DE4119632C2 - Schaltung zur Kompensation des Frequenzgangabfalles eines Signals - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Schaltung zur Kompensation des Frequenzgangabfalls eines über A/D- und D/A-Wandler geführten Signals gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bekanntlich werden seit einiger Zeit Bild- oder Videosignale zunehmend digital verarbeitet. Aus diesem Grunde werden die von einem Bildsignalgeber erzeugten Signale mittels eines A/D-Wandlers digitalisiert, danach digital verarbeitet und/oder gespeichert und anschließend über einen D/A-Wandler wieder in ein analoges Signal rückgewandelt. Bei der Digitalisierung sowie bei der Analogisierung entstehen jedoch Signalstörungen, wie Alias-Komponenten durch Verletzung des Nyquist-Theorems, Interferenzen durch Seitenbänder bei Vielfachen der Wandlerfrequenz usw. Zur Unterdrückung dieser Störungen werden vor dem A/D-Wandler sowie nach dem D/A-Wandler Tiefpaßfilter vorgesehen. Die Vorfilter haben im wesentlichen die Aufgabe, Alias-Komponenten zu entfernen, während die Nachfilter Interferenzen unterdrücken sollen. Beide Filter könnten im Idealfalle völlig gleich aufgebaut sein. Praktisch erzeugt aber die einem Abtast- und Haltevorgang entsprechende, am D/A-Wandler entstehende Pulsamplitudenmodulation eine die Dämpfungsverzerrung darstellende Hüllkurve gemäß der mathematischen Funktion sin(x)/x (im weiteren - nach Küpfmüller - si(x) genannt, s. dazu z. B. Hölzler, Holzwarth "Pulstechnik", Band 1, insbesondere Seite 270).

Zur Entzerrung gemäß der mathematischen Funktion 1/si(x) ist es bereits bekannt (s. V. Emmerson "Mit Filtern elektronische Daten verbessern" in der Zeitschrift Elektronik Industrie, Ausgabe April 1989), hinter dem D/A-Wandler eine Schaltung zur 1/si(x)-Entzerrung vorzusehen. Diese Schaltung kann entweder separat neben oder integriert im Nachfilter eingesetzt werden.

Diese 1/si(x)-Entzerrerschaltung liefert optimale Ergebnisse bei festen Taktfrequenzen für den A/D- und D/A-Wandler. Wird jedoch der D/A-Wandler mit einer variablen Taktfrequenz betrieben, dann entstehen durch Frequenzverschiebungen im Ausgangssignal wiederum Verzerrungen, da sich sowohl das Signalspektrum als auch der Frequenzgangabfall gemäß der si(x)-Funktion proportional zur Taktfrequenz des D/A-Wandlers verschiebt. So wird beispielsweise bei einer gegenüber der Taktfrequenz des A/D-Wandlers höheren Taktfrequenz des D/A-Wandlers der Frequenzbereich des D/A-Wandlerausgangssignals gedehnt, und bei einer nachfolgenden 1/si(x)-Entzerrung würde eine Anhebung der höheren Frequenzen erfolgen. Umgekehrt werden die Signalfrequenzen des D/A-Wandlers verkleinert, wenn die Taktfrequenz des D/A-Wandlers gegenüber derjenigen des A/D-Wandlers verringert wird. Eine nachfolgende 1/si(x)-Entzerrung würde in diesem Falle einen lediglich etwas flacheren Abfall der höheren Frequenzen, aber ebenfalls keinen geraden Frequenzgang bewirken.

Weiterhin beschreibt das Dokument DE 39 30 085 C2 einen am Ausgang des D/A- Wandlers zugeschalteten Tiefpassfilter, der zur Behebung der durch den D/A-Wandler verursachten Störungen dient. Der Frequenzgang des Tiefpassfilters wird durch die sin(x)/x -Funktion beschrieben, ebenso wird die Frequenz des Abtastsignals in die Dimensionierung des Tiefpassfilters einbezogen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung der eingangs genannten Art vorzuschlagen, welche für alle Taktfrequenzen des D/A-Wandlers ein korrekt entzerrtes Ausgangssignal gewährleistet. Diese Aufgabe wird durch das im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebene Merkmal gelöst.

Die erfindungsgemäße Schaltung mit dem kennzeichnenden Merkmal des Patentanspruchs 1 hat den Vorteil, daß ohne Mehraufwand eine optimale 1/si(x)-Entzerrung für praktisch sämtliche Taktfrequenzen des D/A-Wandlers erreicht wird.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Patentanspruch 1 angegebenen Schaltung möglich. Besonders vorteilhaft ist, daß die erfindungsgemäße Schaltung im Korrektursignalzweig einer Schaltung zur multiplikativen Störsignalkompensation eines von einem Halbleiter-Sensor erzeugten Videosignals einsetzbar ist. Damit können unverzerrte Signale auch bei der elektronischen Expansion bzw. Kompression des Ausgangssignals eines CCD-Bildwandlers, wie sie z. B. für ein Vergrößern oder Verkleinern des Bildausschnitts Verwendung findet, durch Veränderung der Auslesegeschwindigkeit des CCD-Bildwandlers mittels Variation der Taktfrequenz am CCD-Schieberegister sowie am D/A-Wandler erzeugt werden.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild der Erfindung,

Fig. 2 einige der im Blockschaltbild gemäß Fig. 1 vorkommenden Frequenzverläufe,

Fig. 3 ein Blockschaltbild für die multiplikative Störsignalkompensation gemäß einer Weiterbildung der Erfindung.

