DE69526224T2

DE69526224T2 - Vorrichtung zur signalverarbeitung

Info

Publication number: DE69526224T2
Application number: DE69526224T
Authority: DE
Inventors: Mordechai Shefer
Original assignee: Trusight Ltd
Current assignee: Trusight Ltd
Priority date: 1994-05-30
Filing date: 1995-05-26
Publication date: 2002-10-02
Anticipated expiration: 2015-05-27
Also published as: JP3398842B2; AU2815095A; IL109824A0; WO1995033306A1; IL109824A; EP0763280A1; EP0763280B1; JPH10506241A; DE69526224D1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen die Signalverarbeitung und spezieller eine Vorrichtung zum Durchführen eines Abgleichs und einer Verstärkung von Audio- und Videosignalen mittels einer dynamischen Bereichsreduzierung, die durch einen automatischen Verstärkungssteueralgorithmus (AGC) mit nicht-kausalem Feedback durchgeführt wird.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Der dynamische Bereich (DR) eines Signals wird durch das Verhältnis zwischen dem Maximalwert, den das Signal annehmen kann, und der minimalen signifikanten Differenz zwischen einem Wertepaar innerhalb des Signals bestimmt. Daher definiert das DR-Signal, wie viele verschiedene Intensitätsniveaus ein nachfolgender Nutzer des Signals haben muss, um die von dem Signal übertragenen Informationen vollständig auszunutzen. Der DR ist der Hauptfaktor bei den Kosten des Prozessors, der Datenspeicherung und den Datenkommunikationsverbindungen. Der DR von Medien oder Anzeigen wie Lautsprechern, elektronischen Bildröhren und Bildpapier ist physikalisch begrenzt. Eine typische Begrenzung von Bildmedien liegt bei 256 verschiedenen Niveaus, während einige gängige Sensoren ein Ausgangssignal-DR haben, der 10&sup5; erreicht. Viele Details der bedeutungsvollen Information eines so hohen DR-Signals gehen verloren, wenn es auf einer Bildröhre oder auf Papier dargestellt wird.
Der DR von Lichtintensitäten in natürlichen Ansichten und Szenarien kann 10¹&sup0; übersteigen. Es ist seit langer Zeit bekannt, dass sowohl die Augen von Tieren als auch das menschliche Auge in der Lage sind, den DR der detektierten Lichtsignale um viele Größenordnungen zu reduzieren. Ein Teil der in biologischen Sensoren wie dem Auge durchgeführten Signalverarbeitung wurde durch einen räumlichen oder nicht-kausalen Feedback AGC-Algorithmus moduliert, dessen Blockdiagramm schematisch in Fig. 1 gezeigt wird. In diesem Modell wird das Eingangssignal durch die Differenz eines konstanten und eines nicht-kausalen Mittels des Ausgangssignals vervielfacht. Als Ergebnis zeigt die Übertragung dieses Modells auf das mittlere Niveau des Eingangssignals eine asymptotische Natur gemäß Kurve A von Fig. 2. Wegen der mittleren asymptotischen Übertragung kann das mittlere Niveau des Ausgangssignals einen vorgegebenen konstanten Wert nicht überschreiten, ungeachtet eines beliebigen Anstiegs in dem mittleren Eingangsniveau. Gleichzeitig zeigt die Übertragung desselben Modells den Trend, lokale Variationen in dem Eingangssignal gemäß Kurve B von Fig. 2 zu verstärken. Das kombinierte Ergebnis dieser beiden verschiedenen Antworten des AGC-Modells ist eine Verminderung des dynamischen Signalbereichs, der ohne einen in Erscheinung tretenden Informationsverlust erreicht wird. Diese doppelte Operation wird als "Abgleich-Verstärkung" bezeichnet.

