DE3615467A1 - Schaltungsanordnung zur entzerrung - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung zur Entzerrung bei der Wiedergabe von auf Magnetband aufgezeichneten digital codierten Videosignalen nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Bei der magnetischen Speicherung digital codierter Videosignale haben wegen des breitbandigen Charakters der übertragenen Signale die wiedergabeseitigen Signalaufbereitungsmaßnahmen wesentlichen Einfluß auf die Qualität der Signalübertragung, d. h. auf die erzielbare Bitfehlerrate.

Während bei der magnetischen Speicherung von Videosignalen in analoger Technik zur Eliminierung von Gleichspannungswerten diese als frequenzmodulierte Signale mit ca. 14 MHz Bandbreite und einer unteren Grenzfrequenz von etwa 500 KHz aufgezeichnet werden, liegen bei der Verarbeitung digital codierter Videosignale die Anforderungen an die Bandbreite des Übertragungskanals bedeutend höher. So beträgt bei dem derzeitigen Aufzeichnungsstandard das Verhältnis von oberer zu unterer Grenzfrequenz ca. 300, die Signalbandbreite pro Aufzeichnungskanal 50 MHz. Daraus ergibt sich eine untere Grenzfrequenz von 166 kHz. Einschließlich etwaiger Reserven bedeutet dies die Notwendigkeit einer Signalaufbereitung über drei Frequenzdekaden hinweg.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Entzerrerstruktur anzugeben, welche die geforderte breitbandige Signalentzerrung bewirkt und gleichzeitig den Signal-Rausch-Abstand nicht nennenswert verschlechtert. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebenen Maßnahmen. Vorteilhafte Weiterbildungen der im Hauptanspruch angegebenen Schaltungsanordnung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Es ist in der Technik der Aufzeichnung breitbandiger Signale auf magnetische Aufzeichnungsträger, beispielsweise auf Magnetband, seit langem bekannt, daß sowohl die Amplitude als auch die Phase des wiedergegebenen Signals in Abhängigkeit von der Signalfrequenz schwankt. Diese Erscheinungen werden als Amplitudenfrequenzgang bzw. als Phasenfrequenzgang bezeichnet. Zum Erhalt eines Signals vom magnetischen Aufzeichnungsträger, das möglichst genau dem aufgezeichneten Signal entspricht, ist es notwendig, den Einfluß der Amplituden- und der Phasenschwankungen auszugleichen. Dies geschieht im allgemeinen in Entzerrernetzwerken, von denen eine große Anzahl bekannt sind, die, dem Wiedergabemagnetkopf nachgeschaltet, durch reziproken Frequenzgangverlauf die Signalkennlinie einebenen. Die Bedingung der besonderen Breitbandigkeit bei der Verarbeitung digital codierter Videosignale verschärft die Anforderungen für anzuwendende Entzerrerstrukturen.

Bei der Wiedergabe von Signalen von einem magnetischen Aufzeichnungsträger mittels eines flußänderungsempfindlichen Magnetkopfes erfolgt theoretisch ein Anstieg der Signalspannung mit 20 dB je Frequenzdekade. In der Praxis wird dieser grundsätzliche Verlauf der Amplitudenkennlinie beeinflußt durch die Spaltfunktion des verwendeten Magnetkopfes, den Effekt der Selbstentmagnetisierung, Kopf-Band-Justierfehler und schließlich Abstandsverluste durch unzureichenden Band-Kopf-Kontakt. Der resultierende Amplitudenfrequenzgang zeigt einen Anstieg von der unteren Grenzfrequenz mit etwa 20 dB/Frequenzdekade, danach wirken sich die verschiedenen Verlustfaktoren derart aus, daß sich der Anstieg verlangsamt und ein Maximum der Signalspannung erreicht wird. Danach fällt die Signalspannung zunächst mit etwa 20 dB und zu höheren und höchsten Frequenzen hin mit 60 dB je Frequenzdekade. Den grundsätzlichen Verlauf der resultierenden Signalspannungskurve zeigt Fig. 1.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den Verlauf des resultierenden Amplitudenfrequenzganges am Ausgang des Wiedergabevorverstärkers,

