DE3930085C2 - Process for the digital transmission of a signal - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur digitalen Übertragung eines Signals nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention is based on a method for digital Transmission of a signal according to the generic term of Claim 1.

Die Umwandlung eines analogen Signals in ein digitales Signal durch einen Zeitselektiven Abtastvorgang kann als eine Multiplikation des analogen Signals mit einem Abtastsignal aufgefaßt werden. Dabei findet eine Vervielfachung des analogen Spektrums an Trägern statt, die mit einem Vielfachen der Frequenz des Abtastsignals auftreten. Ist die Frequenzbandbreite des analogen Signals nicht auf die Hälfte der Frequenz des Abtastsignals begrenzt, kommt es zu störenden Überlappungen im Frequenzspektrum, die als Alias-Störungen bezeichnet werden. Aus diesem Grund wird vor einer A/D-Wandlung eine Vorfilterung des analogen Signals mit einem Tiefpaßfilter vorgeschrieben. Die Frequenzbandbreite (f_g) des Tiefpaßfilters richtet sich nach der Abtastfrequenz (f_s).The conversion of an analog signal into a digital signal by a time-selective sampling process can be understood as a multiplication of the analog signal by a sampling signal. The analog spectrum is multiplied on carriers which occur at a multiple of the frequency of the scanning signal. If the frequency bandwidth of the analog signal is not limited to half the frequency of the scanning signal, there are disruptive overlaps in the frequency spectrum, which are referred to as alias interference. For this reason, pre-filtering of the analog signal with a low-pass filter is prescribed before an A / D conversion. The frequency bandwidth (f _g ) of the low-pass filter depends on the sampling frequency (f _s ).

Nach einer digitalen Übertragung, welche z. B. auch einen digitalen Signalverarbeitungsprozeß oder einen magnetischen Aufzeichnungs- und Wiedergabebetrieb einschließen kann, erfolgt eine Rekonstruktion des übertragenen und D/A-gewandelten Signals durch eine Nachfilterung mit einem weiteren Tiefpaßfilter. Maßgebend für die Grenzfrequenz des weiteren Tiefpaßfilters ist neben der sin(x)/x-Funktion des D/A-Wandlers auch hier die Frequenz des Abtastsignals.After a digital transmission, which, for. B. also one digital signal processing or a magnetic Recording and playback operation can include takes place a reconstruction of the transmitted and D / A converted  Signal by post-filtering with another Low pass filter. Relevant for the cut-off frequency of the further Low pass filter is next to the sin (x) / x function of the D / A converter here too the frequency of the scanning signal.

Für den Amplitudenfrequenzgang der beiden Tiefpaßfilter genügt nach der Theorie ein Durchlaßbereich, der im Frequenzbereich von 0 Hertz bis zur Grenzfrequenz (f_g) hin geradlinig verläuft. Außerhalb des Durchlaßbereiches sollen die beiden Tiefpaßfilter vollständig sperren. In der Praxis sind derart steilflankige Tiefpaßfilter nicht mit vertretbarem Aufwand herzustellen.According to the theory, a pass band is sufficient for the amplitude frequency response of the two low-pass filters, which runs in a straight line in the frequency range from 0 Hertz to the cut-off frequency (f _g ). Outside of the pass band, the two low-pass filters should block completely. In practice, such steep-sided low-pass filters cannot be produced with reasonable effort.

