DE4138936A1 - Reducing effect of quantising noise for digital analog signal transmission etc. - applying auxiliary signal as sine signal not affecting analog signal prior to digitising - Google Patents
Reducing effect of quantising noise for digital analog signal transmission etc. - applying auxiliary signal as sine signal not affecting analog signal prior to digitisingInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vermindern der Wirkung des Quantisierungsrauschens bei der digitalen Übertragung, Speicherung oder Verarbeitung eines Analogsignals, bei dem vor der Digitalisierung ein Hilfssignal hinzugefügt wird, sowie Schaltungsanordnungen zur Durchführung eines solchen Verfahrens.The invention relates to a method for reducing the effect of Quantization noise in digital transmission, storage or processing an analog signal in which before Digitization an auxiliary signal is added, as well Circuit arrangements for performing such a method.
Beim Digitalisieren eines Analogsignals entstehen Fehler durch Ersetzen des jeweiligen Augenblickswertes durch den Wert der ihm am nächsten kommenden Amplitudenstufe sowie dadurch, daß die Amplitudenstufen realer Analog-Digital-Umsetzer von den theoretisch verlangten Amplitudenstufen abweichen. Diese Fehler sind gleichzusetzen dem Hinzufügen eines Fehlersignals (Quantisierungsfehler, Quantisierungsrauschen) zum Analogsignal.Errors occur when digitizing an analog signal Replace the current value with the value of the date next coming amplitude level and in that the Amplitude levels of real analog-digital converters from the theoretical required amplitude levels differ. These are mistakes equate to adding an error signal (Quantization error, quantization noise) to the analog signal.
Diese Fehler können prinzipiell nicht vermieden werden. Unter der Fachbezeichnung "Dithering" ist aber eine Technik bekannt, durch die das entstehende Fehlersignal so beeinflußt wird, daß seine Auswirkung gering bleibt. Dem zu digitalisierenden Analogsignal wird dabei ein Hilfssignal hinzuaddiert, durch das verhindert werden soll, daß das Fehlersignal deterministische Anteile, etwa eine bestimmte bevorzugte Frequenz, enthält. In principle, these errors cannot be avoided. Under the Technical term "dithering" is a technique known the resulting error signal is influenced so that its Impact remains small. The analog signal to be digitized an auxiliary signal is added to prevent this is that the error signal deterministic components, such as a certain preferred frequency.
In W. Chou et al, "Dithering and Its Effects on Sigma-Delta and Multistage Sigma-Delta Modulation", IEEE Transactions on Information Theory, Vol. 37, No.3, May 1991 werden hierzu nähere Untersuchungen für den Fall der Sigma-Delta-Modulation vorgestellt. Als Hilfssignal wird eine Art Rauschsignal verwendet. Auch wird darauf hingewiesen, daß es bekannt ist, als Hilfssignal ein Sinussignal mit einer weit oberhalb des Frequenzbereichs des Mutzsignals liegenden Frequenz zu verwenden. Dabei wird auch berichtet, daß beim untersuchten System das Verhältnis von Signal zu Rauschen verbessert wurde.In W. Chou et al, "Dithering and Its Effects on Sigma-Delta and Multistage Sigma-Delta Modulation ", IEEE Transactions on Information Theory, Vol. 37, No.3, May 1991 are further studies on this presented for the case of sigma-delta modulation. As an auxiliary signal a kind of noise signal is used. It is also pointed out that it is known as an auxiliary signal a sine signal with a wide frequency lying above the frequency range of the dirt signal use. It is also reported that the system under investigation the signal to noise ratio has been improved.
Wenn auch bei den bekannten Verfahren die Auswirkung des Quantisierungsfehlers günstig beeinflußt werden kann, so kommt doch noch ein zusätzlicher Fehler durch das Hinzufügen des Hilfssignals hinzu, dessen Auswirkung nicht stärker sein darf als die positive Beeinflussung des Quantisierungsfehlers.Although the impact of the known methods Quantization error can be influenced favorably, so it does another error by adding the auxiliary signal whose impact must not be stronger than the positive Influencing the quantization error.