Stand der Technik

Die generalisierte Näherung des genannten Modells bildet die Klasse der Nachbarumwandlungen, die tatsächlich viele bekannte Signalverarbeitungstechniken wie Faltung umfassen. Im Allgemeinen besteht Signalverarbeitung aus drei Phasen: Vorverarbeitung, Datenreduktion und Erkennung. In der Vorverarbeitungsphase wird das Signal gewöhnlich durch Algorithmen verarbeitet, die den Inhalt des Signals nicht kennen und lediglich dessen Qualität verbessern. Beispiele sind Histogrammabgleich, Rauschunterdrückung, Peak-Detektierung, Glättung, Diskriminierung, etc.
Die Vorverarbeitungsphase der Signalverarbeitung erfordert die Behandlung eines großen Informationsflusses. Viele Vorverarbeitungsalgorithmen arbeiten zu einer Zeit nur auf kleinen Umgebungen oder Segmenten des Signals, während andere, wie Histogrammverarbeitung und bestimmte Integralumformungen, das ganze Signal verarbeiten, bevor ein Ergebnis generiert werden kann. Einige Vorverarbeitungssysteme, die so gestaltet sind, dass sie das menschliche Auge imitieren, sind jedoch lediglich Näherungen dessen, was das Auge kann.
Einige herkömmliche Bildverarbeitungssysteme gewinnen Bilder von einer Bildgewinnungseinheit, wie einer Kamera, die ein Bild in einem Rasterscanformat erzeugt. Das Videosignal wird typischerweise an eine Pipeline von Nachbarprozessoren, wie Faltungseinheiten, und integrale Prozessoren, wie Histogramm- oder schnelle Fourierumwandler, weitergeleitet. Außerdem generieren die Vorprozessoren typischerweise ihren Output in einem Rasterscanformat, so dass ein Vorprozessor direkt den nächsten füttern kann. Der näherungsweise AGC- Algorithmus in der Bildverarbeitung ist ein Spezialfall von Nachbarumformungen. Eine Nachbarumformung ist eine Bildmapping-Operation, bei der jeder Pixelwert des Ausgangsbildes eine Funktion des Wertes des entsprechenden Pixels des Eingangsbildes und der Pixel ist, die es in einem lokalen Bereich umgeben. Nachbarumformungen können Umgebungen beliebiger Größe verwenden, die meisten verwenden jedoch eine spezifische Größe wie eine kaskadenartige Reihe von Umformungen unter Verwendung von 3 · 3 Umgebungen. Diese 3 · 3 Umgebungen beziehen nur die acht nächsten Nachbarn, die das zu verarbeitende Pixel umgeben, mit ein.
Ein anderer Spezialfall von Nachbarumformungen sind Faltungen. Diese sind normalerweise lineare Filter, wie Hochpass-Filter, die Konturen und Grenzlinien in den verarbeiteten Bildern verstärken, oder Tiefpass-Filter, deren gewöhnliche Aufgabe in der Rauschunterdrückung liegt. Im Allgemeinen sind lineare Faltungen in der Performance ziemlich begrenzt und werden als große Zeit- und Speicherverbraucher angesehen.
Homomorphe Filter, wie im US-Patent Nr. 5,247,366 beschrieben, wurden während der letzten 10 Jahre in die Signalverarbeitung eingeführt. Dies sind nicht- lineare Prozessoren, die im Wesentlichen jeden Wert des Originalsignals durch den entsprechenden Datenwert der Tiefpass-gefilterten Version des Originalssignals teilen. Homomorphe Filter können begrenzte Werte einer dynamischen Bereichsreduzierung erreichen, sie sind jedoch beschwerlich zu integrieren, potentiell fehlersensitiv und sehr anspruchsvoll in Bezug auf Rechenzeit und Hardware.
Das Konzept des kausalen Feedback-AGC ist bekannt und wurde viele Jahre in der Kommunikations- und Signalformung verwendet. Dabei wird gewöhnlich eine kausale Mittelung durch eine Art Tiefpass-Filter oder einen Integrator verwendet, die lediglich die Signalrate der Änderung in der Zeit verlangsamt und begrenzt. Dies resultiert in zeitabhängigen AGC-Geräten, deren Antwort auf Video-Signale notwendigerweise von der Richtung, in der die fotografierte Szene durch die Kamera gescannt wurde, abhängt - ein sehr ungünstiges Phänomen.
In einem nicht-kausalen Signalverarbeitungssystem, das in Echtzeit arbeitet, kann der verarbeitete Datenwert von den Werten der umliegenden Ausgabedaten abhängen, von denen einige möglicherweise noch nicht bearbeitet worden sind. Dies führt zu einer iterativen oder rekursiven Verarbeitung, wobei eine wiederholende Anwendung eines Feed-Forward-AGC verwendet wird, bei dem die Ausgabe bei jeder Wiederholung von der Ausgabe der vorherigen Wiederholung abhängt, so dass es sich nicht um eine explizite Funktion nur des Eingangs handelt. Diese Art eines repetitiven Algorithmus kann schließlich bei einem Wert konvergieren, der nahezu identisch ist mit einem Wert, den man von einem Feedback-AGC erhalten würde. Leider benötigt der iterative Prozess sehr viel Verarbeitungszeit und Speicher, wodurch der Gebrauch in Echtzeit limitiert und die Kosten erhöht werden.