Ferner ist aus der DE 37 07 244 A1 ein Verfahren zur digitalen Übertragung von Hörrundfunksignalen bekannt, bei dem die Signale bandbegrenzt sendeseitig analog/ digital-gewandelt und empfangsseitig wieder digital/analog-rückgewandelt werden. Hierbei ist zur Umwandlung von empfangenen Ukw-Hörrundfunksignalen in Ton- Basisbandsignale ein Empfangsumsetzer vorgesehen, in welchem das Eingangssignal in ein Zwischenfrequenzsignal umgesetzt und bandbegrenzt wird bevor es als Basis­ bandsignal A/D-gewandelt wird. Das digitale Basisbandsignal wird nach der Über­ tragung empfangsseitig in analoge Ukw-Hörrundfunksignale rückumgesetzt wird.Furthermore, DE 37 07 244 A1 describes a method for the digital transmission of Radio broadcasting signals are known, in which the signals are band-limited analog / digitally converted and digitally / analogously converted back at the receiving end. Here is to convert received FM radio signals into audio Baseband signals a receive converter is provided, in which the input signal is converted into an intermediate frequency signal and band limited before it is used as a basis band signal is converted A / D. The digital baseband signal is after the over transmission is converted back into analogue FM radio broadcast signals at the receiving end.

Aus der US-Zeitschrift "SMPTE-Journal", Okt. 1981, S. 949 bis 955 ist ein Verfahren zur Verbesserung der subjektiven Bildqualität von digitalen Fernsehsignalen bekannt, bei welchem mehrere Filter mit zur Grenzfrequenz unterschiedlich abfallendem Amplitudenfrequenzgang in den Übertragungsweg eingefügt sind. Die verschiedenen Filtercharakteristiken vermindern zwar Störungen bei Helligkeitssprüngen in Fernsehsignalen, der Filteraufwand ist jedoch nach wie vor erheblich. Außerdem weist dieses bekannte Verfahren den Nachteil auf, daß bei einer Reihenschaltung mehrerer A/D- und D/A-Wandler die vorliegenden Frequenzgangfehler im Durchlaßbereich der Filter addiert werden. Dies trifft insbesondere auf einfache Filter mit kleiner Ordnungszahl zu, z. B. bei Tschebycheff- und Butterworth-Filter, deren Durchlaßbereich sehr steil in den Sperrbereich übergeht. Diese Eigenschaft wird jedoch durch eine größere Welligkeit im Durchlaßbereich dieser Tiefpaßfilter erkauft.From the US magazine "SMPTE-Journal", Oct. 1981, pp. 949 to 955 is a method of improving the subjective Image quality of digital television signals known, in which several filters with different from the cutoff frequency declining amplitude frequency response in the transmission path are inserted. The different filter characteristics reduce disturbances in brightness jumps in TV signals, however, the filter effort is still considerably. In addition, this known method has the Disadvantage that with a series connection of several A / D and D / A converter the frequency response errors in the Passband of the filters can be added. This is true especially towards simple filters with a small atomic number, e.g. B. with Tschebycheff and Butterworth filters, whose Passband passes very steeply into the restricted area. These However, the property is characterized by greater ripple in the Passband of these low-pass filters bought.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren nach der eingangs genannten Art anzugeben, welches die Verwendung einfacher Filter mit größerer Amplitudenwelligkeit im Durchlaßbereich erlaubt.The present invention is based on the object Specify the method according to the type mentioned at the beginning, which one the use of simple filters with larger ones Amplitude ripple allowed in the pass band.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. This task is carried out in the characterizing part of the Features specified claim 1 solved.  

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat den Vorteil, daß auf einfachere und damit billigere Tiefpaßfilter zurückgegriffen werden kann. Damit verbunden kann auf die den Tiefpaßfiltern üblicherweise nachgeschalteten Allpaßfilter zur Glättung des Gruppenlaufzeitgangs verzichtet werden.The inventive method with the characteristic Features of claim 1 has the advantage that simpler and therefore cheaper low-pass filters can be. Associated with that on the low pass filters usually downstream all-pass filter to smooth the Group runtime can be waived.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Patentanspruch 1 angegebenen Verfahrens möglich.By the measures listed in the subclaims advantageous further developments and improvements of the Claim 1 specified method possible.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:An embodiment of the invention is in the drawing shown and in the following description explained. Show it:

Fig. 1 das Blockschaltbild einer digitalen Übertragungseinrichtung, Fig. 1 is a block diagram of a digital transmission device,

Fig. 2 den normierten Frequenzgang eines Tiefpaßfilters zur Vorfilterung, Fig. 2 shows the normalized frequency response of a low pass filter for pre-filtering,

Fig. 3 den normierten Frequenzgang eines Tiefpaßfilters zur Nachfilterung und Fig. 3 shows the standardized frequency response of a low-pass filter for post-filtering and

Fig. 4 den resultierenden normierten Frequenzgang von Tiefpaßfiltern zur Vor- und Nachfilterung. Fig. 4 shows the resulting normalized frequency response of low-pass filters for pre- and post-filtering.

