DE4022387C2

DE4022387C2 -

Info

Publication number: DE4022387C2
Application number: DE19904022387
Authority: DE
Inventors: Ajay K. Beaverton Oreg. Us Luthra; Ganesh Portland Oreg. Us Rajan
Original assignee: Tektronix Inc
Current assignee: Tektronix Inc
Priority date: 1989-07-14
Filing date: 1990-07-13
Publication date: 1992-11-19
Also published as: GB9015252D0; GB2236452A; JPH0372711A; DE4022387A1; JPH07120924B2; GB2236452B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Umwandlung von mit einer ersten Abtastrate abgetasteten Eingangsdaten in mit einer zweiten Abtastrate abgetastete Ausgangsdaten, wobei das Verhältnis beider Abtastraten nahe eins ist.

Bis zum heutigen Tag wurden und werden viele verschiedene Normen in der Video- und Audiowelt kreiert. Mit dem vermehrten Einsatz von Digitaltechnik in der Fernseh- und Videotechnik sowie dem Aufkommen des hochauflösenden Fernsehens sind in letzter Zeit viele neue Normen entstanden und viele neue werden vorgeschlagen. Eine der Spezifikationen bei all diesen Normen ist die Abtastrate, wobei unterschiedliche Normen unterschiedliche Abtastraten spezifizieren. In ihrer eindimensionalen Form gibt die Abtastrate den Abstand zwischen beieinanderliegenden Abtastwerten an, während sie in ihrer zwei- und dreidimensionalen Form für Fernsehvideo den Abstand zwischen Horizontallinien bzw. der Vollbildfrequenz angibt. Daher besteht ein steigender Bedarf nach Abtastratenwandlern zur Ermöglichung einer Kommunikation zwischen Systemen mit unterschiedlichen Normen.

Gemäß eines aus "IEEE TRANSACTIONS ON ACOUSTICS, SPEECH AND SIGNAL PROCESSING", Vol. ASSP-32, No. 3, June 1984 bekannten Verfahrens bzw. einer Vorrichtung müssen zur Umwandlung der Abtastrate die Signalwerte an den Stellen zwischen den Abtastwerten mit der ersten Abtastrate ausgewertet werden. Zu diesem Zweck wird ein Kern zur Interpolierung zwischen den Abtastwerten verwendet. Im Idealfall ist dieser Kern eine Sinusfunktion, oder sin(x)/x-Funktion. Da die Sinusfunktion jedoch eine unendlich lange Funktion ist, werden anstatt ihrer verschiedene unterschiedliche, zeitlich begrenzte Funktionen verwendet. Der Kern muß lang genug sein, so daß N Eingangsabtastwerte zur Errechnung eines Ausgangsabtastwertes erforderlich sind. Daher gibt es N abgetastete Werte des Kerns, die zu den Koeffizienten werden, mit denen die Eingangsdatenwerte multipliziert werden. Wenn das Verhältnis oder die Abstände zwischen den Stellen der Eingangs- und Ausgangsabtastwerten für verschiedene Ausgangsabtastwerte variieren, wie es bei unterschiedlichen Eingangs- und Ausgangsabtastraten der Fall ist, dann wird ein unterschiedlicher Satz von N Koeffizienten, die abgetasteten Werte des Kerns, für jeden abgetasteten Ausgangswert benötigt. Die Anzahl derartiger erforderlicher Sätze ist eine Funktion der Eingangs- und Ausgangsabtastraten. Liegt das Verhältnis der Eingangs- und Ausgangsabtastraten nahe bei eins, wird ein sehr großer Satz von Koeffizienten benötigt.

Bei der Videotechnik beispielsweise ist eine Abtastrate viermal die Farbhilfträgerfrequenz, oder 14,318180 · 10⁶ Abtast werte/s für NTSC (National Television System Committee) und 17,734475 · 10⁶ Abtastwerte/s für PAL, eine weitere Rate ist die CCIR 601-Norm von 13,5 · 10⁶ Abtastwerten/s, und noch eine weitere Rate ist eine PAL "zeilengesperrte Abtastrate" von 17,734375 · 10⁶ Abtastwerten/s. Nimmt man die beiden PAL- Abtastraten, ist der Unterschied nur 100 Hz entsprechend einem Verhältnis von ungefähr 1,000005639 : 1. In diesem besonderen Fall gibt es 709 379 klare Ausgangsabtastwertstellen, und daher 709 379×N Abtastwerte des Faltungskerns. Für N=10 bedeutet dies eine Errechnung von mehr als 7×10⁶ Koeffizientenwerte. Bei Videosignalraten lassen sich diese Werte nicht leicht sofort errechnen. Eine alternative Vorerrechnung und Speicherung dieser Koeffizientenwerte führt zu einem hohen Speicherbedarf. Da ein jeder unterschiedliche Ausgangsabtastwert einen unterschiedlichen Satz Koeffizienten erfordert, muß die Speicherzugangsrate bei der Videoausgangsrate von 17,734475 MHz liegen, d. h. der Speicher kann nicht langsam und daher kostengünstig sein.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Umwandlung von Eingangsdaten in Ausgangsdaten mit unterschiedlichen Abtastraten zur Verfügung zu stellen, die die Verwendung langsamerer und somit kostengünstigerer Speicher zur Vorspeicherung notwendiger Filterkoeffizienten ermöglichen.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch folgende Verfahrensschritte gelöst:

- Dividieren eines jeden Abtastintervalls für die Eingangsdaten in eine unendliche Anzahl von Intervallen (Bins), wobei die Anzahl der Intervalle abhängig ist von einer geforderten Bit-Genauigkeit für eine Funktion zur Interpolierung zwischen den Ab tastwerten und von der Abtastrate;
- Errechnen eines Satzes von Filterkoeffizienten für jedes Intervall und
- Anlegen eines Satzes von Filterkoeffizienten für jedes Intervall an Eingangsdaten zur Erzeugung von Ausgangsdaten mit der zweiten Abtastrate, wobei immer derselbe Satz von Filterkoeffizienten verwendet wird, solange die Stellen der Abtastwerte innerhalb des diesem Satz zugeordneten Intervalls bleiben, und ein anderer Satz von Filterkoeffizienten verwendet wird, wenn die Stellen der Abtastwerte innerhalb des diesem anderen Satz von Filterkoeffizienten zugeordneten Intervalls liegen.

Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens umfaßt erfin dungsgemäß

- eine Einrichtung zur vorübergehenden Speicherung der Eingangsdaten, die mit einer ersten Abtastrate eingegeben und mit einer zweiten Abtastrate wieder ausgegeben werden;
- eine Einrichtung zur Errechnung einer Vielzahl von Sätzen von Filterkoeffizienten entsprechend einer Vielzahl von Intervallen, in die das Abtastintervall in Abhängigkeit von einer geforderten Bit-Genauigkeit für eine Funktion zur Interpolierung zwischen den Abtastwerten und von der Abtastrate aufgeteilt ist; und
- eine Einrichtung zur Anlegung der Sätze von Filterkoeffizienten für jedes Intervall an Eingangsdaten zur Erzeugung von Ausgangsdaten mit der zweiten Abtastrate, wobei immer derselbe Satz von Filterkoeffizienten anliegt, solange die Stellen der Abtastwerte innerhalb des diesem Satz zugeordneten Intervalls liegen, und ein anderer Satz von Filterkoeffizienten anliegt, wenn die Stellen der Abtastwerte innerhalb des diesem anderen Satz von Filterkoeffizienten zugeordneten Intervalls liegen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Verringerung der Koeffizientenanzahl für einen Filter in einem Abtastratenwandler mit geringem Verhältnis durch Division des Abtastintervalles der Eingangsabtastrate in eine endliche Zahl von "Bins" (=Teilintervalle der Abtastrate) und Vorerrechnung der Koeffizienten für die "Bins" zur Erzeugung der Ausgangsabtastrate zur Verfügung gestellt. Ein Filter mit endlichem Eingangsansprechen (Finite Input Response Filter, FIR-Filter) empfängt an seinem Eingang an der Ausgangsabtastrate eine Vielzahl von Abtastwerten, die mit der Eingangsabtastrate erhalten wurden. Ein Koeffizientenspeicher enthält die Koeffizienten für jedes "Bin". Wenn die Ausgangsabtastwerte zu dem nächsten "Bin" weitergehen, greift eine Koeffizienten-Steuereinheit auf den Koeffizientenspeicher zu, um einen neuen Satz Koeffizienten für den FIR-Filter auszugeben. Da es mehrfache Abtastwerte pro "Bin" gibt, wenn das Verhältnis sehr nahe bei eins liegt, läßt sich ein langsamer, kostengünstiger Speicher als Koeffizientenspeicher verwenden. Auch bei sofortigem ("On-the-fly") Betrieb lassen sich die Koeffizienten bei einer erheblich unter den Videoraten liegenden Rate errechnen, wodurch der Bedarf nach einem Koeffizientenspeicher völlig entfällt.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Zeichnung.

Es zeigt

Fig. 1 ein Diagramm, das die Datenratenumwandlung zwischen zwei Abtastraten darstellt;

Fig. 2 ein Diagramm, das die Datenratenumwandlung zwischen zwei Abtastraten unter Verwendung von "Bins" gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines variablen Koeffizienten-FIR-Filters zur Durchführung von Datenratenumwandlung gemäß der vorliegenden Erfindung.

