FR2585203A1 - Systeme de reduction de la frequence d'echantillons numeriques - Google Patents
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Abstract
L'INVENTION CONCERNE UN DISPOSITIF DE REDUCTION DE LA FREQUENCE D'ECHANTILLONS NUMERIQUES POUR CONVERTIR UNE SEQUENCE D'ECHANTILLONS D'ENTREE A UNE FREQUENCE DONNEE EN UNE SEQUENCE D'ECHANTILLONS DE SORTIE A UNE FREQUENCE QUI EST EGALE AUX DEUX TIERS DE LA FREQUENCE DES ECHANTILLONS D'ENTREE ET OU LA MOITIE DES ECHANTILLONS SONT DES ECHANTILLONS INTERPOLES, LA MOITIE RESTANTE ETANT LES ECHANTILLONS D'ENTREE D'ORIGINE. SELON L'INVENTION, L'APPAREIL COMPREND UN MOYEN DE VERROUILLAGE 102, 104, 106, UN PREMIER MOYEN DE PRODUCTION D'UNE SEQUENCE D'ECHANTILLONS 110, ET UN SECOND MOYEN DE PRODUCTION D'UNE SEQUENCE D'ECHANTILLONS 122. L'INVENTION S'APPLIQUE NOTAMMENT A LA TELEVISION.
Description
La présente invention se rapporte à un appareil pour
réduire la fréquence d'échantillons d'un courant d'échan-
tillons numériques d'une fréquence d'origine à une fréquence inférieure, qui est égale aux deux tiers de la fréquence d'origine. Dans le domaine de la télévision, des efforts considérables ont été dirigés vers la mise sous forme numérique du signal vidéo couleur, le traitement des échantillons du signal vidéo sous forme numérique (a) pour séparer les composantes de chrominance et de luminance et (b) pour démoduler les composantes de chrominance en signaux respectifs sur bande de base, puis la reconversion
des échantillons numériques en signaux analogiques respec-
tifs pour leur application au tube-image de télévision pour la reproduction. La motivation de ces efforts vient du fait que la télévision numérique peut offrir un grand nombre de nouvelles caractéristiques, comme la visualisation d'une image arrêtée, des visualisations multi-images, des connexions directes à des amplificateurs paraboliques de satellites, et autres.La mise sous forme numérique est typiquement obtenue en échantillonnant lé signal vidéo analogique à une fréquence définie d'échantillonnage, qui
doit dépasser une fréquence minimale prédéterminée d'échan-
tillonnage afin de maintenir la qualité de la reproduction
dans des limites acceptables.
La fréquence minimale d'échantillonnage doit satis-
faire à ce qui est généralement connu comme le critère de Nyquist, qui nécessite que la fréquence d'échantillonnage soit au moins éqale au double de la largeur de bande du signal analogique d'intérêt. Dans le format NTSC du système de télévision en couleur, la largeur de bande souhaitable du signal est d'environ 4,2 MHz, nécessitant ainsi une fréquence d'échantillonnage supérieure à 8,4 MHz. Si la fréquence d'échantillonnage est supérieure à la valeur minimale donnée par le critère de Nyquist, alors on évite
le chevauchement des échantillons numériques.
Du fait de considérations de fonctionnement, il est avantageux d'échantilloner le signal vidéo couleur analogique
à un certain multiple entier de la fréquence de la sous-
porteuse couleur non modulée, que l'on appellera ci-après Fsc (3,58 MHz). La fréquence d'échantillonnage de 3 Fsc est
le plus petit multiple entier de la fréquence de sous-
porteuse couleur qui dépasse la condition de Nyquist.
