-Abtastwert des Filters wird, multipliziert mit einem Koeffizienten -, 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, multipliziert mit einem Faktor -, hinzuaddiert.

Sämtliche gezeigten Verzögerungsstufen D sind umschaltbare Verzögerungsstufen der in Fig. 3 gezeigten und noch zu erläuternden Art, die eine der Abtastperiode der jeweils vorliegenden Komponente gleiche Verzögerungszeit haben. Die gezeigten, mit z ^-2 bezeichneten Verzögerungsstufen D haben also eine Verzögerungszeit, die gleich der Abtastperiode der am Eingang erscheinenden Komponente ist, wogegen die durch den Schalter S 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. Der Zeitmultiplexbetrieb wird in den Verzögerungsstufen des Filters berücksichtigt.

Daß die beiden Filterzweige F 1 und F 2 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 ^-1) auszulesen. Wird zuerst der Beitrag des unteren Filterzweigs F 2 und dann der Beitrag des oberen Filterzweigs F 1 ausgelesen, so bedeutet dies, daß für den oberen Zweig zusätzlich zu den gezeigten Verzögerungsstufen D noch eine durch den Schalter S verkörperte Verzögerungsstufe mit z ^-1 hinzuzurechnen ist. Liegt am Eingang des digitalen Filters ein Abtastwert X₀, so wird auf Grund des oberen Filterzweigs F 1 auf die Ausgangsleitung des gesamten Filters der Wert (1 + ) (X _0-5) durchgeschaltet (Verzögerung um fünf ausgangsseitige Abtastperioden). Der vom unteren Filterzweig F 2 stammende Beitrag beträgt bei gleichem Eingangs-Abtastwert:

Durch eine Indexerhöhung um 5 zum Eliminieren einer für das Filterergebnis unbedeutenden absoluten Laufzeitverzögerung 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 DFF 1 und Verzögerungselement DFF 2 und DFF 3, 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 ist. Die beiden Schalter werden so gesteuert, daß sie in jeder Schalterstellung für die Dauer von 2 Taktperioden 2 T 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.

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 der 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 Chrominanzkomponente V vier Taktperioden beträgt, also für die Luminanzkomponente und für jede der Chrominanzkomponenten . Weiterhin ist aus der Tabelle ersichtlich, daß 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 zu Teil unbestimmt.

Die einzelnen Verzögerungselemente sind einfache D-Flipflops, und die beiden Schalter stehen symbolisch für gegeneinander zeitversetzte Einschreibtakte und gegeneinander zeitversetzte Auslesetakte der beiden Verzögerungselemente DFF 2 und DFF 3.

Das vorstehend beschriebene digitale Filter in Parallelform mit den beiden Filterzweigen F 1 und F 2 bietet, wie nachstehend beschrieben, eine 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 nur 2⁷-stufige Digital-Analog-Umsetzung erforderlich, und trotzdem hat das analoge Ausgangssignal dieselbe Genauigkeit, die durch eine 2⁸-stufige Digital-Analog-Umsetzung entstehen würde.

Die dazu getroffene Maßnahme besteht darin, daß zusätzliche zu den im einen Filterzweig, entweder in F 1 oder in F 2 durchzuführenden Additionen ein Wert hinzuaddiert wird, der dem halben Quantisierungsfehler entspricht. Wenn die Quantisierung eine Abrundung ist, so wird dieser Wert mit positivem Vorzeichen addiert, wogegen er, falls die Quantisierung eine Aufrundung 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 nachgeschalteten RC-Tiefpaß, ohne hierfür irgend einen Aufwand zu erfordern, den bei der Filterung insgesamt entstandenen Quantisierungsfehler aus, und es entstehe 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: 000100011100, 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 0001000, 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: 000100101100. 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 Digitalen-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 gegenüber dem ohne die erfinderische zusätzliche Maßnahme in jedem Filterzweig vorhandenen Quantisierungsfehler 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.

Claims

1. Digitales Filter für ein digitales Farbfernsehübertragungssystem mit getrennter Codierung zur Verarbeitung der digitalisierten Komponenten im Zeitmultiplex, wobei die Luminanzkomponente und die Chrominanzkomponenten unterschiedliche Abtastperioden haben, dadurch gekennzeichnet, daß das digitale Filter aus einem ersten Teilfilter (F 0) und aus einem diesem nachgeschalteten zweiten Teilfilter besteht, das ein interpolierendes Filter in Parallelform mit zwei Filterzweigen (F 1, F 2) ist, und daß die im digitalen Filter enthaltenen Verzögerungsstufen (D) umschaltbare Verzögerungszeiten haben und derart umgeschaltet werden, daß ihre Verzögerungszeit für jede der Komponenten (Y, H, V) deren Abtastperiode angepaßt ist.

2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Verzögerungsstufe (D) des digitalen Filters, deren Verzögerungszeit für jede der Komponenten gleich deren Abtastperiode ist, aus drei Verzögerungselementen besteht, deren Verzögerungszeit gleich einer Taktperiode (T) des Zeitmultiplex-Filtereingangssignals ist und daß diese Verzögerungselemente so zusammengeschaltet sind, daß zeitlich abwechselnd für jeweils zwei Taktperioden (T) eine Reihenschaltung aus einem ersten (DFF 1) und einem zweiten Verzögerungselement (DFF 2) und eine Reihenschaltung aus dem ersten (DFF 1) und einem dritten Verzögerungselement (DFF 3) zwischen Eingang und Ausgang der Verzögerungsstufe (D) geschaltet sind.

3. Digitales Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Teilfilter (F 0) die Übertragungsfunktion und die beiden Filterzweige (F 1, F 2) des zweiten Teilfilters die Übertragungsfunktionen und haben, wobei z ^-n eine Verzögerung um Abtastperioden der jeweiligen Komponente bedeutet.

4. Digitales Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 2 dadurch gekennzeichnet, daß das erste Teilfilter (F 0) die Übertragungsfunktion und die beiden Filterzweige (F 1, F 2) des zweiten Teilfilters die Übertragungsfunktionen und haben, wobei z ^-n eine Verzögerung um Abtastperioden der jeweiligen Komponente bedeutet.

5. Digitales Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Teilfilter (F 0) die Übertragungsfunktion und die beiden Filterzweige (F 1, F 2) des zweiten Teilfilters die Übertragungsfunktionen und haben, wobei z ^-n eine Verzögerung um Abtastperioden der jeweiligen Komponente bedeutet.

6. Digitales Filter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Verzögerungen um geradzahlige Vielfache einer halben Abtastperiode der jeweiligen Komponente durch mehrere Verzögerungsstufen (D) bewirkt werden, deren eingeschaltete Verzögerungszeit jeweils gleich der Abtastperiode für die jeweilige Komponente ist.

7. Digitales Filter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche Verzögerung um eine halbe Abtastperiode durch eine Verschiebung der Ausgangstakte der beiden Filterzweige (F 1, F 2) relativ zueinander bewirkt wird.

8. Digitales Filter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangswerte jedes der beiden Filterzweige (F 1, F 2) in gleicher Weise quantisiert werden und daß in einem der beiden Filterzweige zu jedem Wert vor dessen Quantisierung ein Wert hinzuaddiert wird, der dem halben Quantisierungsfehler entspricht.