DE69113522T2

DE69113522T2 - Technik zur Geisterbildauslöschung für analoges Fernsehen.

Info

Publication number: DE69113522T2
Application number: DE69113522T
Authority: DE
Inventors: Ender Ayanoglu; Israel Bar-David; I Chin-Lin I Chin-Lin; Richard D Gitlin; Jack H Winters
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1990-06-25
Filing date: 1991-06-17
Publication date: 1996-04-04
Anticipated expiration: 2011-06-18
Also published as: EP0463781A2; EP0463781A3; US5119196A; JPH0723255A; EP0463781B1; DE69113522D1; JP2695541B2

Description

Die Erfindung beschreibt eine Vorrichtung zur Beseitigung von Geisterbildern, die bei der Übertragung eines Fernsehsignals über einen Übertragungskanal entstehen.
Mehrwegeausbreitung ist eine wesentliche Ursache der Verschlechterung der Bildqualität bei der Fernsehübertragung. Die Geisterbilder im empfangenen Fernsehbild können bereits ein ernsthaftes Problem für NTSC-Signale darstellen, sie bilden jedoch ein erheblich größeres Problem für neue Signalisierungstypen von Fernsehsignalen wie IDTV (Improved Definition TV), EDTV (Extended Definition TV) oder HDTV (High Definition TV). Hier müssen die Geistersignale unterdrückt werden, um die volle Bildqualität zu erreichen.
Verschiedene Methoden zur Unterdrückung der Geisterstörung in Fernsehbildern wurden bereits untersucht. Eine gute Zusammenstellung findet sich in der Ausarbeitung von W. Ciciora u. a. mit dem Titel: "A Tutorial on Ghost Cancellation in Television Systems", IEEE Trans. on Consumer Electronics, Vol. CE-25, Feb. 1979, Seiten 9 - 44. Als Beispiel gibt es im Handel (in Japan) eine Schaltung zur Unterdrückung von Geisterbildern in EDTV, die eine Absenkung der Geistersignale um 20 bis 30 dB für Geister bis zu 6 dB unter dem Pegel des Hauptsignals erzielt. (Beschrieben in der Ausgabe von 1989 des "National Association of Broadcasters Guide to Advanced Television Systems", Washington DC, Seite 54). Zusammenfassend sind alle bisher beschriebenen Techniken beschränkt auf solche Geister, die mit analogen Signalen angemessen unterdrückt werden können. Insbesondere versagen alle diese Techniken, wenn im Kanal-Spektrum eine Auslöschung auftritt (die einfallenden Signale addieren sich kurzzeitig zu Null). So kann bei einer Auslöschung ein Entzerrer für determinierte Impulsantworten (FIR) die Geistersignale nicht angemessen unterdrücken, während ein Entzerrer für nicht-determinierte Impulsantworten (IIR) das Rauschen im Bild erheblich erhöht. Eine Auslöschung entsteht beispielsweise durch ein einzelnes Geistersignal (Reflektion), mit gleicher Größe wie das Nutzsignal. ( z.B. bei nicht absorbierender Reflektion, wie sie bei den meisten Gebäuden auftritt). Eine Auslöschung kann auch durch Mehrfach-Geister entstehen, selbst wenn diese schwächer sind als das Nutzsignal. Deshalb sind Auslöschungen im Kanal-Spektrum ( Nullsignale im Z-Bereich, die den Empfänger erreichen) ein Problem für viele Fernsehempfänger. Leider ist es für den einzelnen Fernsehteilnehmer schwierig, die Lage der Nullstellen im Kanal im Verhältnis zu den Geisterbildern festzustellen, damit er oder sie einen geeigneten Filter vorschalten könnten. Deshalb sind die heutigen Techniken meist nicht in der Lage, die Geisterbilder ordnungsgemäß zu unterdrücken, sondern der Fernsehteilnehmer ist auch gezwungen, eine Geisterunterdrückungs-Elektronik zu kaufen, bei der er erst zu Hause prüfen kann, ob sie auch funktioniert.