Wird ein Sinussignal verwendet, dessen Frequenz weit oberhalb des Frequenzbereichs des Nutzsignals liegt und wird die Abtastfrequenz für die Digitalisierung so hoch gelegt, daß auch noch für das Sinussignal das Abtasttheorem erfüllt ist, so bedeutet dies für das Mutzsignal eine deutliche Überabtastung. Es ist aber auch bekannt, daß schon eine geringe Überabtastung das Verhältnis von Signal zu Rauschen deutlich verbessert, so daß in diesem Fall das Dithering eigentlich nicht erforderlich ist.If a sine signal is used, the frequency of which is far above the Frequency range of the useful signal lies and becomes the sampling frequency so high for digitization that even for that Sinus signal the sampling theorem is fulfilled, this means for that Dirt signal a significant oversampling. But it is also known that even a small oversampling the ratio of signal to Noise significantly improved, so that in this case dithering is actually not required.
Wird jedoch die Abtastfrequenz so gelegt, daß für das Sinussignal das Abtasttheorem nicht erfüllt ist, so ergeben sich durch Faltung Störungen (Aliasing), die nicht unberücksichtigt bleiben können.However, the sampling frequency is set so that for the sine signal if the sampling theorem is not fulfilled, it results from convolution Disruptions (aliasing) that cannot be ignored.
Die Erfindung schafft hier Abhilfe durch ein Verfahren nach der Lehre des Anspruchs 1 und Schaltungsanordnungen nach der Lehre der Ansprüche 7 und 8. The invention remedies this by a method according to Teaching of claim 1 and circuit arrangements according to the teaching of Claims 7 and 8.
Der Grundgedanke dabei ist, als Hilfssignal ein Sinussignal zu verwenden, das außerhalb des Frequenzbereichs des Nutzsignals, aber noch unterhalb der Abtastgrenze liegt und das später wieder ausgefiltert wird.The basic idea is to use a sine signal as an auxiliary signal use that outside the frequency range of the useful signal, however is still below the scanning limit and again later is filtered out.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.Advantageous embodiments of the invention are the subclaims refer to.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist die digitale Übertragung eines Videosignals. Als Hilfssignal wird dabei ein reduziertes, aber nicht wie üblich ganz unterdrücktes, Trägersignal verwendet. Dies hat den Vorteil, daß die Trägerrückgewinnung einfacher ist.A preferred embodiment is digital transmission a video signal. A reduced signal is used as an auxiliary signal not used completely suppressed carrier signal as usual. This has the advantage that carrier recovery is easier.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme der beiliegenden Zeichnung weiter erläutert.The invention is described below using an exemplary embodiment further explained with the help of the attached drawing.
Die Zeichnung zeigt eine Übertragungsstrecke, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet, deren Sendeteil als erfindungsgemäße Schaltungsanordnung nach Anspruch 7 und deren Empfangsteil als erfindungsgemäße Schaltungsanordnung nach Anspruch 8 ausgebildet ist.The drawing shows a transmission path that after the inventive method works, the transmitting part as Circuit arrangement according to the invention according to claim 7 and their Receiving part as a circuit arrangement according to the invention 8 is formed.
Der Sendeteil weist einen Eingangstiefpaß ETP, einen Signalgenerator SG, einen Addierer ADD, einen Analog-Digital-Umwandler ADU und einen Parallel-Serien-Umwandler PSU auf. Der in der Zeichnung darunter dargestellte Empfangsteil weist eine Synchronisationsschaltung Sync, einen Serien-Parallel-Umwandler SPU, einen Digital-Analog-Umwandler DAU, einen Ausgangstiefpaß ATP, einen Saugkreis SK und einen Bandpaß BP auf.The transmitting part has an input low pass ETP, a signal generator SG, an adder ADD, an analog-to-digital converter ADU and one Parallel series converter on PSU. The one in the drawing below the receiving part shown has a synchronization circuit Sync, a series-parallel converter SPU, a digital-to-analog converter DAU, an output low pass ATP, a suction circuit SK and a band pass BP on.
Ein im Basisbandbereich liegendes Videosignal FBAS, mit dem beim Fernsehen üblichen Signalaufbau und mit allen Komponenten (Farbe, Bild-, Austast-, und Synchronanteil) wird wie vor einer Digitalisierung üblich im Empfangstiefpaß ETP von etwaigen Oberwellen befreit, die nach der Abtastung durch Faltung zu Störungen führen würden. Der Eingangstiefpaß wirkt als Anti-Aliasing-Filter.A video signal FBAS lying in the baseband range, with which at Television usual signal structure and with all components (color, Image, blanking, and synchronous portion) is like before one Digitization common in the receive low pass ETP of any Harmonics freed up by folding after sampling Would cause interference. The entrance low pass acts as Anti-aliasing filter.