Zur Verringerung der Koeffizientenzahl wird das Problem durch die Tatsache vereinfacht, daß die in den Ausgangssignal abtastwerten erwünschte Genauigkeit von einer Größenordnung von b Bits ist. Für eine Sinusfunktion der Frequenz f Hz ist der Spitzenfehler e in der Amplitudenmessung aufgrund einer Ungenauigkeit von +/-dt im Abtastmoment t gegeben durch

e = 2A sin(cfdt) = 2Acfdt (1)

worin A die Amplitude der Sinusfunktion darstellt. Eine Genauigkeit von zumindest b Bits legt nahe, daß der maximale Fehler e gleich A × 2^-b sein kann. Durch eine Substitution für e in Gleichung (1) und Umstellung der Terme ergibt sich

dt = 1/(2cf2^b) (2)

Mit anderen Worten, ist das Flackern (Time Jitter) gleich einem Amplitudenfehler von weniger als einem Quantisierungs bereich, der b Bits verwendet.

Aus Gleichung (2) für eine Sinusfunktion von 5 MHz zum Erhalt einer Genauigkeit von zumindest acht Bit sollte das Flackern (Time Jitter) nicht +/-124,34 Picosekunden überschreiten. Gleichfalls ist für eine Sinusfunktion von 5,5 MHz eine erwünschte Ausgangsgenauigkeit von zumindest 10 Bit gleich einem Flackern (Time Jitter) von weniger als +/-28,26 Picosekunden in den Abtastzeitpunkten.

Wie in der Fig. 1 zu sehen ist, werden die Eingangsdaten abtastwerte mit einer ersten Abtastrate mit den Koeffizienten multipliziert, die durch Punkte auf den entsprechenden darübergelegten Kernen dargestellt sind, wobei diese Kerne auf den entsprechenden Ausgangsdatenabtastwerten mit einer zweiten Abtastrate zentriert sind. Daher hat ein jeder Ausgangsdatenabtastwert einen unterschiedlichen Satz an Koeffizienten. Wie jedoch in der Fig. 2 dargestellt, läßt sich die Dauer einer Eingangsabtastperiode T in T/(2dt) Intervalle, oder "Bins", aufspalten. Die gesamten Ausgangsabtastwerte entsprechend Abtastmomenten innerhalb eines "Bin" werden durch den Abtastwert entsprechend dem Mittelpunkt dieses Intervalles angenähert. Solange die Stellen der Ausgangsabtastwerte innerhalb demselben "Bin" bleiben, wird derselbe Satz von Koeffizienten verwendet.

Zum Erhalt einer Zehnbit-Genauigkeit für eine Sinusfunktion von 5,5 MHz, abgetastet mit einer Rate von 17,734375 MHz, wird die Abtastperiode zu 2000 Bins dividiert. Jedes Bin ist gekennzeichnet durch einen Koeffizientensatz, so daß lediglich 2000 × N Werte benötigt werden. Für N = 10 bedeutet dies eine Speicherung von nur 20 000 Koeffizienten, im Vergleich zu mehr ale 7 × 10⁶, wie sie für die exakte Auswertung der Ausgangsabtastwerte benötigt werden. Wenn jeder Koeffizient zwei Byte Speicherplatz braucht, verringert sich der gesamte Speicherbedarf von mehr als 14 MBytes auf nur 40 kBytes, wodurch über zwei Größenordnungen an Verringerung in der Speicherung erreicht werden. Auch die Koeffizienten müssen einmal für jede 177 oder 178 Ausgangsabtastwerte gewechselt werden. Daher kann der Koeffizientenspeicher ein langsamer Speicher sein, was die Kosten weiter verringert. Alternativ, da die Koeffizienten einmal für jede 177 oder 178 Ausgangsabtastwerte errechnet werden müssen, können sie jetzt sofort errechnet werden, wodurch der Speicherbedarf völlig entfällt.

Eine Vorrichtung zur Umwandlung von Daten zwischen zwei Abtastraten ist in der Fig. 3 dargestellt. Ein Eingangs datensignal, wie beispielsweise ein mit 17,734375 MHz abgetastetes Videosignal, wird einem FIFO-Pufferregister 10 eingegeben. Das Eingangsdatensignal wird mit einer ersten Taktfrequenz CLK1 taktmäßig in das FIFO-Register 10 gegeben, und mit einer zweiten Taktfrequenz CLK2 entsprechend der Ausgangsabtastrate, wie beispielsweise 17,734475 MHz, taktmäßig ausgegeben. Ein Taktgenerator 12 wandelt die Eingangsabtastrate CLK1 in die Ausgangsabtastrate CLK2 um.