Bezugnehmend auf eine Ausführung dieser Erfindung wird eine Einrichtung gemäß Anspruch 1 vorgesehen.
Bezugnehmend auf eine andere Ausführung dieser Erfindung wird ein Verfahren gemäß Anspruch 8 vorgesehen.
In einer Zusammenfassung der Erfindung werden die Geistersignale eines empfangenen analogen Fernsehsignals dadurch eliminiert, daß im "aktiven" Teil des Signals, Zeile für Zeile getrennt, FIR- oder IIR-Entzerrung vorgenommen wird. Dabei wird die Tatsache genutzt, daß im Fernsehsignal kurze "inaktive" Perioden ( z.B. Zeilenrücklauf) enthalten sind, in denen keine unbekannten analogen Signale, sondern nur determinierte (vorher festgelegte) Signale auftreten.
In einer bevorzugten Ausführung wird die Zeile- für Zeile-Verarbeitung durch ein periodisches Löschen aller Signale im Entzerrer ergänzt. Die Zeile- für Zeile- Verarbeitung löst das Problem der Geisterunterdrückung beim FIR-Entzerrer dadurch, daß die Geistersignale aus der Zeile hinausgeschoben, und die Verstärkung des Rauschens beim IIR-Entzerrer vermindert wird. Die Zeile- für Zeile-Verarbeitung übertrifft die Leistungen konventioneller FIR- und IIR-Entzerrer und gestattet eine Geisterunterdrückung von 40-50 dB, auch mit Auslöschungen im Spektrum, solange die Verzögerung des Geistersignals kleiner ist, als die Zwischenperiode ohne analoge Signale (z. B. Zeilenrücklauf beim NTSC-Signal). Ein IIR-Entzerrer kann auf einer oder mehreren integrierten Digitalschaltungen untergebracht werden, alternativ kann auch ein FIR-Entzerrer eingesetzt werden. In diesem Fall werden mehr, oder höher integrierte Schaltungen benötigt, wobei die FIR-Schaltung eine schnellere Anpassung an den mit Geistersignalen verseuchten Kanal ermöglicht als ein IIR-Entzerrer.
Jedes Geistersignal mit Verzögerungszeiten bis zu 11,2 us ( horizontale Austastlücke im NTSC im IDTV oder EDTV oder Periode nicht determinierter Signale im HDTV) kann unterdrückt werden. Für Geistersignale mit größeren Verzögerungszeiten können konventionelle IIR- oder FIR-Entzerrer als Vorprozessoren zur Unterdrückung kleiner Geistersignale und adaptive Antennen zur Unterdrückung großer Geistersignale verwendet werden. Unter Berücksichtigung der heutigen NTSC-Signale sollten alle Geistersignale 20-30 dB unter das Hauptsignal (IDTV) gedrückt werden. Mit besseren Vergleichssignalen im NTSC (wie auch in einigen EDTV Vorschlägen) können Geisterunterdrückungen von 40 - 50 dB erreicht werden. Bei HDTV ist eine Geisterunterdrückung von 40 - 50 dB im Analogteil des HDTV-Signals möglich (hybrid analog/digital). Ebenso besteht die Möglichkeit mit mehrstufigen Digitalsignalen zu arbeiten, während konventionelle Entzerrungstechniken für Digitalsignale ( z. B. Entscheidungsrückkopplung, decision feedback equalisation DFE) wegen zu hoher Fehlerrate uneffektiv sind. In HDTV- Systemen hängt die maximale Verzögerungszeit für die Unterdrückung von Geistern jeder Größe bei der Zeile- für Zeile-Verarbeitung von der Länge des Intervalls ohne nichtdeterminierte Signale zwischen jeder Zeile ab. Dieses Intervall kann so verlängert werden, daß das Geisterproblem im Analogteil von HDTV-Systemen vollständig gelöst wird.
Die Erfindung wird in den beigefügten Zeichnungen näher beschrieben:
Figur 1 zeigt in Diagrammform eine Geisterbildsituation mit Vor- und Nachläufer-Geistersignalen.