Die in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Schaltung besteht aus einer 1/si(x)-Entzerrerschaltung 1 zur Entzerrung bzw. Kompensation der D/A-Wandler-Hüllkurve gemäß der mathematischen Funktion sin(x)/x - entsprechend si(x) -, einem A/D-Wandler 2, einem Speicher 3 (bzw. Videoprozessor), einem D/A-Wandler 4 sowie einem Tiefpaß 5. Die Funktion dieser Schaltung wird nun in Verbindung mit den Frequenzverläufen der Fig. 2 näher beschrieben, wobei die Frequenzverläufe a bis d gemäß Fig. 2 an den in Fig. 1 entsprechend gekennzeichneten Stellen a bis d entstehen.

Bei Zuführung eines breitbandigen Signals, beispielsweise Videosignals, mit einem Frequenzverlauf gemäß a über Eingangsklemme 6 an die Entzerrerstufe 1 kann am Ausgang der Stufe 1 ein mit 1/si(x) vorverzerrtes Signal mit einem Frequenzverlauf gemäß b abgenommen werden. In der Entzerrerstufe 1 wird das Eingangssignal mit der einstellbaren Funktion 1/si(x) so vorverzerrt, daß die durch den D/A-Wandler 4 entstehende si(x)-Verzerrung bei gegebener Taktfrequenz f_c1 vollständig kompensiert wird. In den Speicher 3 werden dann also bereits vorentzerrte Signalwerte mit der Taktfrequenz f_c1 eingeschrieben. Damit kann der D/A-Wandler 4 mit einer variablen Taktfrequenz f_cv betrieben werden, ohne daß an dessen Ausgang ein im Frequenzgang verzerrtes Signal auftritt. Die Frequenzverläufe gemäß c zeigen die drei Möglichkeiten der Taktfrequenz f_cv des D/A-Wandlers gegenüber der Taktfrequenz f_c1 des A/D-Wandlers, nämlich bei Gleichheit beider Taktfrequenzen, bei höherer und bei niedrigerer Taktfrequenz des D/A-Wandlers gegenüber der des A/D-Wandlers. Wie man hieraus leicht erkennt, bleiben die Amplitudenwerte auch bei den verschiedenen Taktfrequenzen f_cv des D/A-Wandlers durch die 1/si(x)-Vorverzerrung der digitalen Signale stets gleich, es verschieben sich nur die Signalwerte in der Frequenz. D. h., bei gegenüber der Taktfrequenz höherer Taktfrequenz f_cv des D/A-Wandlers 4 wird die Übertragungskurve gedehnt und die Signalwerte verschieben sich nach höheren Frequenzen, dagegen wird bei gegenüber der Taktfrequenz f_c1 niedrigerer Taktfrequenz f_cv des D/A-Wandlers 4 die Übertragungskurve komprimiert, und die Signalwerte verschieben sich nach niedrigeren Frequenzen. Gleiches gilt für das über den Tiefpaß 5 geführte und an der Ausgangsklemme 7 abnehmbare Signal mit den Frequenzverläufen gemäß d.

Durch die D/A-Wandlung wird in Abhängigkeit von der eingestellten Taktfrequenz des D/A-Wandlers nicht nur der Verlauf der entstehenden si(x)-Funktion und das Signalspektrum verschoben, sondern gleichzeitig der Frequenzverlauf der Entzerrerkurve gemäß 1/si(x). Somit wird eine mitlaufende Entzerrercharakteristik erzeugt, die unabhängig von der D/A-Taktfrequenz spektral 1/si(x)-entzerrte Signale liefert.

Ein Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltung ist in Fig. 3 dargestellt. Hierbei handelt es sich um eine aus DE 28 41 727 C2 bekannte Schaltung zur multiplikativen Störsignalkompensation für CCD-Bildwandler.

Ein CCD-Bildwandler 11 gibt unabhängig vom Ausleseverfahren elektrische Ausgangssignale ab, die der einfallenden Lichtmenge auf das entsprechende fotoempfindliche Pixel proportional sind. Diese Signale werden in der Verarbeitungsstufe 12 verschiedenen, in der Fernsehtechnik allgemein bekannten Bearbeitungsverfahren unterzogen. Danach werden sie zur Bandbegrenzung über einen Tiefpaß 13 einem Verstärker 14 zugeführt. Nach entsprechender Verstärkung gelangen sie über einen Umschalter 15 an eine Multiplizierstufe 16, in welcher mit Hilfe eines weiterhin zugeführten Korrektursignals die multiplikative Störsignalkompensation durchgeführt wird, so daß am Ausgang 17 das korrigierte Videosignal abnehmbar ist.