Cependant, la fréquence d'échantillonnage de 3 Fsc impose certains inconvénients de fonctionnement dans les opérations lu de traitement du signal du téléviseur, comme la démodulation des composantes de chrominance en signaux respectifs sur bande de base. Il est par conséquent de pratique courante d'utiliser une fréquence d'échantillonnage qui est égale à 4 fois la fréquence de sous-porteuse couleur (4 Fsc) bien que cela ait pour résultat une fréquence bien plus importante d'échantillonnage que celle nécessitée par le critère de Nyquist. Après avoir mis sous forme numérique le signal vidéo couleur reçu et l'avoir décodé en ses composantes respectives sur bande de base, c'est-à-dire un signal de luminance (Y) et deux signaux de différence de couleurs (I et Q), par exemple, il peut être souhaitable de stocker les échantillons numériques dans une mémoire de trame ou d'image pour des raisons telles que le balayage progressif,
la réduction du bruit, des effets spéciaux, et autres.
A ce stade, il est possible de réduire la dimension de la mémoire en réduisant la fréquence d'échantillonnage des données stockées de 4 Fsc à un peu moins sans violer le
critère de Nyquist.
Selon l'invention, la fréquence d'échantillonnage du signal de luminance est réduitede 4 Fsc (c'est-à-dire 14,32 MHz) à (8/3) Fsc (c'est-à-dire 9, 55 MHz). Le choix des
deux tiers en tant que multiplicateur facilite non seule-
ment le processus de réduction de la fréquence d'échantil-
ions mais remplit également la condition de Nyquist selon laquelle la fréquence d'échantillons (8/3 Fsc ou 9,55 MHz) dépasse deux fois la plus haute fréquence du signal(8,2 MHz)
dans la bande de luminance.
La réduction de la fréquence d'échantillons pour chacune des composantes de chrominance (c'est-à-dire I et Q) peut être supérieure (comme un tiers ou un quart ou moins de la fréquence d'échantillons d'origine de 4 Fsc), car les largeurs de bande souhaitées pour les signaux de chrominance sont bien plus basses en comparaison au signal de luminance (c'est-à-dire 1,5 et 0,5 MHz, respectivement). A cette fin,
des circuits appropriés abaissant ou décimant les échantil-
lons peuvent être employés pour réduire les fréquences d'échantillons des composantes de chrominance. Les circuits spécifiques de réduction d'échantillons pour les signaux de
chrominance ne sont pas concernés par la présente invention.
L'appareil de réduction de la fréquence d'échantillors, selon cette invention, reçoit le courant d'échantillons
d'entrée et produit un courant d'échantillonsde sortie entre-
lacés, o la moitié des échantillons de sortie provient sans être altérée du courant d'échantillonsd'entrée et o l'autre moitié des échantillons de sortie est interpolée par rapport aux échantillons d'entrée d'origine, et dont la fréquence d'échantillons est égale aux deux tiers de la
fréquence des échantillons d'entrée.
Dans un mode de réalisation de cette invention, l'appareil de réduction de la fréquence des échantillons comprend un groupe de trois verrouillages qui sont reliés en série. Le courant d'échantillons d'entrée passe à travers ces verrouillages en réponse aux impulsions d'horloge à 4 Fsc d'accompagnement, pour ainsi rendre disponibles, séquentiellement, pour un interpolateur, des groupes successifs de quatre échantillons d'entrée. L'interpolateur produit, à sa sortie, un courant d'échantillons interpolés
en réponse aux impulsions d'horloge à (8/6) Fsc. Un commuta-
teur est alternativement couplé à la sortie de l'interpola-
teur et à la sortie du second des trois verrouillages à la fréquence de (8/6) Fsc pour fusionner les courants des
échantillons d'entrée interpolés et non altérés. Un -
quatrième verrouillage connecté à la sortie du commutateur et attaqué par les impulsions d'horloge à (8/3) Fsc produit un courant d'échantillons de sortie dont la fréquence d'échantillons est égale aux deux tiers de la fréquence d'échantillons du courant d'échantillons d'entrée, et o la moitié des échantillons de sortie sont interpolés et l'autre moitié est formée des échantillons d'entrée
non altérés.