Figur 2 beschreibt das Blockschaltbild eines Entzerrers in Form einer angezapften Verzögerungsleitung mit K-Anzapfungen (FIR-Filter).
Figur 3 beschreibt das Blockschaltbild eines Entzerrers in Form einer rückgekoppelten angezapften Verzögerungsleitung mit K-Anzapfungen (IIR-Filter).
Figur 4 beschreibt das Blockschaltbild der gewichteten Anpassung für einen FIR Entzerrer.
Figur 5 beschreibt das Blockschaltbild der gewichteten Anpassung für einen IIR Entzerrer.
Figur 6 beschreibt das Blockdiagramm eines IIR Filters mit instabilen Zuständen unter Verwendung einer Zeitumkehrstufe.
Figur 7 beschreibt das Blockdiagramm einer Geisterbildunterdrückung entsprechend der Erfindung.
Figur 8 beschreibt das Blockschaltbild der Einfügung des Geisterbildunterdrückers am Eingang eines Fernsehempfängers.
Bevor dargelegt wird, wie die vorliegende Erfindung durch Zeile- für Zeile- Verarbeitung Geisterbilder unterdrückt, ist es nützlich, zunächst die prinzipiellen Grenzen der Verminderung von Geistersignalen bei Echtzeit-Analogsignalen aufzuzeigen.
Bei NTSC Signalen ( auch IDTV und EDTV) und ebenso HDTV in den Vereinigten Staaten (für die Kompatibilität mit NTSC vorgeschrieben ist) beträgt die Kanalbandbreite 6 Mhz, wobei für das analoge Videosignal nur 4,15 Mhz benötigt werden. Das analoge NTSC-Signal ist seitenbandmoduliert (VSB).
Es gibt zwei Arten von Mehrwegeausbreitung: über Kabel oder Funk. Mehrwegeausbreitung in Kabeln entsteht durch Reflektionen an Verbindungsstellen und Diskontinuitäten etc. im Kabel. Bei diesen Reflektionen ist das zunächst empfangene Signal am stärksten, die folgenden Geistersignale sind erheblich schwächer. Diese Geistersignale sind Nachläufer-Geistersignale, die üblicherweise mit konventionellen Techniken, wie z. B. FIR Entzerrung unterdrückt werden können. Bei Funkübertragung entstehen die Geisterbilder durch Reflektionen an Gebäuden, Bäumen, Bergen, etc. Wenn eine Sichtverbindung zwischen Sende- und Empfangsantenne besteht, gibt es nur Nachläufer-Geistersignale, wobei diese durchaus den Signalpegel des Hauptsignals erreichen können. Wenn keine Sichtverbindung besteht, kommt es vor, daß das stärkste Signal zeitlich nach dem gedämpften direkten Signal eintrifft. Dieses Geistersignal heißt Vorläufer- Geistersignal. Es können auch noch weitere Nachläufer-Geistersignale vorhanden sein. Eine solche Situation ist in Figur 1 beschrieben.. In dieser Figur erreicht das vom Sender 101 ausgehende Fernsehsignal den Empfänger 102 auf drei Pfaden. Das Hauptsignal (stärkstes Signal) kommt über die beiden Teilstücke 130 und 131 nach Reflektion an den nahegelegenen Hügeln 141.
Ein Nachläufersignal trifft später ein (mit größerer Verzögerung), ebenfalls über zwei Teilpfade 120 und 121 nach Reflektion an den entfernteren Hügeln 140.Ein Vorläufersignal erfolgt über eine sichtbehindernde Strecke 110 zwischen Sender 101 und Empfänger 102. Die Sicht ist durch die Gebäude 150 - 154 behindert und deshalb ist dieses Signal schwächer als das Hauptsignal. Oft ist es schwierig, das stärkste Signal zu bestimmen, welches zusätzlich durch eigene Reflektion verzerrt sein kann.