Bildverarbeitungsgeräte der oben diskutierten allgemeinen Art sind bspw. in WO 90/01750, WO 90/01844 und WO 90/01845 beschrieben.
In der Veröffentlichung von Grant, P. M. and Withers, R. S. ("Recent Advances in Analog Signal Processing", IEEE Trans. On. AES, Vol. 26, Nr. 5, September 1990, Seiten 818 bis 849) wird die Verwendung von Charged Couples Devices (CCD) als spannungabgreifende Verzögerungsleitungen kombiniert entweder mit Metalloxidhalbleiter (MOS) Transistoren oder Feldeffekttransistor (FET) Brücken als Analogvervielfacher vorgestellt. Die in dieser Veröffentlichung erwähnten Anwendungen sind größtenteils linear, wie Fourier-Transformationen, finite Impulsantworten und programmierbare Transversalfilter, und einige nicht-linear, wie Korrelatoren.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Daher wird auf dem Gebiet der Signalverarbeitung ein verbesserter Signalprozessor benötigt, der das nicht-kausale Feedback-AGC-Modell für den in biologischen Sensoren stattfindenden natürlichen Prozess annähert, aber nicht durch einen zeitverbrauchenden iterativen Algorithmus beschränkt ist und keinen großen Speicher benötigt, so dass das System nicht teuer in Echtzeit arbeiten kann.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen derartig verbesserten Signalprozessor vorzuschlagen.
Es ist eine andere Aufgabe der Erfindung, ein Gerät vorzuschlagen, das nicht durch einen zeitverbrauchenden iterativen Algorithmus beschränkt ist und keinen großen Speicher benötigt.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen Prozessor vorzusehen, der günstig in Echtzeit arbeiten kann.
Weitere Aufgaben der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor.
Die Echtzeit-Abgleich-Verstärkungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst:
eine Vielzahl von analogen Vervielfachern mit jeweils zwei Eingängen, von denen der erste Eingang ein abgetastetes Eingangssignal empfängt,
wenigstens einen mit einem Feedback-Widerstand versehenen Operationsverstärker, dessen Ausgang mit dem zweiten Eingang eines oder mehrerer der Vielzahl von Analogvervielfachern verbunden ist, und
eine Vielzahl von Summierwiderständen, die zwischen dem Ausgang von jedem der Analogvervielfacher und dem Eingang des Operationsverstärkers angeschlossen sind;
Mittel, die vorgesehen sind, um die Ausgänge der Vielzahl der Analogvervielfacher gemäß einer vordefinierten Kombinationsregel zu kombinieren, Mittel, die auch dafür vorgesehen sind, die Kombination der Vervielfacherausgänge von vorbestimmten konstanten Vorspannungswerten abzuziehen und die Ergebnisse zurück in die Eingänge der Analogvervielfacher zu führen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Echtzeit- Abgleich-Verstärkungsvorrichtung:
einen Abtastschalter zum Zuführen von abgetasteten Datenwerten des Eingangssignals in eine Vielzahl von analogen Verzögerungsleitungen, entweder mit oder ohne Anschlüssen;
eine Vielzahl solcher analoger Verzögerungsleitungen, die an einem Ende an dem Abtastschalter und an dem anderen Ende an eine Vielzahl von Analogvervielfachern angeschlossen ist;
eine Vielzahl von Analogvervielfachern mit einem an die Verzögerungsleitungen angeschlossenen Eingang und einem zweiten an den Ausgang eines Operationsverstärkers angeschlossenen Eingang;
einer Vielzahl von Operationsverstärkern mit Feedback-Widerstand, wobei jeder Operationsverstärkerausgang an wenigstens einen Analogvervielfacher angeschlossen ist und wobei der Eingang jedes Operationsverstärkers an mehrere Analogvervielfacher über einen oder mehrere Summierwiderstände angeschlossen ist;
eine Vielzahl von Summierwiderständen, die zwischen dem Ausgang jedes der Analogvervielfacher und dem Eingang des Operationsverstärkers angeschlossen sind; und
einen Summierverstärker, um die Ausgänge der Vielzahl der Analogvervielfacher zu kombinieren, um das Ausgangssignal der Echtzeit-Abgleich- Verstärkungsvorrichtung zu erhalten.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Echtzeit-Abgleich-Verstärkungsvorrichtung:
eine Vielzahl von analogen Datenwert-Halteelementen, um die Datenwerte des Eingangssignals in zyklischer Reihenfolge einer Vielzahl von Analogvervielfachern zuzuführen;
eine Vielzahl von Analogvervielfachern mit einem an die Datenwert- Halteelemente angeschlossenen Eingang und einem anderen an den Ausgang eines Operationsverstärkers angeschlossenen Eingang;