Fig. 2 das Bode-Diagramm zur Bestimmung der verbleibenden Amplitudenentzerrung,

Fig. 3 als Blockschaltbild die Schaltungsanordnung zur Signalaufbereitung,

Fig. 4 das elektrische Ersatzschaltbild des Wiedergabe- Magnetkopfes und des Wiedergabe-Vorverstärkers, den Verlauf des Amplitudenfrequenzganges und der Gruppenlaufzeit der entzerrenden Übertragungsfunktion,

Fig. 5 schematisch den Verlauf des Amplitudenfrequenzganges und der Gruppenlaufzeit der entzerrenden Übertragungsfunktion H₃₂(f), Fig. 6 schematisch eine Schaltungsanordnung zur Gruppenlaufzeitentzerrung nach dem Wiedergabevorverstärker, Fig. 7 ein anderes Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung zur Gruppenlaufzeitentzerrung, Fig. 8 die konkrete Schaltung der Anordnung nach Fig. 7.

Fig. 3 stellt das Blockschaltbild der Signalaufbereitung eines aus dem Video-Wiedergabemagnetkopf und dem Wiedergabevorverstärker bestehenden Systems 31 dar. Die notwendige Signalentzerrung erfolgt dreistufig in den Entzerrerstufen 32, 33 und 34. Dabei erfolgt in der ersten, dem Vorverstärker unmittelbar nachgeschalteten Stufe 32 die Entzerrung der Gruppenlaufzeit des Systems 31, in der nachfolgenden Stufe 33 die Amplitudenentzerrung durch Integration mit damit verbundener 90°-Phasendrehung und in der letzten Stufe 34 die abschließende Amplitudenentzerrung.

Der Vorstellung der Ankopplung des Wiedergabe- Magnetkopfes an den Wiedergabevorverstärker liegt das elektrische Ersatzschaltbild nach Fig. 4 zugrunde. Wie in der Literatur, z. B. Zeitschrift Frequenz, Jg. 38 (1984), Heft 12, S. 306 bis 312, bereits ausführlich dargestellt, läßt sich in der Ersatzschaltung der Wiedergabemagnetkopf 41 als gedämpfter Parallel-Schwingkreis, bestehend aus der in Reihe mit der Signalquelle U _S liegenden Induktivität L _H , dem ebenfalls in Reihe dazu liegenden Widerstand R _H und der parallel zu dieser Reihenschaltung aus U _S , RL _H und R _H liegenden Wicklungs- und Schaltkapazität C _H , auffassen. Der Wiedergabevorverstärker 42 ist durch seine Eingangsimpedanz mit dem Eingangswiderstand R _i und der parallel dazu liegenden Eingangskapazität C _i sowie dem Verstärkungsfaktor A _V vollständig beschrieben. Mit U _S1 ist die Signalspannung am Ausgang des Wiedergabevorverstärkers 42 bezeichnet.

Die Verstärkung des Systems 31 (Fig. 3) entsprechend Wiedergabemagnetkopf mit Wiedergabevorverstärker 41, 42, (Fig. 4) kann dann beschrieben werden mit

Dabei lassen sich die Werte von 25 bis 35 dB für die Verstärkung A _V über die gesamte benötigte Bandbreite von 50 MHz mit einer einzigen rauscharmen Transistorstufe erzielen.

In der ersten Stufe 32 der dreistufigen Wiedergabeentzerrerstruktur nach Fig. 3 läßt sich das verstärkte Signal U _S1 auf minimale Phasenfehler entzerren, wenn für deren entzerrende Übertragungsfunktion H₃₂(f) gilt:

Damit ist gewährleistet, daß alle Phasenfehler optimal entzerrt werden, die durch die Ankopplung des Wiedergabemagnetkopfes 41 mit seiner komplexen Impedanz an den Eingang des Wiedergabevorverstärkers 42 entstehen. Darüber hinaus ergibt sich durch diesen Entzerrungsschritt eine gewisse Amplitudenanhebung. In einem untersuchten Fall tritt eine Amplitudenanhebung von ca. 10 dB zwischen der unteren und der oberen Bandgrenze auf, bei einer gleichzeitigen Gruppenlaufzeitentzerrung von 11,4 ns innerhalb des interessierenden Frequenzbereiches. Fig. 5 stellt den Verlauf des Amplitudenfrequenzganges und der Gruppenlaufzeit der ersten Entzerrerstufe 32 dar.