Erfindungsgemäß wird nun dem Ausgangssignal des Eingangstiefpasses ETP mittels des Addierers ADD ein vom Signalgenerator SG kommendes Hilfssignal hinzuaddiert.According to the invention, the output signal of the input low pass is now ETP by means of the adder ADD coming from the signal generator SG Auxiliary signal added.
Die nähere Festlegung dieses Hilfssignals wird durch folgende Überlegung bestimmt:The specification of this auxiliary signal is as follows Consideration determines:
Bei der analogen Signalübertragung, insbesondere bei der Funkübertragung, sind Sinussignale mit konstanter Frequenz und Amplitude schon aus energetischen Gründen unerwünscht und werden deshalb nach Möglichkeit unterdrückt (bei AM-Sendungen ist mehr als die Hälfte der Energie im informationslosen Träger enthalten). Bei Digitalisierung spielt der Energiegesichtspunkt keine Rolle, jedoch wird der Wertebereich des Analog-Digital-Umwandlers eingeschränkt. Dies ist auch aus dem o.g. Artikel von W. Chou bekannt. Ein für das erfindungsgemäße Verfahren praktisch bewährter Wert liegt bei einer Amplitude des Hilfssignals von 220 mVSS und einem Gesamtamplitudenbereich von 1VSS.With analog signal transmission, especially with Radio transmission, are sinusoidal signals with constant frequency and Amplitude is undesirable for energetic reasons therefore suppressed if possible (for AM broadcasts more than half of the energy contained in the informationless vehicle). At Digitization doesn't matter from an energy point of view, however the range of values of the analog-digital converter is restricted. This is also from the above. Article by W. Chou known. One for that The method according to the invention has a practically proven value Amplitude of the auxiliary signal of 220 mVSS and one Total amplitude range from 1VSS.
Die Frequenz des Hilfssignals muß so liegen, daß durch das nachfolgende Abtasten keine Anteile in das Nutzsignal gelangen, daß das Hilfssignal selbst nicht periodisch abgetastet wird und daß es mit vernünftigen Aufwand wieder aus dem Gesamtsignal entfernt werden kann, ohne das Nutzsignal unzulässig zu beeinflussen.The frequency of the auxiliary signal must be such that subsequent scanning no parts get into the useful signal that the auxiliary signal itself is not sampled periodically and that it can be removed from the overall signal with reasonable effort can without unduly influencing the useful signal.
Damit durch das Abtasten keine Anteile in das Nutzsignal gelangen, muß die Frequenz des Hilfssignals unterhalb der halben Abtastfrequenz liegen. Dies ist auch der Grund, weshalb gefordert wird, das Hilfssignal soll ein Sinussignal sein, weil sonst Signalteile nicht mit abgetastet werden. Gegen die Verwendung zweier oder mehrerer Sinussignale unterhalb der halben Abtastfrequenz ist dagegen nichts einzuwenden. Auch könnte das Hilfssignal ein im Verhältnis zum Nutzsignal schmalbandig moduliertes Signal sein, sofern nur die nicht abgetasteten Signalanteile vernachlässigbar sind.So that no parts get into the useful signal by scanning, the frequency of the auxiliary signal must be below half Sampling frequency. This is also the reason why requested is, the auxiliary signal should be a sine signal, because otherwise Signal parts must not be scanned. Against the use of two or several sine signals below half the sampling frequency nothing to object to. The auxiliary signal could also be an im Ratio to the useful signal be a narrowband modulated signal, if only the non-sampled signal components are negligible are.
Die Frequenz des Hilfssignals und die Abtastfrequenz dürfen nicht miteinander korreliert sein, weil sonst nur wenige Phasenlagen des Hilfssignals beim Abtasten betroffen sind und der statistische Effekt ausbleibt. Aus demselben Grund sollte eine zu niedrige Frequenz des Hilfssignals, beispielsweise noch unterhalb des Nutzsignal-Frequenzbands, vermieden werden.The frequency of the auxiliary signal and the sampling frequency must not be correlated with each other, because otherwise only a few phase positions of the Auxiliary signals when scanning are affected and the statistical No effect. For the same reason, one should be too low Frequency of the auxiliary signal, for example below the Useful signal frequency band can be avoided.