einen Operationsverstärker mit Feedback-Widerstand, wobei der Operationsverstärkereingang an die Vielzahl der Analogvervielfacher über Summierwiderstände angeschlossen ist und wobei der Ausgang des Operationsverstärkers an den Eingang aller Analogvervielfacher angeschlossen ist;
eine Vielzahl von Summierwiderständen, die zwischen dem Ausgang jedes der Analogvervielfacher und dem Eingang des Operationsverstärkers angeschlossen sind;
eine Vielzahl von analogen Schaltern, wobei jeder Schalter an den Ausgang von einem der Analogvervielfacher angeschlossen ist, um die Ausgangssignaldatenwerte Speicherpuffermitteln zuzuführen.
Gemäß einer noch weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Echtzeit-Abgleich-Verstärkungsvorrichtung:
eine Vielzahl von Analog zu Digital-Konvertern (ADCs) zum Abtasten und Konvertieren des Eingangssignals in Sequenzen aus digitalen Worten und zum Zuführen der Worte in einen digitalen Signalprozessor (DSP);
einem DSP, aufgebaut aus einer Vielzahl von Registern, einer Vielzahl von Addierern/Subtrahierern und einer Vielzahl von Multiplizierern/Dividierern. Der DSP arbeitet nicht iterativ und nicht rekursiv, sondern er berechnet die exakte Ausgabe von dem nicht-kausalen Feedback-AGC der vorliegenden Erfindung als alleinige Funktion des Eingangssignals in einem einzigen Berechnungszyklus;
einem Digital zu Analog-Konverter (DAC) zum Konvertieren des Ausgangs des DSP in ein Analogsignal.
Wie ein Fachmann erkennen wird, kann die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung auf viele verschiedene Arten dimensioniert werden. Eine bevorzugte Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist jedoch eine Vorrichtung, bei der die Komponenten so dimensioniert sind, dass ein Input von gleichen, gleichmäßig beabstandeten Stufen, die der Vorrichtung zugeführt werden, in einer Filterantwort in Form von flachen Werten resultiert, die entlang einer monoton ansteigenden, sie mittelnden Kurve angeordnet sind, wobei die Kurve unabhängig von dem Eingabesignalniveau asymptotisch zu einem vorgegebenen konstanten Niveau ist. Diese flachen Ausgabeniveaus sind durch Übergangszonen in Form von Dubletts voneinander getrennt, von denen jede aus einem negativen Peak, der neben der niedrigeren Seite der Stufe erscheint, und einem positiven Peak aufgebaut ist, der neben der höheren Seite der Stufe erscheint.
Ebenso wird von der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur Signalverarbeitung eingeschlossen mit:
einer Analogabtast- und Speichervorrichtung zum Abtasten und Speichern von Datenwerten, die ein Eingangssignal repräsentieren;
einer Analogabtast- und Speichervorrichtung zum Abtasten und Speichern von Datenwerten, die das Ausgangssignal repräsentieren;
einer wie oben beschriebenen Echtzeit-Abgleich-Verstärkungsvorrichtung.
Alle oben dargestellten und andere Merkmale und Vorzüge der Erfindung werden besser verstanden durch die folgende illustrative und nicht beschränkende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm des herkömmlichen automatischen Verstärkungssteuerungsprozessors mit Feedback. In diesem Modell ist das Ausgangssignal ein Produkt des Eingangssignals und der Differenz einer vorbestimmten Konstanten und eines nicht- kausalen Mittels des Ausgangssignals;
Fig. 2 eine qualitative Beschreibung der herkömmlichen Feedback-AGC- Modellübertragungen, wobei Kurve A die mittlere Niveauübertragung und Kurve B die lokale Variationsübertragung ist;
Fig. 3 ein Diagramm einer Signalverarbeitungsvorrichtung mit einem automatischen Verstärkungssteuerungskreis, der nicht-kausale Mittlung in dem Feedback-Pfad verwendet;
Fig. 4 eine vereinfachte Version der Vorrichtung gemäß Fig. 3;
Fig. 5 ein Diagramm einer Signalverarbeitungsvorrichtung, deren Funktion identisch zu der Vorrichtung gemäß Fig. 3 ist, wobei der Ausgang des AGC-Filters durch einen digitalen Prozessor berechnet wird;
Fig. 6 ein Diagramm einer Signalverarbeitungsvorrichtung, deren Funktion identisch zu der gemäß Fig. 5 ist, wobei die analogen Datenwert-Halteelemente und die analogen Verzögerungsleitungen jeweils durch Analog-zu-Digital-Konverter und digitale Speicherpuffer/Schieberegister ersetzt sind;
Fig. 7 ein quantitatives Beispiel der Antwort einiger Ausführungsformen der vorliegenden nicht-kausalen AGC-Erfindung auf ein Eingangssignal, das aus gleichen, gleichmäßig beabstandeten Stufen aufgebaut ist;
Fig. 8 eine quantitative Beschreibung des Abgleich-Verstärkungsfaktors, der aus der in Fig. 7 dargestellten Antwort berechnet ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