Im Prinzip müssen Geisterbilder so gedämpft werden, daß sie 40 - 50 dB unter dem Hauptsignal liegen, um nicht mehr bemerkt zu werden. Dagegen kann zufallsbedingtes Rauschen 10 dB höher liegen, bevor es auffällt.
Die Verzögerungszeit zwischen Geister- und Hauptsignal ergibt sich aus dem Unterschied der Pfadlängen, oder
τ=l/c, (1)
wobei l die Differenz der Pfadlängen zwischen zwei Signalen, und c die Lichtgeschwindigkeit (3x10&sup8; m/s) darstellen. Beispielsweise beträgt bei einer Verzögerungszeit von 11,2us die Pfadlängendifferenz 3,31km, d.h. die Reflektion erfolgt an einem etwa 1,6km entfernten Gebilde. Bei NTSC wird das Signal in Rahmen übertragen, wobei jeder Rahmen 1/30 s dauert und 525 Zeilen enthält. Die Übertragungsdauer pro Zeile beträgt 63,5us mit 11,2us für den Zeilenrücklauf. Während dieser 11,2us wird kein analoges Signal übertragen, d.h. es liegen nur determinierte Signale an. Dieses wird vorteilhaft für die vorliegende Erfindung genutzt. Ebenso werden während der vertikalen Bildaustastlücke (zweimal pro Rahmen, einmal pro Feld) keine analogen Signale übertragen.
Bei Mehrwegeausbreitung ist die Kanal-Impulsantwort h(t) im Prinzip eine kontinuierliche Zeitfunktion. Deshalb kann, wenn nur Reflektoren berücksichtigt werden, die Geisterbilder oberhalb einer gewissen Schwelle erzeugen, der Kanal modellhaft als die Summe von I diskreten Reflektoren betrachtet werden,
wobei ai und τi die Amplitude und die Verzögerungszeit der Reflektoren, und δ(t) die Dirac Deltafunktion darstellt. Die Reflektoren sind üblicherweise Berge und Gebäude, was die Genauigkeit des Modells begrenzt. Doch da die Signale bandbegrenzt sind, kann auch ein Modell mit diskreten Kanälen verwendet werden,
wobei die Proben entsprechend der Nyquistrate T = ½ fg entnommen werden, wobei fg die Signalbandbreite ist. Leider kann hierbei, selbst wenn analoge Signale mit nur einer Reflexion vorliegen, ein exaktes Modell mit diskreten Kanälen viele J- Proben erfordern.
Betrachten wir nun die grundsätzlichen Grenzen der Geisterbildunterdrückung bei kontinuierlichen analogen Signalen. Geisterbildunterdrückung kann im Empfänger dadurch erreicht werden, daß das Empfangssignal durch einen Entzerrer mit einer Übertragungsfunktion, die invers zur Übertragungsfunktion des Übertragungskanals ist, geleitet wird. Die exakte Inversion eines Kanals, der durch die Gleichung 3 dargestellt wird, kann durch einen IIR Entzerrer erreicht werden, während durch einen FIR Entzerrer die Kanalinversion nur angenähert wird. Nachfolgend werden die grundsätzlichen Grenzen und Vorteile dieser beiden Entzerrertypen dargestellt.