Fig. 6 stellt schematisch eine Schaltungsanordnung zur Phasenentzerrung entsprechend Entzerrerstufe 32 (Fig. 3) dar, die nach der oben beschriebenen Analyse des zu entzerrenden Wiedergabesystems entworfen wurde. Dabei entspricht das Ersatzschaltbild des Video-Wiedergabemagnetkopfes 61 mit dem angekoppelten Wiedergabevorverstärker 62 dem der Fig. 4.

Zum Erhalt eines dem Phasenfrequenzgang der aus dem Wiedergabemagnetkopf 61 und dem angekoppelten Wiedergabevorverstärker 62 bestehenden Anordnung reziproken Frequenzganges ist der invertierende Eingang eines Differenzverstärkers 63 über eine Nachbildung der Eingangsimpedanz des Wiedergabevorverstärkers 62 an dessen Ausgang angeschlossen. Diese Eingangsimpedanz besteht entsprechend Fig. 4 aus der Parallelschaltung des Eingangswiderstandes R _i und der Eingangskapazität C _i . Weiter ist der Ausgang des Differenzverstärkers 63 auf den invertierenden Eingang rückgekoppelt. Der Rückkoppelzweig besteht aus einer Nachbildung des Eingangskreises des elektrischen Ersatzschaltbildes nach Fig. 4, im dargestellten Ausführungsbeispiel aus der Reihenschaltung des Verlustwiderstandes R _H und der Induktivität L _H des Wiedergabemagnetkopfes und einer Parallelschaltung aus dem Eingangswiderstand R _i des Wiedergabevorverstärkers mit der Summenkapazität der Schalt- und der Eingangskapazität C _H und C _i . Der nichtinvertierende Eingang des Differenzverstärkers 63 liegt auf festem Potential. Die Verstärkung A _V2 der Schaltungsanordnung zur Signalentzerrung beträgt A _V21.

Der Wert des Verlustwiderstandes R _H ändert sich frequenzabhängig. In den Fällen, in denen diese Erscheinung unerwünscht ist, kann die Schaltungsanordnung zur Signalentzerrung gemäß Fig. 7 abgewandelt werden. Darin erfolgt die Ankopplung des Differenzverstärkers 73 an den Ausgang des Wiedergabevorverstärkers in der gleichen Weise wie die des Differenzverstärkers 63 in Fig. 6, auch liegt dessen nichtinvertierender Eingang auf festem Potential wie in Fig. 6. Der Rückführungszweig vom Ausgang des Differenzverstärkers 73 zu dessen invertierendem Eingang weist eine Reihenschaltung aus zwei Parallelschaltungen auf. In einer ersten Parallelschaltung liegen in gleicher Weise wie in der Schaltungsanordnung nach Fig. 6 eine Nachbildung des Eingangswiderstandes R _i des Wiedergabevorverstärkers und die Summenkapazität C _H und C _i . In der zweiten Parallelschaltung ist der Verlustwiderstand (R _H in Fig. 6) durch einen in Serie zur Induktivität L _H des Wiedergabemagnetkopfes (nicht dargestellt) liegenden Teilwiderstand R _HS und einen parallel zu dieser Serienschaltung liegenden Teilwiderstand R _HP nachgebildet. Die Induktivität L _H wird dabei vorteilhaft durch eine verlustarme Spule realisiert.

Die Schaltungsanordnung nach Fig. 8 entspricht in ihrem elektrischen Verhalten der nach Fig. 7, jedoch trägt die Realisierung als Verstärker ohne Gegenkopplung zur Stabilität der Schaltung bei.