In Fig. 3 ist eine Echtzeit-Abgleich-Verstärkungsvorrichtung 30 dargestellt, die eine Anwendung der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Andere Anwendungen beinhalten kommerzielles Fernsehen, Kabelfernsehen, Satellitenfernsehen, Videokameras, medizinische Bildgeräte, Satellitenbildgeräte, Hi-Fidelity Audio-Verstärker, Video- und Audio-Recorder, Video- und Audio-Kommunikationsverbindungen und -speicher und dgl. Die Echtzeit-Abgleich-Verstärkungsvorrichtung 30 basiert auf dem automatischen Verstärkungssteuerungskonzept (AGC) mit Feedback, das durch die Verwendung von nicht-kausalen oder doppelseitigen mittelnden Kerneis wie nachfolgend beschrieben mechanisiert ist.
Der Abgleich-Verstärker 30 beinhaltet einen Abtastschalter 31, der die Datenwerte des Eingangssignals einer analogen Verzögerungsleitung 32 mit vielen Anschlüssen zuführt. Die Länge der Verzögerungsleitung ist beliebig, jedoch liegt eine ausreichend angemessene Minimalzahl bei 2 Stufen. Die Verzögerung von jeder Stufe der Verzögerungsleitung hängt von der spezifischen Anwendung ab, für die sie benutzt wird. Für nur horizontales Filtern von kommerziellem Fernsehvideo sollte die Verzögerungsstufe in der Größenordnung von 70 bis 100 ns liegen, die ungefähr der Zeitdauer eines Pixels ähnelt. Für diese Art der Anwendung wäre ein Beispiel für eine geeignete Verzögerungsleitung ein Produkt entweder der Serie 2211 oder der Serie 2214 der Data Delay Devices Inc. Für nur vertikales Filtern desselben Signaltyps muss die Verzögerungsstufe der Zeitdauer einer einzelnen Fernsehzeile exakt gleich sein, die in der Größenordnung von 64 us liegt. Diese Art der synchronen Verzögerung kann durch Charge Coupled Device (CCD)-artige analoge Verzögerungsleitungen durchgeführt werden, wie CXL 5001P oder CXL 5001M, 1H CMOS-CCD hergestellt durch Sony Corp., Japan. Für zweidimensionales Filtern von Videosignalen sollten beide Arten von Verzögerungsleitungen abwechselnd in Serie geschaltet werden. Jeder Anschluss der Verzögerungsleitung ist an einen mit x markierten Eingang eines Analogvervielfachers oder -multiplikators 33 angeschlossen. Die nominale Funktion jedes der Vervielfacher 33 ist z = xy, wobei y der andere Eingang zu dem Vervielfacher und z der Vervielfacherausgang ist. Ein Beispiel für einen Analogvervielfacher ist der AD-834 von Analog Devices Inc.
Der mit y bezeichnete Eingang jedes Vervielfachers ist an den Ausgang eines Operationsverstärkers 34 mit Feedback-Widerständen 35 und Eingangsummierwiderständen 36 angeschlossen. Die Eingangswiderstände 36 sind mit den Vervielfacherausgängen verbunden und führen eine nicht-kausale gewichtete Mittlung der Ausgänge durch. Die Aufgabe der Operationsverstärker liegt in der Subtraktion der gemittelten Ausgänge von einer vorgegebenen Konstante und dem Zuführen des Ergebnisses zurück zu den Vervielfachereingängen. Die verschiedenen Gewichte der Mittlung in den Verstärkern 34 werden durch die Quotienten: (Wert des Widerstands 35)/(Wert des Widerstands 36) bestimmt.
Jedes Paar von Vervielfachern definiert zwei gewichtete Feedback-Pfade. Die Gewichte können auf verschiedene Weisen bestimmt werden. Ein nützlicher Weg, um ein Gewicht für einen vorgegebenen Pfad vorzuschreiben, liegt darin, es proportional zu einem Exponent der Anzahl von Anschlüssen zu bestimmen, die die Eingänge der zwei Vervielfacher, die den korrespondierenden Feedback- Pfad bestimmen, trennen. Ein wichtiger Spezialfall des exponentiellen Gewichtens ist der Fall, in dem die Basis EINS (1) ist. In diesem Fall sind alle Gewichte gleich und das Mittel ist das gewöhnliche arithmetische Mittel. Die Ausgänge der Analogvervielfacher 33 sind ferner an einen Summierverstärker 37 angeschlossen, der eine lineare Kombination der Vervielfacherausgänge durchführt. Der Ausgang des Verstärkers 37 bildet das Ausgangssignal der Vorrichtung 30.