Figur 2 zeigt ein Blockschaltbild eines FIR Entzerrers, bestehend aus einer angezapften Verzögerungsleitung (FIR) mit K-Anzapfungen, um das entnommene Signal zu gewichten oder mit Koeffizienten ci zu versehen ( i=0,...,K-1.). Das Eingangssignal am Anschluß 201 trifft auf das erste der Verzögerungselemente 211- 213 der K-1 Serie. Hinter jedem entsteht eine verzögerte Probe auf den Eingängen 251-253 für die Weiterverarbeitung in den K-1 zugeordneten Multiplizierern.221- 223. Der Multiplizierer 220 wird direkt angesteuert. Jeder K-Multiplizierer erhält als zweites Eingangssignal eine zugehörige Anzapfungsgewichtung (oder Koeffizient ci ). Die Ausgänge der Multiplierer werden im Addierer 230 zusammengeführt uns stellen damit den Ausgang des Filters auf dem Anschluß 240 dar. Die Verzögerung zwischen den Anzapfungen beträgt T = 1/2fs , doch kann auch T≤ 1/2fs verwendet werden. Betrachten wir zunächst die Anzahl von Anzapfungen, die für die Unterdrückung eines einzelnen Geistersignals mit vorgegebenem Verhältnis von erwünschtem zu unerwünschtem Signalpegel (Hauptsignal zu Geistersignal, (D/Uin)), einer Verzögerungszeit τ, und einem vorgegebenen Verhältnis "erwünscht zu unerwünscht" im Ausgangssignal (D/U)out benötigt werden.In diesem Fall stellt sich die Kanal-Impulsantwort dar als
Es wird der einfache Fall angenommen, daß die Verzögerungszeit des Geistersignales ein ganzzahliches Vielfaches der Anzapfungsverzögerung sei, τ = kT.
Um das Geistersignal zu löschen muß die angezapfte Verzögerungsleitung versuchen, den Kanal zu invertieren. Aus Gleichung (4) ergibt sich für die inverse Frequenzantwort folgende Zeitantwort, ( beispielsweise ist h&supmin;¹ (t) die inverse Fouriertransformation der inversen Kanal-Frequenzantwort) fourier
hier bezeichnet "fourier" die Fouriertransformation. Bei Begrenzung der oben offenen Summe in Gleichung (6) ergibt sich
dabei ergeben sich für die Gewichtungen des FIR-Entzerrers
Die Gesamtzahl der Anzapfungen im Entzerrer ist K = k(M-1) + 1. Die Impulsantwort am Ausgang ist ( wenn Kanal und Entzerrer übereinstimmen)
wobei das Sternchen -*- die Übereinstimmung darstellt. Nach Lösung der Gleichung ist das Geistersignal t = MkT mit (D/U)out = (D/U)Min, vorausgesetzt daß M = log (D/U)out /log (D/U)in. In anderen Worten, log(D/U)out/log(D/U)in von Null verschiedene Anzapfungen im Abstand von kT werden benötigt, um ein einzelnes Geistersignal zu unterdrücken. Ist zum Beispiel (D/U)in = 5 dB, werden 10 Anzapfungen für ein (D/U)out = 50 dB benötigt. So werden für die Unterdrückung eins einzelnen Geistersignals mit einer unbekannten Verzögerungszeit eines jeden Vielfachen von T bis zu kT, k[log(D/U)out/log(D/U)in - 1] + 1 Anzapfungen benötigt (auch wenn nur M Anzapfungen bei einem Geistersignal aktiv sind, d.h.von Null abweichende Gewichtungen enthalten). So werden zum Beispiel, um ein einzelnes Geistersignal mit (D/U)in ≤ 5 dB und τ ≤ 11,2 us nach (D/U)out ≥ 50 dB umzuwandeln, 1212 Anzapfungen benötigt. ( fs = 6 Mhz, T = 83,3 ns.)
Die Verzögerungszeiten der Geistersignale müssen jedoch nicht immer ganzzahlige Vielfache von T sein. Unsere Analyse zeigte, daß für τ ≠ kT bis zu N zusätzliche Anzapfungen für jede Anzapfung bei Geistersignalen mit kT benötigt werden. Es ergibt sich,
N ≤ [(D/U)out]1/6 . (12)
daß für (D/U)out = 50 dB, N ≤ 7 und, um ein einzelnes Geistersignal von D/Uin = 5 dB auszulöschen, bis zu 7 x 10 = 70 (aktive ) Anzapfungen benötigt werden. D.h. alle 1212 Anzapfungen werden für nur 18 Geistersignale verbraucht.