In dem Blockschaltbild der Fig. 1 wird über eine Klemme 1 ein analoges Signal zur Frequenzbandbegrenzung einem Tiefpaßfilter 2 zugeführt. Die Grenzfrequenz f_g des Tiefpaßfilters 2 ist so ausgelegt, daß das Shannon-Abtastgesetz für Spektren eingehalten wird. In dem vorliegenden Fall soll sich die durch die Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters 2 bestimmte Signalbandbreite und die Abtastfrequenz f_s eines an einer Klemme 3 zugeführten Abtastsignals entsprechend dem Verhältnis 2 f_g < = f_s verhalten. Das über die Klemme 3 zugeführte Abtastsignal dient zur Steuerung eines A/D-Wandlers 4, der das tiefpaßgefilterte analoge Signal zeitselektiv abgetastet, quantisiert und codiert.In the block diagram of FIG. 1, an analog signal for frequency band limitation is fed to a low-pass filter 2 via a terminal 1 . The cut-off frequency f _{g of} the low-pass filter 2 is designed so that the Shannon scanning law for spectra is observed. In the present case, the signal bandwidth determined by the cut-off frequency of the low-pass filter 2 and the sampling frequency f _{s of} a sampling signal fed to a terminal 3 should behave in accordance with the ratio 2 f _g <= f _s . The scanning signal supplied via terminal 3 is used to control an A / D converter 4 , which scans, quantizes and encodes the low-pass filtered analog signal in a time-selective manner.

Es sei angenommen, daß das am Ausgang des A/D-Wandlers 4 in digitaler Form abnehmbare Signal einer Übertragungsstrecke 5 zugeführt wird, die aus dem magnetischen Aufzeichnungs- und Wiedergabekanal eines digitalen Videomagnetbandgerätes besteht.It is assumed that the signal which can be taken off in digital form at the output of the A / D converter 4 is fed to a transmission link 5 which consists of the magnetic recording and reproducing channel of a digital video tape recorder.

Das wiedergabeseitig empfangene digitale Signal wird mit einem D/A-Wandler 6 in ein analoges Signal zurückgewandelt und zu einem Tiefpaßfilter 7 zur Nachfilterung weitergeleitet. Das Tiefpaßfilter 7 ist üblicherweise an die Übertragungsfunktion des D/A-Wandlers 6 angepaßt und weist daher einen sin(x)/x-Verlauf des Amplitudenfrequenzgangs auf. An einer Ausgangsklemme 7 des Tiefpaßfilters 7 ist ein rekonstruiertes Analogsignal abnehmbar, welches frequenz- und zeitmäßig dem eingangsseitigen analogen Signal entspricht, wenn ideale Tiefpaßfilter mit einem rechteckförmigen Übergang zwischen Durchlaß- und Sperrbereich und linearem Amplituden- und Phasenverlauf im Durchlaßbereich verwendet werden.The digital signal received on the reproduction side is converted back into an analog signal with a D / A converter 6 and passed on to a low-pass filter 7 for post-filtering. The low-pass filter 7 is usually adapted to the transfer function of the D / A converter 6 and therefore has a sin (x) / x curve of the amplitude frequency response. At an output terminal 7 of the low-pass filter 7 , a reconstructed analog signal can be removed, which corresponds in frequency and time to the analog signal on the input side when ideal low-pass filters with a rectangular transition between pass band and stop band and linear amplitude and phase curve in the pass band are used.