Eine FIFO-Steuereinheit 14 steuert den Datenein- und ausgang aus dem FIFO-Register 10. Für vorerrechnete Koeffizienten speichert ein Koeffizientenspeicher 16 die nötigen Koeffizientensätze. Die aus dem Koeffizientenspeicher 16 verwendeten Koeffizienten werden durch eine Koeffizienten- Steuereinheit 18 bestimmt. Die Koeffizienten aus dem Koeffizientenspeicher 16 und die Daten von dem FIFO-Register 10 werden über entsprechende Busse für ihre Eingabe in einen FIR-Filter 20 ausgegeben. Die Daten werden durch geeignete von Verzögerungsleitungen 22 erstellte Verzögerungsintervalle verzögert und dann mit den geeigneten Koeffizienten in den Multiplizierschaltungen 24 multipliziert. Abtastwerte werden dann in den Summierverstärkern 26 verbunden und die Ausgänge von den ganzen Summierverstärkern werden in einer Additionsschaltung 28 miteinander verbunden, um die erwünschten Ausgangsdatenabtastwerte mit der Ausgangs abtastrate zur Verfügung zu stellen.

Alternativ lassen sich die Koeffizientensteuereinheit 18 und der Koeffizientenspeicher 16 durch einen Mikroprozessor 30 ersetzen, der die Koeffizienten sofort nach Bedarf für jede 177 oder 178 Abtastwerte für das oben beschriebene Beispiel errechnet. Dann wird die Steuereinheit 18 zu einem Rechner und der Speicher 16 wird das Programm und die Arbeitsspeicher für den Rechner.

Auf diese Weise verringert die vorliegende Erfindung die Anzahl der für einen Abtastratenwandler benötigten Koeffizienten durch Division einer jeden Eingangsabtastperiode in eine endliche Anzahl von Bins, Errechnung von Koeffizientensätzen für jedes Bin und Anlegen der Koeffizienten an einen FIR-Filter zur Erzeugung der Ausgangsdaten mit der Ausgangsabtastrate, wobei die Koeffizienten nur verändert werden, wenn die Ausgangsdaten in einen neuen Bin fallen.

Claims

1. Verfahren zur Umwandlung von mit einer ersten Abtastrate abgetasteten Eingangsdaten in mit einer zweiten Abtastrate abgetastete Ausgangsdaten, wobei das Verhältnis beider Abtastraten nahe eins ist, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

- Dividieren eines jeden Abtastintervalls für die Eingangsdaten in eine endliche Anzahl von Intervallen (Bins), wobei die Anzahl der Intervalle abhängig ist von einer geforderten Bit-Genauigkeit für eine Funktion zur Interpolierung zwischen den Abtastwerten und von der Abtastrate;
- Errechnen eines Satzes von Filterkoeffizienten für jedes Intervall; und
- Anlegen eines Satzes von Filterkoeffizienten für jedes Intervall an Eingangsdaten zur Erzeugung von Ausgangsdaten mit der zweiten Abtastrate, wobei immer derselbe Satz von Filterkoeffizienten verwendet wird, solange die Stellen der Abtastwerte innerhalb des diesem Satz zugeordneten Intervalls bleiben, und ein anderer Satz von Filterkoeffizienten verwendet wird, wenn die Stellen der Abtastwerte innerhalb des diesem anderen Satz von Filterkoeffizienten zugeordneten Intervalls liegen.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch

- eine Einrichtung (10) zur vorübergehenden Speicherung der Eingangsdaten, die mit einer ersten Abtastrate eingegeben und mit einer zweiten Abtastrate wieder ausgegeben werden;
- eine Einrichtung (16, 18) zur Errechnung einer Vielzahl von Sätzen von Filterkoeffizienten entsprechend einer Vielzahl von Intervallen, in die das Abtastintervall in Abhängigkeit von einer geforderten Bit- Genauigkeit für eine Funktion zur Interpolierung zwischen den Abtastwerten und von der Abtastrate aufgeteilt ist; und
- eine Einrichtung (20) zur Anlegung der Sätze von Filterkoeffizienten für jedes Intervall an Eingangsdaten zur Erzeugung von Ausgangsdaten mit der zweiten Abtastrate, wobei immer derselbe Satz von Filterkoeffizienten anliegt, solange die Stellen der Abtastwerte innerhalb des diesem Satz zugeordneten Intervalls liegen, und ein anderer Satz von Filterkoeffizienten anliegt, wenn die Stellen der Abtastwerte innerhalb des diesem anderen Satz von Filterkoeffizienten zugeordneten Intervalls liegen.