Als wichtigster Punkt bleibt festzuhalten, daß bei Dämpfung eines Geistersignales auf ein vorgegebenes (D/U)out, die erforderliche Anzahl von Anzapfungen (Länge des FIR-Entzerrers) mit dem Pegel des einzelnen Geistersignals wächst. Für (D/U)out = 50 dB und τ= 11,2 us werden bei einem (D/U)in = 3 dB, 2168 Anzapfungen benötigt, bei einem (D/U)in = 1 dB ergeben sich 6596 Anzapfungen und die Anzahl der Anzapfungen geht gegen Unendlich, wenn der Pegel des Geistersignals sich dem Hauptsignalpegel annähert.
Entsprechend vermindert sich bei einer festliegenden Anzahl von Anzapfungen (was bei einer gegebenen Anordnung das Übliche ist ) die Dämpfung des Geistersignals mit dem Pegel dieses Signals. (d. h. (D/U)out = (D/U)Mm). Als Beispiel ergibt sich bei 1212 Anzapfungen, (D/U)out = 30 dB bei (D/U)in = 3dB, und (D/U)out = 10 dB bei (D/U)in = 1dB. Die Dämpfung geht gegen Null, je mehr der Geistersignalpegel sich dem gewünschten Hauptsignalpegel annähert.
Schließlich gibt es Mehrfach-Geistersignale. Hier stellen wir zunächst fest, daß der FIR-Entzerrer eine wachsende Anzahl von Anzapfungen benötigt, sobald eine oder mehrere Nullstellen von H(z) = zet (hk ) auftreten, die sich der Systemumlaufzeit annähern, wobei zet die z-Transformation an hk = h(kT) darstellt. In der Veröffentlichung von D. J. Harasty und A. V. Oppenheim unter dem Titel: "Television Signal Deghosting by Noncausal Recursive Filtering" in Proc. of the 1988 International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing, New York City, NY, April 11-14, 1988, Seiten 1778-1781, wird dargelegt, daß die Nullstellen von H(z) den Schaltkreis annähern, wenn Σ ai den gewünschten Signalpegel annähert (oder übersteigt), wobei die ai 's die Amplituden der Geistersignale aus Gleichung (2) sind. Dadurch kann ein FIR-Entzerrer mit vorgegebener Länge Geistersignale nicht ordnungsgemäß unterdrücken, selbst wenn die einzelnen Geistersignale mehrere dB unter dem gewünschten Hauptsignal liegen.
Das Verhalten bei auf einem IIR Entzerrer (infinite impulse response) wird in Figur 3 erläutert. Sie zeigt einen IIR-Entzerrer mit einer rückgekoppelten, angezapften Verzögerungsleitung, wobei die K-Anzapfungen mit di gewichtet sind, i = 1, ...., K. Die Verzögerungsleitung besteht aus in Serie geschalteten K- Verzögerungselementen 311-313, von denen das erste sein Eingangssignal vom Entzerrer Ausgang auf der Leitung 340 erhält. Die Ausgänge 351-353 der Verzögerungselemente 311-313 wirken als jeweils erstes Eingangssignal auf einen der K-zugehörigen Multiplizierer 321-323. Jeder Multiplizierer erhält als zweites Eingangssignal einen Koeffizienten di . Die Ausgangssignale der Multiplizierer werden zusammengefaßt und mit dem Eingangssignal auf der Leitung 301 im Addierer 330 addiert, dessen Ausgangssignal den Entzerrerausgang auf Leitung 340 darstellt. Die Verzögerung zwischen den Anzapfungen ist T = 1/2fs wie bisher. Zunächst nehmen wir ein einzelnes Geistersignal mit einer Kanal-Impulsantwort entsprechend der Gleichung (4) an. Für ein einzelnes Geistersignal jeder Größe mit einer Verzögerung von τ = kT benötigt der Entzerrer für die Kanalinversion nur eine Anzapfung unabhängig von (D/U)in und (D/U)out .Es ergibt sich im Speziellen aus Gleichung (6)
Die Gewichtungen der Anzapfungen, oder Koeffizienten des IIR-Entzerrers sind
Bei (D/U)out = ∞ wird das Geistersignal vollständig gelöscht.