Der als Eingangsteil wirkende Differenzverstärker besteht aus zwei NPN-Transistoren 81, 82, deren Emitter jeweils mit einer Stromquelle +U _B verbunden sind. Die Basis des Transistors 81 ist über den Koppelkondensator 83 mit dem Schaltungseingang 84, d. h. mit dem Ausgang des (nicht dargestellten) Wiedergabevorverstärkers verbunden. Die Basen beider Transistoren 81, 82 liegen über die Basiswiderstände 85 bzw. 86 an Masse. Der Emitter des Transistors 81 liegt direkt an der Speisespannung +U _B , während der Emitter des Transistors 82 zur Verwirklichung des gewünschten Kennlinienverlaufs über eine Schaltungsanordnung aus passiven Bauelementen, die genau der Reihenschaltung aus zwei Parallelschaltungen im Rückkopplungszweig des Differenzverstärkers 73 in Fig. 7 entspricht, mit der positiven Spannungsquelle +U _B verbunden ist. Die genannte Reihenschaltung aus zwei Parallelschaltungen besteht aus einem ersten parallelen Zweig, in dem die Summenkapazität C _H +C _i sowie der Verlustwiderstandsteil R _HP enthalten ist, während der zweite Zweig die Nachbildung des Eingangswiderstandes R _i sowie der Kopfinduktivität L _H und den zweiten Teil des Verlustwiderstandes R _HS aufweist. Zwischen dem Widerstand R _i und der Induktivität L _H sowie zwischen der Summenkapazität C _H +C _i und dem Teilwiderstand R _HP sind die beiden parallelen Zweige zur Realisierung der Serienschaltung der beiden parallelen Zweige miteinander verknüpft.

Die Emitter der beiden Transistoren 81, 82 sind jeweils über Emitterwiderstände 87, 88 mit dem negativen Pol der Speisespannungsquelle, also mit -U _B , verbunden. Die Emitter der beiden Transistoren 81, 82 sind ferner durch eine Nachbildung der Eingangsimpedanz des Wiedergabevorverstärkers miteinander verknüpft. Diese Nachbildung der Eingangsimpedanz besteht aus einer Parallelschaltung des Eingangswiderstandes R _i und der Eingangskapazität C _i .

An den Ausgang der aus den beiden Transistoren 81, 82 gebildeten Differenzverstärker-Eingangsstufe ist eine Verstärkerstufe angeschlossen. Dazu ist ein weiterer NPN-Transistor 90 derart an den Kollektor des Transistors 82 angeschlossen, daß die Basis des Transistors 90 mit dem Kollektor des Transistors 82 galvanisch verbunden ist. Weiter ist der Kollektor des Transistors 90 mit der positiven Spannungsquelle +U _B galvanisch verbunden. Der Emitter des Transistors 90 liegt über den Emitterwiderstand 91 an Masse, so daß am Signalausgang 92 das Ausgangssignal von diesem Emitter abgreifbar ist.

Die so erfolgte breitbandige Signalentzerrung zur Beseitigung von Phasenverzerrungen reduziert die nachfolgenden Stufen auf eine Integration des Signals mit damit verbundener Phasendrehung um 90° und eine darauf folgende reine Entzerrung des Amplitudenfrequenzganges.

Fig. 2 stellt den resultierenden Amplitudenfrequenzgang am Meßpunkt MP bzw. die Approximation in der Darstellung dar. Der gestrichelte Kurvenverlauf stellt den inversen Frequenzgang dar, der die Übertragungsfunktion der benötigten Amplitudenentzerrung im verbleibenden Entzerrer andeutet. Die Übertragungsfunktion H _A (f) läßt sich aus Fig. 2 ermitteln.

wobei für die Amplitudenentzerrung mit 90°-Drehung H₃₃(f)

und die phasenlineare, hochfrequente Anhebung

H′₃₄(f) = (1+bf²) · (1+cf²) (3)

gilt. Bei der Übertragungsfunktion H₃₃(f) handelt es sich um den benötigten Integrator, der die Differenzierung beim Lesevorgang aufhebt; die Übertragungsfunktion H₃₄(f) besteht aus zwei nachgeschalteten kaskadierten Differenzierentzerrern mit unterschiedlichen Eckfrequenzen.

Wendet man diese Struktur auf die Entzerrung von Breitbandsignalen an, werden sehr hohe Anforderungen an die Realisierung des Integrators mit der Übertragungsfunktion H₃₃(f) gestellt:

• -der Integrator muß etwa über drei Frequenzdekaden amplituden- und phasenrichtig arbeiten,
• -der amplitudenmäßige Arbeitsbereich des Integrators muß mehr als 60 dB betragen.

Es ist offensichtlich, daß bei diesen Anforderungen an den Integrator eine Rauschoptimierung der Schaltung erfolgen muß. Ein rauscharmer Breitbandverstärker erreicht eine Leerlaufverstärkung an der unteren Bandgrenze f _u = 50 kHz von günstigstenfalls 40 dB. Damit ergibt sich bei der maximalen Signalfrequenz f _so = 50 MHz eine Amplitudenreduktion von -20 dB, wenn der Integrator über drei Frequenzdekaden arbeitet. Diese integrierende Stufe verschlechtert den bereits nach dem Vorverstärker erreichten Signal-Rauschabstand also wieder.