Un avantage du premier appareil pour la production d'un courant entrelacé de sortie réside dans le fait que les coefficients employés pour l'estimation des échantillons interpolés ne changent pas d'un cycle à l'autre, car la position relative ou la cadence des échantillons interpolés reste fixe relativement aux échantillons respectifs d'entrée. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci
apparaîtront plus clairement au cours de la description
explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant plusieurs modes de réalisation de l'invention et dans lesquels: - la figure 1 donne un schéma bloc fonctionnel d'un circuit de traitement des signaux numériques employé pour
réduire la fréquence d'échantillons d'un courant d'échan-
tillons d'entrée d'une fréquence d'origine à une fréquence plus faible qui est égale aux deux tiers de la fréquence d'origine selon les principes de la présente invention; - la figure 2 montre un circuit pour convertir un
courant d'impulsions d'horloge à 4Fsc en un courant d'impul-
sionsd'horloge à (8/3) Fsc et qui est approprié à une utilisation avec le circuit de réduction de la fréquence d'échantillons de la figure 1; - les figures 3 et 4 sont des circuits, appropriés à une utilisation avec le circuit de réduction de la fréquence d,'éQhan,tillons de la figure 1, pour produire des signaux " ee s praduiïamt- I une fréquence de (8/6) Fsc; et les figures 5-8 sont des formes d'onde d'impulsions
associées auxcircuits des figures 1-4 respectivement.
La figure 1 montre l'appareil 100 de réduction de la fréquence d'échantillons numériques selon l'invention. La figure 5 montre les formes d'onde associées. Pour la figure 1, on peut noter que les échantillons d'entrée et de sortie sont des échantillons binaires multibits de bits en parallèle (comme 8 bits) et que les lignes d'interconnexion A-G, les verrouillages, et autres,sont tous des agencements multibits en parallèle. Pour la figure 5, on peut noter que les horloges Fsc et 4 Fsc sont les horloges du système dans un système d'échantillonnage à 4 Fsc et que le circuit de l'invention développe les horloges restantes-(8/3)Fsc, (8/3) Fsc, (8/6) Fsc et (8/6) F'sc à partir des horloges du système. La lettre A sur la figure 5 indique une séquence d'échantillons d'entrée dans un système d'échantillonnage à 4 Fsc. Les points dans la séquence d'échantillons A
indiquent les points o sont pris les échantillons respectifs.
Les valeurs des échantillons sont cependant présentes sur la ligne A de la figure 1 pour la totalité de la période d'horloge à 4 Fsc. Les lignes d'interconnexion A-G sur la
figure 1 correspondent aux séquences A-G sur la figure 5.
Le présent appareil de réduction de la fréquence d'échantillons produit une séquence G d'échantillons de sortie dont la fréquence d'échantillons est égale aux deux tiers de la
fréquence d'échantillons d'entrée de 4 Fsc.
Le présent appareil de réduction de la fréquence d'échantillons 100 comprend un groupe de trois verrouillages
102, 104 et 106 qui sont reliés les uns aux autres en série.
La séquence d'échantillons d'entrée se produisant à la fréquence de 4 Fsc, et disponible à une borne d'entrée 108, est introduite à travers les verrouillages 102, 104 et 106, agissant sous la forme d'une ligne à retard à registre à décalage à trois étages, en réponse aux impulsions d'horloge associées à 4 Fsc. Les sorties des verrouillages 102, 104, et 106 sur les lignes 8, C et D associées sont respectivement
identifiées par les séquences B, C et D sur la figure 5.
Tandis que la séquence d'échantillons d'entrée est introduite à travers les verrouillages 102, 104 et 106, les groupes successifs de quatre échantillons d'entrée sont simultanément rendus disponibles, à un interpolateur cubique à quatre
entrées 110 sur des lignes A, B, C et D respectivement.