Wie eingangs erwähnt, können derartige ideale Filter mit vertretbarem Aufwand nicht hergestellt werden. Selbst aufwendige Tiefpaßfilter weisen im Durchlaßbereich Welligkeiten auf, die bei einem mehrmaligen Kopieren von Videosignalen mit einem digitalen Videomagnetbandgerät zu erheblichen Störungen in einem wiedergegebenen Fernsehbild führen können. Insbesondere bei einem Editieren von Videosignalen, bei welchem beispielsweise 20 Generationen eines Original-Videosignals gezogen werden, findet eine Akkumulierung von Fehlern statt, deren Ursache in der Welligkeit im Amplitudenfrequenzgang der zur Vor- und Nachfilterung vorgesehenen Tiefpaßfilter zu sehen ist.As mentioned at the beginning, such ideal filters can be used reasonable effort can not be produced. Self elaborate low-pass filters have ripples in the pass band when copying video signals several times with a digital video magnetic tape recorder causing significant interference can lead in a reproduced television picture. Especially when editing video signals, in which for example 20 generations of an original video signal errors are accumulated, whose cause is the ripple in the amplitude frequency response low-pass filter provided for pre- and post-filtering is.

Erfindungsgemäß werden die zur Vor- und Nachfilterung vorgesehenen Tiefpaßfilter 2 und 7 so ausgelegt, daß sich deren Ordnungszahlen (Grad) um 1 unterscheiden. Im Fall, daß das Tiefpaßfilter 2 eine Ordnungszahl von n = 4 aufweist, ist das Tiefpaßfilter 7 so zu bemessen, daß dessen Ordnungszahl entweder n = 3 oder n = 5 beträgt. Außerdem wird die normierte Frequenz eines der Tiefpaßfilter mit einem geeigneten Faktor k multipliziert, damit die "Berge" im Amplitudenfrequenzgangverlauf des einen Filters den "Tälern" im Amplitudenfrequenzgangerlauf des anderen Filters entsprechen. According to the invention, the low-pass filters 2 and 7 provided for pre- and post-filtering are designed so that their atomic numbers (degrees) differ by 1. In the event that the low-pass filter 2 has an ordinal number of n = 4, the low-pass filter 7 is to be dimensioned such that its ordinal number is either n = 3 or n = 5. In addition, the normalized frequency of one of the low-pass filters is multiplied by a suitable factor k, so that the "peaks" in the amplitude frequency response curve of one filter correspond to the "valleys" in the amplitude frequency response curve of the other filter.

Dabei ist so vorzugehen, daß die Echodämpfung (Welligkeit) der beiden Filter im wesentlichen gleich gewählt wird.The procedure is such that the echo attenuation (ripple) of the the two filters are chosen essentially the same.