In einigen Ausführungsformen ist es möglich, vereinfachte Teile des vorliegenden Abgleich-Verstärkers zu verwenden. Fig. 4 zeigt eine vereinfachte Abgleich- Verstärkungsvorrichtung 40, bei der die mit Anschlüssen versehene Verzögerungsleitung 32 gemäß Fig. 3 durch einen Satz von analogen Datenwert- Halteelementen 42 ersetzt wurde. Die Schalter 41 der Datenwert-Halteelemente geben Kontakt jede zu ihrer Zeit in einer zyklischen Reihenfolge, so dass zu jedem Abtastzeitpunkt die Zelle, die die ältesten Daten hält, mit den neuesten Daten upgedated wird. Ein mögliches Beispiel für die Datenwert-Halteelemente ist das CLC950 von Comlinear Corp. Die Ausgänge der Datenwert-Halter sind mit den Eingängen einer Vielzahl von Analogvervielfachern 43 in einer ähnlichen Anordnung zu der gemäß Fig. 3 verbunden. Unter Verwendung eines Einheitsmittlungsexponenten kann ein einziger Operationsverstärker 44 verwendet werden, dessen Eingangswiderstände 45 alle den gleichen Wert aufweisen.
Das Ausgangssignal der Abgleich-Verstärkungsvorrichtung 40 wird durch die in zylindrischer Reihenfolge abgetasteten Vervielfacherausgänge gebildet. Dies wird durch eine Vielzahl von analogen Schaltern 47 erreicht, die die Signaldatenwerte einem Ausgangsspeicherpuffer 48 zuführen.
In einer halb digitalen Ausführung gemäß Fig. 5 werden die Ausgänge der Verzögerungsleitungen 51 durch eine Vielzahl von Analog-zu-Digital-Konvertern 52 in digitale Wörter konvertiert. Diese digitalen Wörter, die eine vorgegebene Umgebung des Eingangssignals repräsentieren, werden einem digitalen Prozessor 53 zugeführt. Der digitale Prozessor ist mit all den Registern, Datenbussen, Addierern/Subtrahierern, Multiplizierern/Dividierern als auch mit Zeitgeneratoren und geeigneten Befehlen - entweder in Software oder in Hardware - ausgestattet, so dass er in der Lage ist, den Ausgang eines nicht-kausalen Feedback- AGC-Modells nicht iterativ als eine nur von dem Eingangssignal abhängige explizite Funktion zu berechnen.
Die Ausführung dieser Funktion erfordert nur die vier arithmetischen Basisoperationen und kann durch die meisten der verfügbaren digitalen Prozessoren, wie dem TMS-320/C30 von Texas Instruments Inc., durchgeführt werden. Alternativ können die eingeschlossenen Berechnungen durch eine zentrale Prozessoreinheit (CPU) von jedem herkömmlichen Host-Computer, wie einem IBM/PC oder dgl., durchgeführt werden. In der semi-digitalen Ausführungsform wird der Prozessorausgang durch einen Digital-zu-Analog-Konverter (DAG) 54 gemäß Fig. 5 am Ende in ein analoges Signal zurückkonvertiert.
In einer voll digitalen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gemäß Fig. 6 wird das Eingangssignal abgetastet und mit einem Analog-zu-Digital-Konverter (ADC) 61 in eine Folge von digitalen Wörtern konvertiert, wobei diese Wörter in eine Vielzahl von digitalen Schieberegistern oder Speicherpuffern 62 eingestellt werden. Die Ausgänge der Schieberegister/Speicherpuffer werden einem digitalen Prozessor 63 zugeführt, wobei der Prozessor die Ausgabe des nicht- kausalen Feedback-AGC-Modells nicht iterativ nur als explizite Funktion des Eingabedatenwertes berechnet.