L'interpolateur cubique 110 produit, sur la ligne de sortie E, un courant d'échantillons interpolés, indiqué par la lettre E sur la figure 5, selon l'équation: I = -(1/16) XA + (9/16) XB + (9/16) XC - (1/16) XD, en réponse à un signal d'horloge dont les impulsions se présentent à la fréquence de (8/6) Fsc avec une durée utile de 16%. La fréquence d'échantillons à (8/6) Fsc à la sortie de l'interpolateur 10 est égale à la moitié de la fréquence souhaitée de la séquence d'échantillons de sortie qui est de (8/3) Fsc. Bien qu'un interpolateur cubique soit illustré ici, toute forme appropriée d'interpolateur, tel qu'un interpolateur linéaire, peut être utiliséeà sa place pour calculer les échantillons interpolés. La forme spécifique de l'interpolateur 110 n'a pas d'importance dans
le cadre de la présente invention. La sortie de l'interpola-
teur 110 est appliquée à une borne d'entrée 120 d'un commu-
tateur (tel qu'un transistor ou multiplexeur) 122. La séquence d'échantillons apparaissant à la sortie du second verrouillage 104, et indiquée par la lettre C sur la figure , est appliquée à une seconde borne d'entrée 124 du commu-
tateur 122.
Le commutateur 122 applique alternativement les valeurs à ses deux bornes d'entrée 120 et 122 à sa borne de sortie 126 en réponse à un signal d'horloge ayant des impulsions qui se présentent à la fréquence de (8/6) Fsc mais avec une durée utile de 50%, indiquée par (8/6) F'sc sur les figures 1 et 5. Les valeurs d'échantillons apparaissant à la borne de sortie 126 du commutateur 124 sont montrées par la
lettre F sur la figure 5.
Un verrouillage 130 relié à la borne de sortie 126 du commutateur, est déclenché par un signal d'horloge (8/3) Fsc, produit une séquence d'échantillons de sortie, indiquée par la lettre G sur la figure 5, o la moitié des échantillons sont des échantillons interpolés et l'autre moitié est formée des échantillons d'entrée d'origine, et ob les échantillons se produisent à la fréquence de 8/3 Fsc
(ou deux tiers de 4 Fsc).
Sur la figure 5, on peut noter que l'échantillon interpolé I1, produit au flanc montant des impulsions d'horloge à (8/6) Fsc,est calculé à partir des échantillons d'entrée X2, X3, X4 et X5, avec une pondération égale de X2 et X5 et également de X3 et X4 de façon que I1 ait une valeur qui est appropriée pour un échantillon dont le temps se trouve exactement à michemin entre X2 et X5 et également entre X3 et X4 dans la séquence de sortie. De même, l'échantillon interpolé I2, déclenché par le flanc montant des impulsions d'horloge à (8/6) Fscjest calculé à partir des échantillons d'entrée X5 à X8 et a une valeur qui est appropriée à un échantillon qui se trouve à mi-chemin entre X5et X8 (et également entre X6 et X7)dans la séquence de sortie, et ainsi de suite. Comme on l'a précédemment mentionné, les coefficients utilisés pour déterminer les valeurs interpolées I, I2... ne changent pas, car la cadence relative des valeurs interpolées reste inchangée
relativement aux échantillons associés d'entrée.
La figure 2 montre un circuit 150 utilisé pour produire les impulsions d'horloge à (8/3) Fsc à partir d'un signal d'horloge à 4 Fsc. Les formes d'onde l'accompagnant sont illustrées sur la figure 6. Le circuit de la figure 2 comprend une porte OU exclusif 152 à deux entrées et une paire de bascules 154 et 156 qui sont reliées en série comme on peut le voir. Les impulsions d'horloge à 4 Fsc sont appliquées à l'une des deux entrées de la porte OU exclusif 152. La sortie de la seconde bascule 156 est
réappliquée à l'autre entrée de la porte OU exclusif 152.
Les impulsions d'horloge à 8/3 Fsc sont dérivées à la sortie de la première bascule 154. Un inverseur 158 relié à la sortie de la première bascule 154 produit les impulsions d'horloge à (8/3) Fsc pour application au verrouillage 130. Un circuit 170 pour produire les impulsions d'horloge à (8/6) Fsc est montré sur la figure 3. Le circuit 170 comprend une porte OU exclusif 172 et une porte ET 174
qui sont reliées comme-cela est illustré sur la figure 3.