Das Hilfssignal soll anschließend mit vernünftigem Aufwand aus dem Gesamtsignal entfernt werden können, ohne das Nutzsignal unzulässig zu beeinflussen. Dies kann prinzipiell sowohl im digitalen Bereich als auch nach Rückumwandlung in den analogen Bereich erfolgen. Im einfachsten Fall wird eine schmalbandige Bandsperre verwendet, die die Frequenz des Hilfssignals sperrt. Solche Bandsperren sind als Kerbfilter (eng. notch filter) bekannt; sie sind leicht durch einen Saugkreis zu realisieren. Ein Saugkreis ist ein Serienschwingkreis hoher Güte, der so angeordnet ist, daß er die störende Frequenz kurzschließt. Die erforderliche Bandsperre ist auch als Digitalfilter realisierbar. Eine derartige Realisierung wird dann anzustreben sein, wenn im digitalen Bereich ohnehin eine Filterung oder eine Signalverarbeitung erfolgt. Auch für Punkt-zu-Mehrpunkt-Verbindungen kann es sinnvoll sein, das Hilfssignal nur einmal auf der Sendeseite, und damit zwangsläufig im digitalen Bereich wieder auszufiltern. Allerdings wird der Effekt des Hilfssignals etwas geringer sein, wenn dieses nur die Analog-Digital-Umwandlung und nicht auch die Digital-Analog-Umwandlung beeinflußt. The auxiliary signal should then be removed from the Total signal can be removed without the useful signal being impermissible to influence. In principle, this can be done both in the digital field as well as after conversion back into the analog range. in the In the simplest case, a narrow-band band stop is used blocks the frequency of the auxiliary signal. Such band locks are considered Notch filter (eng. Notch filter) known; they are easily through one Realize suction circuit. A suction circuit is a series resonant circuit high quality, which is arranged so that it the interfering frequency shorts. The required band stop is also as Digital filter possible. Such an implementation will then should be aimed for if there is any filtering in the digital domain anyway or signal processing takes place. Also for Point-to-multipoint connections, it can make sense to do that Auxiliary signal only once on the transmission side, and therefore inevitably in filter out the digital area again. However, the effect of the auxiliary signal, if this is only the Analog-to-digital conversion and not also that Digital-to-analog conversion affected.
Prinzipiell kann das Hilfssignal auch dadurch wieder aus dem Nutzsignal entfernt werden, daß es amplituden- und phasenrichtig wieder subtrahiert wird. Dies setzt zwar eine sehr genaue Rückgewinnung des Hilfssignals voraus, hat aber den Vorteil, daß die Frequenz des Hilfssignals nicht zwingend außerhalb des Frequenzbands des Nutzsignals oder in einer Frequenzlücke desselben liegen muß.In principle, the auxiliary signal can also be removed from the Useful signal are removed that it is correct in amplitude and phase is subtracted again. While this sets a very precise one Recovery of the auxiliary signal ahead, but has the advantage that the Frequency of the auxiliary signal is not necessarily outside the frequency band of the useful signal or in a frequency gap of the same.
Beim Ausführungsbeispiel, bei dem das Nutzsignal ein Videosignal ist, wird als Hilfssignal ein mit einem Tonsignal schmalbandig modulierter Träger bei fo=5,5 MHz verwendet. Die Abtastfrequenz liegt bei 14 MHz.In the embodiment in which the useful signal is a video signal is, as an auxiliary signal is a narrowband with a sound signal modulated carrier used at fo = 5.5 MHz. The sampling frequency is at 14 MHz.