Um die Performance des vorliegenden Abgleich-Verstärkungsgerätes quantitativ zu demonstrieren, wurde ein synthetisches eindimensionales Treppeneingangssignal durch ein exaktes Computermodell des Abgleich-Verstärkers bearbeitet. Das Eingangssignal ist Kurve 71 in Fig. 7. Es besteht aus einer Reihe von 110 Datenwerten, deren Intensitäten in zehn gleichen Stufen von je 0,1 Volt verteilt sind und die insgesamt den Bereich zwischen 0 Volt und 1 Volt abdecken und über die Achse der Datenwerte gleich beabstandet sind. Die Antwort des Filters auf dieses Eingangssignals ist in Kurve 72 von Fig. 7 gezeigt. Es besteht aus einer Reihe von horizontalen flachen Zonen, die durch eine Reihe von Übergangszonen voneinander getrennt sind. Jede der Übergangszonen ist ein Dublett, das aus einem negativen Peak gefolgt von einem positiven Peak aufgebaut ist. Die flachen Zonen sind die Filterantworten zu den entsprechenden horizontalen Segmenten des Eingangssignals. Die Dubletts aus negativen und positiven Peaks sind die Geräteantworten auf die entsprechenden Übergänge, die zwischen den Stufen des Eingangssignals trennen.
Die Abgleichseigenschaften des vorliegenden Geräts kann aus den Werten der horizontalen Abschnitte des Ausgangssignals gewürdigt werden. Diese Werte sind auf einer asymptotischen Kurve angeordnet, die den Wert von 1 niemals übersteigen kann, unabhängig davon, wie groß das mittlere Niveau des Eingangssignals ist. Dies führt dazu, dass die dynamische Bereichskompressionsfähigkeit des vorliegenden Geräts für die mittleren Eingabe praktisch unbegrenzt ist. Die Verstärkungseigenschaft kann gemessen werden, wenn für jede Stufe des Ausgangssignals ein Quotient berechnet wird, der sich aus dem Verhältnis zwischen der Differenz der positiven und negativen Peaks des Dubletts und der Differenz zwischen den zwei horizontalen Niveaus ergibt, die auf beiden Seiten des Dubletts benachbart liegen. In Fig. 8 sind die Werte dieser Quotienten, wie aus Kurve 72 von Fig. 7 berechnet, für alle Stufen zwischen den Datenwerten 20 und 100 aufgetragen. Man kann die Tatsache würdigen, dass der Abgleich- Verstärkungsquotient, der aus dem Verhältnis zwischen der Geräteantwort auf lokale Änderungen und dessen Antwort zu dem Mittel ist, tatsächlich linear mit dem Mittel des Eingangssignals wächst.
Kurve 72 belegt ebenso klar den nicht-kausalen Charakter der vorliegenden Erfindung. Wäre das gestufte Eingangssignal mit Stufen, die mit der Zeit entweder hoch oder runter gehen, in den Filter entlang der Zeitachse eingeführt worden, wäre in jedem Fall die Hälfte der Übergangsdubletts der entsprechenden Stufe in der Zeit vorausgegangen. Umgekehrt würde die Antwort von jedem herkömmlichen kausalen Feedback-AGC nur ein einer positiven Eingangsstufe folgendes Überschießen und ein einer negativen Eingangsstufe folgendes Unterschießen zeigen.
Die gesamte obige Beschreibung und die Beispiele bevorzugter Ausführungsformen wurden zum Zweck der Illustration vorgesehen und beabsichtigen nicht, die Erfindung in irgendeiner Weise zu beschränken. Wie von einem Fachmann gewürdigt werden wird, können viele verschiedene Anordnungen für Abgleich- Verstärkungsgeräte der vorliegenden Erfindung vorgesehen und unterschiedliche Teile, Kombinationen und Anwendungen konstruiert werden, ohne den Bereich der Erfindung zu überschreiten.