Les formes d'onde associées au circuit de la figure 3 sont montrées sur la figure 7. Les impulsions d'horloge à 4 Fsc et (8/3) Fsc sont appliquées aux première et seconde entrées de la porte OU exclusif 172, respectivement. La sortie de la porte OU exclusif 172 est appliquée à l'une des entrées de la porte ET 174. Les impulsions d'horloge à (8/3) Fsc sont appliquées à l'autre entrée de la porte ET 174. Les impulsions d'horloge à (8/6) Fsc, d'une durée utile de 16%, sont produites à la sortie de la porte ET 174
pour application à l'interpolateur 110.
La figure 4 montre un circuit 190 pour produire un signal d'horloge ayant des impulsions se produisant à la
fréquence de (8/6) Fsc et dont la durée utile est de 50%.
Les formes d'onde correspondantes sont données sur la figure 8. Le circuit de la figure 4 comprend une porte ET 192, une porte OU 192 et une bascule 196, qui sont connectées comme cela est représenté. Les impulsions d'horloge à (8/3) Fsc sont appliquées à l'une des entrées de la porte ET 192. La sortie de la bascule 196 est inversée par un inverseur 198 et est appliquée à l'autre entrée de la porte ET 192.La sortie de la porte ET 192 est appliquée à la première entrée de la porte OU 194. Les impulsions d'horloge à (8/6) Fsc sont appliquées à la seconde entrée de la porte OU 194. La sortie de la porte OU 194 est appliquée à la bascule 196. Les impulsions d'horloge à (8/6) F'sc, d'une durée utile de 50%, sont produites à la
sortie de la bascule 196 pour application au commutateur 122.
Des modifications sont possibles dans le cadre de l'invention. Par exemple, moins de trois verrouillages peuvent être employés dans le circuit de la figure 1 avec
un interpolateur ayant moins de quatre entrées.
RE V E N D I CA T I 0 N S
1. Appareil de réduction de la fréquence d'échantillons numériques pour convertir une séquence d'échantillons d'entrée à une fréquence donnée en une séquence d'échantillons de sortie se présentant à une fréquence qui est égale aux deux tiers de la fréquence des échantillons d'entrée et o la moitié des échantillons sont des échantillons interpolés et la moitié restante est formée des échantillons d'entrée d'origine; ledit appareil étant caractérisé par: un moyen de verrouillage (102, 104, 106) o est introduite ladite séquence d'échantillons d'entrée en réponse à l'application d'un premier signal d'horloge en synchronisme avec et ayant la même fréquence que ladite séquence d'échantillons d'entrée;
un premier moyen de production de séquence d'échantil-
lons (110), comprenant un moyen d'interpolation qui est relié audit moyen de verrouillage et qui est attaqué par un second signal d'horloge se présentant à un tiers de la fréquence d'échantillons d'entrée, pour produire, à sa sortie, une séquence d'échantillons interpolés se présentant à la moitié de ladite fréquence d'échantillons de sortie; et un second moyen produisant une séquence d'échantillons (122), comprenant un moyen de commutation sélectivement couplé audit moyen d'interpolation et audit moyen de verrouillage et attaqué par un troisième signal d'horloge se présentant à un tiers de ladite fréquence d'échantillons d'entrée, pour produire, à sa sortie, ladite séquence d'échantillons de sortie se présentant aux deux tiers de la fréquence d'échantillons d'entrée, et o la moitié des échantillons est formée d'échantillons interpolés et la moitié restante est formée d'échantillons d'entrée non altérés. ll 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen précité d'interpolation (110) a un groupe de quatre entrées; le moyen de verrouillage comprend une série de trois verrouillages (102, 104, 106) qui sont reliés en série et qui forment une ligne à retard à registre à décalage à trois étages; la séquence d'échantillons d'entrée étant introduite à travers ledit groupe de trois verrouillages en réponse à l'application du premier signal d'horloge se présentant à la fréquence d'échantillons d'entrée pour rendre séquentiellement disponibles, pour ledit moyen d'interpolation, des groupes successifs de quatre échantillons d'entrée pour le calcul des échantillons interpolés. 3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen précité de commutation (122) dérive les échantillons non altérés d'entrée de la sortie du second
du groupe de trois verrouillages.
4. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le second moyen produisant une séquence d'échantillons précité comprend: un commutateur (122),relié au premier moyen de verrouillage précité et au moyen d'interpolation précité, pour insérer sélectivement les échantillons non altérés d'entrée dans la séquence d'échantillons interpolés en réponse au troisième signal d' horloge se présentant à la moitié de la fréquence d'échantillons de sortie; et un verrouillage (130) relié audit commutateur et attaqué par un quatrième signal d'horloge se produisant aux deux tiers de la fréquence d'échantillons d'entrée, pour produire la séquence d'échantillons de sortie o la moitié des échantillons sont transmis sans être altérés et l'autre
moitié des échantillons est interpolée.
5. Appareil selon la revendication 4, du type o le second moyen produisant une séquence d'échantillons comprend de plus un moyen pour convertir le premier signal d'horloge se présentant à la fréquence d'échantillons d'entrée en quatrième signal d'horloge se présentant aux
deux tiers de la fréquence d'échantillons d'entrée; caracté-
risé en ce qu'il comprend: une porte OU exclusif (152) ayant une paire d'entrées; l'une desdites entrées de ladite porte OU exclusif recevant ledit premier signal d'horloge; une paire de bascules (154, 156) reliées en série; la sortie de ladite porte OU exclusif étant appliquée à l'entrée de la première bascule; la sortie de la première bascule étant appliquée à l'entrée de la seconde des
bascules; et la sortie de la seconde bascule étant réappli-
quée à l'autre des entrées de la porte OU exclusif; et un moyen (158) pour inverser la sortie de la première bascule pour produire le quatrième signal d'horloge se présentant aux deux tiers de la fréquence d'échantillons d'entrée. 6. Appareil selon la revendication 5, du type o le premier moyen produisant une séquence d'échantillons comprend de plus un moyen pour produire le second signaI d'horloge qui se produit à la moitié de la fréquence d'échantillons de sortie, caractérisé en ce qu'il comprend: une seconde porte OU exclusif (172) ayant une paire d'entrée; l'une desdites entrées de ladite seconde porte OU exclusif recevant ledit premier signal d'horloge se présentant à la fréquence d'échantillons d'entrée; l'autre desdites entrées de ladite porte OU exclusif recevant la sortie de la première bascule qui se présente aux deux tiers de la fréquence d'échantillons d'entrée; et 3G, une porte ET (174) ayant une paire d'entrées; l'une desdites entrées de la porte ET recevant la sortie de la première bascule qui se présente aux deux tiers de la fréquence des échantillons d'entrée; l'autre des entrées de la porte ET recevant la sortie de la seconde porte OU exclusif; le second signal d'horloge à la moitié de la fréquence d'échantillons de sortie étant prélevé à la sortie
de ladite porte ET.
7. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que le second moyen produisant une séquence d'échantillons comprend de plus un autre moyen pour produire le troisième signal d'horloge qui se présente également à la moitié de la fréquence d'échantillons d'entrée; ledit troisième moyen générateur de signaux d'horloge comprenant: une seconde porte ET (192) ayant une paire d'entrées; l'une desdites entrées de ladite seconde porte ET recevant la sortie de la première bascule se présentant aux deux tiers de la fréquence d'échantillons d'entrée; une porte OU (194) ayant une paire d'entrées; l'une desdites entrées de ladite porte OU recevant le second signal d'horloge à la sortie de ladite première porte ET; l'autre entrée de la porte OU recevant la sortie de ladite seconde porte ET; et une troisième bascule (196) ayant son entrée couplée à la sortie de ladite porte OU, et ayant sa sortie inversée et réappliquée à l'autre entrée de ladite seconde porte ET; la sortie de ladite troisième bascule produisant ledit troisième signal d'horloge se présentant à la moitié
de la fréquence d'échantillons de sortie.
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