Die Abtastfrequenz liefert den Worttakt Tw, der für die Analog-Digital-Umwandlung einschließlich der erforderlichen Abtastung und für die Eingabe in den Parallel-Serien-Umwandler benötigt wird. Im vorliegenden Fall erfolgt die Digitalisierung in Acht-Bit-Worte, so daß zur seriellen Ausgabe aus dem Parallel-Serien-Umwandler ein Bittakt Tb erforderlich ist, dessen Frequenz gleich der achtfachen Frequenz des Worttaktes Tw und damit gleich der achtfachen Abtastfrequenz ist.The sampling frequency provides the word clock Tw, which for the Analog-to-digital conversion including the required Sampling and for input into the parallel-to-serial converter is needed. In the present case, digitization takes place in Eight bit words so that for serial output from the Parallel-to-serial converter requires a bit clock Tb whose Frequency equal to eight times the frequency of the word clock Tw and thus is equal to eight times the sampling frequency.
Zwischen Sende- und Empfangsteil wird das Gesamtsignal als PCM-Signal übertragen, wobei die Art der Übertragung (Funk, festverdrahtet, vermittelt, synchroner oder asynchroner Multiplex) keine Rolle spielt.The total signal is between the transmitting and receiving part PCM signal transmitted, the type of transmission (radio, hard-wired, switched, synchronous or asynchronous multiplex) doesn't matter.
Im Empfangsteil wird nun wie üblich zunächst in der Synchronisationsschaltung der Worttakt Tw und der Bittakt Tb wiedergewonnen. Diese Takte werden dem Serien-Parallel-Umwandler SPU und dem Digital-Analog-Umwandler DAU zugeführt, um wieder ein Analogsignal zu erhalten. Der anschließende Ausgangstiefpaß ATP entfernt wie üblich die im wiedergewonnenen Analogsignal noch enthaltenen Oberwellen. Daran schließt der Saugkreis SK an, der auf die Frequenz fo des Hilfssignals abgestimmt ist. Da im Ausführungsbeispiel das Hilfssignal schmalbandig moduliert ist, darf die Güte des Saugkreises in diesem Fall nicht extrem hoch sein.In the receiving section, as usual, is now in the Synchronization circuit of the word clock Tw and the bit clock Tb recovered. These clocks are the serial-parallel converter SPU and fed to the digital-to-analog converter DAU to turn on again Obtain analog signal. The subsequent low-pass ATP removes as usual those in the recovered analog signal contained harmonics. The suction circuit SK connects to it the frequency fo of the auxiliary signal is tuned. Since in Embodiment the auxiliary signal is modulated narrowband, may the quality of the suction circuit in this case should not be extremely high.
Eine Dimensionierung des Ausgangstiefpasses ATP derart, daß auch die Funktion des Saugkreises mit erfüllt wird, ist prinzipiell möglich, ist aber in der Regel aufwendiger.A dimensioning of the initial low pass ATP such that the In principle, the function of the suction circuit is fulfilled, is usually more complex.
Da beim Ausführungsbeispiel das Hilfssignal moduliert ist, ist dieses noch separat rückzugewinnen. Hierzu dient der Bandpaß BP, dessen Eingang parallel zum Eingang des Ausgangstiefpasses ATP geschaltet ist. Die Weiterverarbeitung des Hilfssignals, insbesondere dessen Demodulation, ist hier ebensowenig näher dargestellt wie dessen Erzeugung, die nur durch den Signalgenerator SG angedeutet ist.Since in the exemplary embodiment the auxiliary signal is modulated to recover this separately. The bandpass BP serves this purpose, its entrance parallel to the entrance of the exit low pass ATP is switched. The further processing of the auxiliary signal, its demodulation in particular is just as little closer here represented as its generation, only by the signal generator SG is indicated.
Anstelle eines zusätzlichen modulierten Trägers oder auch zusätzlich dazu kann auch anstelle eines sonst gänzlich unterdrückten oder nur durch Bursts übertragenen Trägersignals, beispielsweise des Farbträgersignals bei 4,43 MHz, ein Trägerrest übertragen werden, was die Trägerrückgewinnung erleichtert. Bei der Aussteuerung (Amplitude) muß dies natürlich berücksichtigt werden.Instead of an additional modulated carrier or additionally this can be done instead of an otherwise completely suppressed or only carrier signals transmitted by bursts, for example the Color carrier signal at 4.43 MHz, a carrier residue are transmitted what carrier recovery is facilitated. At the level (Amplitude) this must of course be taken into account.
Claims (8)
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Country Status (1)
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| DE (1) | DE4138936A1 (en) |
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- 1991-11-27 DE DE4138936A patent/DE4138936A1/en not_active Withdrawn
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