Claims

1. Echtzeit-Abgleich-Verstärkungsvorrichtung mit:

einer Vielzahl von analogen Vervielfachern mit jeweils zwei Eingängen, von denen der erste Eingang ein abgetastetes Eingangssignal empfängt,

wenigstens einem mit einem Feedback-Widerstand versehenen Operationsverstärker, dessen Ausgang mit einem zweiten Eingang eines oder mehrerer der Vielzahl von Analogvervielfachern verbunden ist, und

einer Vielzahl von Summierwiderständen, die zwischen dem Ausgang von jedem Analogvervielfacher und dem Eingang des Operationsverstärkers angeschlossen sind;

Mitteln, die vorgesehen sind, um die Ausgänge der Vielzahl der Analogvervielfacher gemäß einer vordefinierten Kombinationsregel zu kombinieren, Mitteln, die auch dafür vorgesehen sind, die Kombination der Vervielfacherausgänge von vorbestimmten konstanten Vorspannungswerten abzuziehen und die Ergebnisse in die Eingänge der Analogvervielfacher zurückzuführen.

2. Echtzeit-Abgleich-Verstärkungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 mit:

einem Abtastschalter zum Zuführen von abgetasteten Datenwerten des Eingangssignals in eine Vielzahl von analogen Verzögerungsleitungen, entweder mit oder ohne Anschlüsse;

wobei jede analoge Verzögerungsleitung an einem Ende an den Abtastschalter und an dem anderen Ende an den ersten Eingang von einem der Vielzahl der Analogvervielfacher angeschlossen ist;

ferner mit: zusätzlichen Operationsverstärkern mit einem Feedback-Widerstand, wobei jeder Operationsverstärkerausgang an den Eingang von wenigstens einem Analogvervielfacher angeschlossen ist und wobei der Eingang jedes Operationsverstärkers an mehrere Analogvervielfacher über einen oder mehrere Summierwiderstände angeschlossen ist;

zusätzliche Summierwiderstände, die zwischen dem Ausgang jedes der Analogvervielfacher und dem Eingang des zusätzlichen Operationsverstärkers angeschlossen sind; und

einem Summierverstärker, um die Ausgänge der Vielzahl von Analogvervielfachern zu kombinieren, um das Ausgangssignal der Echtzeit-Abgleich- Verstärkungsvorrichtung zu erhalten.

3. Echtzeit-Abgleich-Verstärkungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 mit:

einer Vielzahl von Datenwert-Halteelementen, um die Datenwerte des Eingangssignals in zyklischer Reihenfolge dem ersten Eingang von jedem der Vielzahl der Analogvervielfacher zuzuführen;

genau einem Operationsverstärker mit Feedback-Widerstand, wobei der Operationsverstärker an jeden von einer Vielzahl von Analogvervielfachern angeschlossen ist und wobei der Ausgang des Operationsverstärkers an den Eingang aller Analogvervielfacher angeschlossen ist,

wobei die Vielzahl der Summierwiderstände zwischen dem Ausgang jedes der Analogvervielfacher und dem Eingang des Operationsverstärkers angeschlossen ist;

einer Vielzahl von analogen Schaltern, wobei jeder Schalter an den Ausgang von einem der Analogvervielfacher angeschlossen ist, um die Signaldatenwerte Speicherpuffermitteln zuzuführen.

4. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei deren Komponenten so dimensioniert sind, dass ein Input von gleichen, gleichmäßig beabstandeten Stufen, die der Vorrichtung zugeführt werden, in einer Filterantwort in Form von flachen Werten resultiert, die entlang einer monoton ansteigenden, sie mittelnden Kurve angeordnet sind, wobei die Kurve unabhängig von dem Eingangssignalniveau asymptotisch zu einem vorgegebenen konstanten Niveau ist, wobei die flachen Ausgabeniveaus durch Übergangszonen in Form von Dubletts voneinander getrennt sind, von denen jedes aus einem negativen Peak, der neben der niedrigeren Seite der Stufe erscheint, und einem positiven Peak, der neben der höheren Seite der Stufe erscheint, aufgebaut ist.

5. Vorrichtung zur Signalverarbeitung mit:

einer Echtzeit-Abgleich-Verstärkungsvorrichtung gemäß Anspruch 1,

einer an den Eingang der Echtzeit-Abgleich-Verstärkungsvorrichtung angeschlossene Analogabtast- und Speichervorrichtung zum Abtasten und Speichern von Datenwerten, die ein Eingangssignal repräsentieren,

einer an den Ausgang der Echtzeit-Abgleich-Verstärkungsvorrichtung angeschlossenen Analogabtast- und Speichervorrichtung zum Abtasten und Speichern von Datenwerten, die das Ausgangssignal repräsentieren.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Abtast- und Speichervorrichtung in zyklischer Reihenfolge arbeitet.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Abtast- und Speichervorrichtung analoge Schalter aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Abtast- und Speichervorrichtung einen analogen Speicher aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der analoge Speicher zusätzliche analoge Verzögerungsleitungen aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der analoge Speicher Charged Coupled Devices (CCD)-Verzögerungsleitungen aufweist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der analoge Speicher durch digitale Schieberegister oder Speicherpuffer ersetzt ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Abtast- und Speichervorrichtung Analog-zu-Digital-Konverter (ADCs) aufweist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Analogvervielfacherausgänge nach nicht rekursiven Algorithmen geschlossener Form digital berechnet werden.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die digitale Berechnung der Vervielfacherausgänge durch einen Host-Computer nach nicht rekursiven Algorithmen geschlossener Form durchgeführt wird.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die digital berechneten Vervielfacherausgänge mit einem Digital-zu-Analog-Konverter (DAC) in ein analoges Signal zurückkonvertiert werden.

16. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Echtzeit-Abgleich- Verstärkungsvorrichtung zusätzliche Analogvervielfacher aufweist.