Aus diesen Gründen werden die benötigten Übertragungsfunktionen H₃₃(f) bzw. H₃₄(f) folgendermaßen realisiert: Es gilt

H₃₄(f) = 1+cf ² (5)

Eine Umformung für Gleichung (4) ergibt

Die Übertragungsfunktion H₃₃(f) liefert also weiterhin die benötigte 90°-Drehung für den gesamten Übertragungsbereich. Der Unterschied zur Realisierung nach (4) besteht nun darin, daß zum Integrator in Parallelschaltung ein Differenzierer angeordnet ist, dessen Einfluß bei

schon gleich groß ist wie der des Integrators und zur Bandgrenze weiter ansteigt. Damit sind die Anforderungen an den Integrator vergleichsweise einfach:

• -integrierendes Verhalten im Frequenzbereich 50 kHz-10 MHz
• -amplitudenmäßiger Arbeitsbereich etwa 46 dB.

Durch eine entsprechend sorgfältige Wahl der Bauelemente und der Schaltungskonzepte läßt sich erreichen, daß der Signal-Rauschabstand des Wiedergabesignals nicht durch den benötigten Integrator bestimmt, sondern eindeutig im Bereich des Vorverstärkers entschieden wird.

Die abschließende Amplitudenentzerrung mit Hilfe der Übertragungsfunktion H₃₄(f) kann entsprechend dem Stand der Technik realisiert werden: die Umformung von (5) liefert

Daraus ergibt sich direkt die Realisierung der gewünschten Übertragungsfunktion: zwei kaskadierte Differenzierstufen jeweils mit der Übertragungsfunktion j · c f ergeben zusammen mit der Konstanten eine Anhebung zu hohen Frequenzen.

Claims (6)

1. Schaltungsanordnung zur Entzerrung von auf Magnetband aufgezeichneten breitbandigen, insbesondere von digital codierten Videosignalen bei der Wiedergabe, gekennzeichnet durch eine Kettenschaltung folgender Entzerrerstufen

• a) einer ersten Entzerrerstufe (32) am Ausgang des Wiedergabevorverstärkers zur Gruppenlaufzeitentzerrung des Systems Wiedergabemagnetkopf- Wiedergabevorverstärker,
• b) eine folgende Stufe (33) zur Amplitudenentzerrung mit verbundener 90°-Phasendrehung,
• c) einer abschließenden Stufe (34) zum Ausgleich der hochfrequenten Verluste.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen inversen Phasengang zum Phasenfrequenzgang des aus dem Wiedergabemagnetkopf und dem Wiedergabevorverstärker bestehenden Systems (31).

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Entzerrerstufe (32), bestehend aus einem Differenzverstärker (63), dessen nichtinvertierender Eingang auf festem Potential liegt, dessen nichtinvertierender Eingang über eine Nachbildung der Eingangsimpedanz des Wiedergabevorverstärkers (42, 62) mit dessen Ausgang galvanisch verbunden ist und dessen Ausgang über eine Nachbildung der Koppelimpedanz des Systems Wiedergabemagnetkopf-Wiedergabe-Vorverstärker auf seinem invertierenden Eingang rückgekoppelt ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückkoppelzweig des Differenzverstärkers (63) eine Reihenschaltung aus den Nachbildungen des Verlustwiderstandes R _H und der Induktivität L _H des Wiedergabemagnetkopfes sowie einer Parallelschaltung aus der Nachbildung des Eingangswiderstandes R _i des Wiedergabevorverstärkers und der Summenkapazität C _H +C _i der Einzelkapazitäten des Magnetkopfes und der Eingangskapazität des Wiedergabevorverstärkers aufweist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Rückkopplungszweig des Differenzverstärkers (73) der Verlustwiderstand durch einen in Serie mit der Induktivität L _H liegenden Teil R _HS und einen parallel zu dieser Serienschaltung liegenden Teil R _HP realisiert ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchführung der notwendigen 90°- Phasendrehung unter Einsatz einer an sich bekannten Parallelschaltung von einem invertierenden Integrator und einem nichtinvertierenden Differenzierer mit anschließender Signalsummation erfolgt.