Die in den Fig. 2, 3 und 4 angegebenen normierten Frequenzgänge mögen diesen Sachverhalt verdeutlichen. Dazu sei angenommen, daß aus dem Buch von G. Pfitzenmaier "Tabellenbuch Tiefpässe", Siemens AG, Berlin, 1971, für die Vorfilterung ein Tschebycheff-Tiefpaßfilter gewählt wird, dessen Ordnungszahl n = 4 und dessen Echodämpfung 13 dB beträgt. Als Tiefpaßfilter 7 wird ebenfalls ein Tschebycheff-Filter mit 13 dB Echodämpfung gewählt, dessen Ordnungszahl jedoch 5 beträgt. In den Fig. 2, 3 und 4 sind auf der Ordinate die Amplitudendämpfung a_b und auf der Abszisse die normierte Frequenz Ω aufgetragen. Die Fig. 2 zeigt dabei den entsprechenden Verlauf der Welligkeit im Durchlaßbereich des zur Vorfilterung vorgesehenen Tiefpaßfilters 2 und die Fig. 3 den entsprechenden Welligkeitsverlauf im Durchlaßbereich des zur Nachfilterung vorgesehenen Tiefpaßfilters 7. Durch eine Multiplikation mit dem Faktor k = 1,14 wird die Skalierung des normierten Frequenzgangs Ω für den zur Nachfilterung vorgesehenen Tiefpaßfilter 7 derart gedehnt, daß Minima und Maxima im Verlauf der Welligkeiten der beiden Filter 2 und 7 einander entsprechen, so daß resultierend eine geglättete Übertragungscharakteristik am Ende des Übertragungssystems entsteht. Die resultierende Echodämpfung beträgt nur wenige Prozent der einzelnen Echodämpfungen. Die mit dieser Kompensation einhergehende Einfügungsdämpfung kann durch eine lineare Verstärkung auf der Übertragungsstrecke aufgefangen werden.The normalized frequency responses indicated in FIGS. 2, 3 and 4 may clarify this fact. For this purpose, it is assumed that a Tschebycheff low-pass filter is selected from the book by G. Pfitzenmaier "Table book low pass", Siemens AG, Berlin, 1971, the order number n = 4 and the echo attenuation is 13 dB. A Tschebycheff filter with 13 dB echo attenuation is also selected as the low-pass filter 7 , but its atomic number is 5. In Figs. 2, 3 and 4, the amplitude attenuation are a _b plotted on the abscissa and the normalized frequency Ω on the ordinate. Fig. 2 shows the corresponding course of the ripple in the pass band of the low-pass filter provided for prefiltering 2 and Fig. 3 the corresponding Welligkeitsverlauf in the passband of the low-pass filter is provided for post-filtering. 7 By multiplying by the factor k = 1.14, the scaling of the standardized frequency response Ω for the low-pass filter 7 provided for post-filtering is expanded such that minima and maxima in the course of the ripples of the two filters 2 and 7 correspond to one another, so that a smoothed result Transmission characteristics arise at the end of the transmission system. The resulting echo attenuation is only a few percent of the individual echo attenuations. The insertion loss associated with this compensation can be compensated for by linear amplification on the transmission link.

Claims (3)

1. Verfahren zur digitalen Übertragung eines Signals, bei dem senderseitig ein ana­ log vorliegendes Signal mit einem ersten Tiefpaßfilter frequenzbandbegrenzt und mit einem A/D-Wandler in ein digitales Signal umgewandelt wird und bei dem empfan­ gerseitig das digitale Signal mit einem D/A-Wandler in ein analoges Signal zurück­ gewandelt und nachfolgend mit einem zweiten Tiefpaßfilter nachgefiltert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Tiefpaßfilter (2) eine erste Ordnungszahl (n) aufweist, von der sich die zweite Ordnungszahl (n+ 1 bzw. n-1) des zweiten Tiefpaßfilters (7) um 1 unterschei­ det.1. Method for the digital transmission of a signal in which an analog signal with a first low-pass filter is frequency-band-limited and converted into a digital signal with an A / D converter, and with the receiver side the digital signal with a D / A- Converter converted back into an analog signal and subsequently filtered with a second low-pass filter, characterized in that the first low-pass filter ( 2 ) has a first ordinal number (n), from which the second ordinal number (n + 1 or n-1) of the second low-pass filter ( 7 ) by 1 different det. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein normierter Frequenzgangverlauf eines der Filter (2 oder 7) mit einem Faktor (k) derart multipliziert wird, daß die Minima und Maxima im Echodämpfungsverlauf der beiden Filter einen komplementären Verlauf zueinander aufweisen.2. The method according to claim 1, characterized in that a standardized frequency response curve of one of the filters ( 2 or 7 ) is multiplied by a factor (k) such that the minima and maxima in the echo attenuation curve of the two filters have a complementary curve to one another. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefpaßfilter (2, 7) unterschiedlicher Ordnungszahl in einem Magnetband­ gerät zur digitalen Aufzeichnung und Wiedergabe von Videosignalen eingesetzt werden.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the low-pass filter ( 2 , 7 ) different ordinal number in a magnetic tape device for digital recording and playback of video signals are used.