Bei der Auslese aus dem CCD-Bildwandler 11 treten jedoch trotz gleichförmiger Beleuchtung Unterschiede in den erzeugten Ausgangssignalspannungen der einzelnen Pixel auf (im Englischen als photoresponsive-non-unifomity, abgekürzt PRNU bezeichnet). Außerdem können weitere multiplikative und sich bei jedem Abtastvorgang wiederholende Störungen, z. B. durch ungleichförmige Beleuchtung, auftreten. Zur Korrektur wird dieser multiplikative Fehler (im Englischen als fixed pattern noise, abgekürzt FPN bezeichnet) zweckmäßigerweise in einem ersten Schritt detektiert, indem vom Bildweißwert des Videosignals ein Signalwert abgeleitet und einem A/D-Wandler 18 zur Digitalisierung zugeführt wird. Sodann wird davon ein Korrekturwert erzeugt, der der Störung umgekehrt proportional ist. Dazu ist eine Reziprokwertstufe 19 vorgesehen, welche mit einem zur Speicherung der Korrekturwerte dienenden Speicher 21 verbunden ist. Der Ausgang des Speichers 21 ist an einen D/A-Wandler 22 angeschlossen, dessen Ausgang über einen Tiefpaß 23 und einen Verstärker 24 mit dem zweiten Eingang der Multiplikationsstufe 15 verbunden ist.

Während des späteren, dem normalen Aufnahmebetrieb entsprechenden Auslesevorganges kann dann die FPN-Störung im CCD-Ausgangssignal durch Multiplikation mit dem Korrektursignal eliminiert werden. Dabei ist aber auch hier zu beachten, daß das Korrektursignal am Ausgang des D/A-Wandlers 22 wiederum einer Pulsamplitudenmodulation mit Dämpfungsverzerrung entspricht und daher dieser Frequenzverlauf si(x) entzerrt werden muß. Bei Variation der Taktfrequenz des CCD-Bildwandlers 11 sowie des D/A-Wandlers 22 zur elektronischen Expansion oder Kompression für die Vergrößerung oder Verkleinerung des Bildausschnittes, muß auch das Korrektursignal expandiert bzw. komprimiert werden, um die Korrelation zwischen Bildsignal und Korrektursignal für jeden Bildpunkt wiederherzustellen. Die Ableitung des Korrektursignals wird zweckmäßigerweise bei einer niedrigen CCD-Taktfrequenz durchgeführt, da so auch die höchsten vorkommenden FPN-Störfrequenzen im tiefpaßgefilterten Signal vorliegen.

Erfindungsgemäß wird nun zur Erzeugung eines optimal entzerrten Korrektursignals im Korrektursignalweg vor dem A/D-Wandler 18 eine 1/si(x)-Vorentzerrerstufe 25 angeordnet. Diese Schaltung 25 mit fester 1/si(x)-Vorverzerrung kompensiert den si(x)-Frequenzgangabfall bei der Taktfrequenz f_c1, wobei außerdem in Abhängigkeit der eingestellten Taktfrequenz des D/A-Wandlers 22 nicht nur der Verlauf der entstehenden si(x)-Funktion und das Störspektrum verschoben werden, sondern gleichzeitig auch der Frequenzverlauf der Entzerrerkurve gemäß 1/si(x).

Claims (3)

1. Schaltung zur Kompensation des - vom D/A-Wandler verursachten - Frequenzgangabfalls eines über A/D- und D/A-Wandler geführten Videosignals mit Hilfe einer 1/si(x)-Entzerrerschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß die 1/si(x)-Entzerrerschaltung (1; 25) beim Betrieb des D/A-Wandlers (4; 22) mit einer variablen Taktfrequenz (f_cv) vor dem A/D-Wandler (2; 18) angeordnet ist.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die 1/si(x)-Entzerrerschaltung (1) für eine vorbestimmte, feste Taktfrequenz (f_c1) des A/D-Wandlers (2) zur Kompensation des si(x)-Frequenzgangabfalls des mit variabler Taktfrequenz (f_cv) betriebenen D/A-Wandlers (4) dimensioniert ist.

3. Schaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Anordnung im Korrektursignalzweig einer Schaltung zur Erzeugung eines Korrektursignals für die multiplikative Störsignalkompensation eines von einem Halbleiter-Sensor (11) erzeugten Videosignals, wobei ein vom Weißwert des Videosignals abgeleiteter Signalwert dem aus A/D-Wandler (18), Reziprokwertstufe (19), Speicher (21), D/A-Wandler (22) und Tiefpaß (23) bestehenden Korrektursignalzweig zugeführt wird und wobei sowohl der D/A-Wandler (22) als auch der Halbleiter-Sensor (11) gleichermaßen mit variabler Taktfrequenz (f_cv) betrieben werden.