Bei τ ≠ kT ist, wie beim FIR-Entzerrer, die pro Geistersignal benötigte Anzahl von Anzapfungen in Gleichung (12) gegeben. So werden zum Beispiel bis zu 7 Anzapfungen benötigt, um ein einzelnes Geistersignal auf (D/U)out = 50 dB zu dämpfen.
Es ist festzuhalten, daß die erforderliche Anzahl von Anzapfungen für ein vorgegebenes (D/U)out beim IIR-Entzerrer nicht mit dem Pegel des Geistersignals wächst, wie beim FIR-Entzerrer.. Im Besonderen kann ein IIR-Entzerrer mit K- Anzapfungen jedes Geistersignal auf ein vorgegebenes (D/U)out dämpfen, (dabei ist angenommen, daß (D/U)out ≥ 1 und τ ≥ 0, d.h. ein schwächeres Nachläufer- Geistersignal darstellt), wenn τ ≤ (K-(D/U)1/6out T), wovon (D/U)1/6out T abgezogen wird, weil bei τ ≠ kT bis zu (D/U)1/6out Anzapfungen benötigt werden. Um beispielsweise jedes Geistersignal innerhalb von 11,2us zu unterdrücken, sind nur 142 Anzapfungen nötig. Auf jeden Fall hat ein IIR-Entzerrer den Vorteil gegenüber einem FIR- Entzerrer, daß er mit einer festen Anzahl von Anzapfungen jederzeit ein Geistersignal angemessen unterdrücken kann. Er hat jedoch den Nachteil verstärkten Rauschens und Stabilitätsprobleme, wie sie nachfolgend beschrieben werden.
Die Rauschverstärkung des Entzerrers ergibt sich als das Verhältnis der Ausgangsrauschleistung Nout zur Eingangsrauschleistung Nin . Für das FIR-Filter mit Anzapfungsgewichtungen ci , 1 = 0, ....,M - 1, ergibt sich unter der Annahme, daß unkorreliertes Rauschen dem Kanalausgang zugefügt wird,
Beim IIR-Filter ist die Rauschzunahme eine kompliziertere Funktion der rückgekoppelten Anzapfungsgewichtungen. Man kann sich den IIR-Filter als FIR- Filter mit einer unbegrenzten Anzahl von Anzapfungen vorstellen. Dann gilt für den IIR-Entzerrer
ci sind die Koeffizienten der Impulsantwort des IIR Filters (entsprechend den Koeffizienten des äquivalenten FIR-Entzerrers. Aus den Gleichungen (15) und (16) erkennen wir, daß für den gleichen mit Geistersignalen behafteten Kanal die Zunahme des Rauschens beim IRR-Entzerrer um ci ² größer ist, als beim FIR. Zum Beispiel gilt für für ein einzelnes Geistersignal bei (D/U)in , ci = ( (D/U)in)-i und für den ungünstigsten Fall von τ = T,
So ergibt sich für den FIR mit 1212 Anzapfungen ( und den IIR mit 142 Anzapfungen) bei einem (D/U)in = 6, 3, und 1 dB eine entsprechende Rauschzunahme von 3, 5, und 10 dB, sowohl für FIR, als auch für IIR. Wenn (D/U)in gegen Null geht, verläuft die Rauschzunahme beim IIR gegen unendlich und beim FIR gegen 31 dB (bei 1212 Anzapfungen). Sicherlich ist die Geisterunterdrückung beim FIR-Entzerrer nicht so gut, jedoch nur in einem Bereich bevor die Rauschzunahme zum Problem wird.- Deshalb ist die Rauschzunahme hier nicht von Interesse.
Beim IIR-Entzerrer dagegen begrenzt die Rauschzunahme den maximalen Geistersignalpegel bei dem noch eine ausreichende Bildqualität durch Entzerrung erreicht werden kann.
Ein anderes Problem ist die Stabilität des IIR-Entzerrers. Bei einem Einzel- Geistersignal ist der IIR-Entzerrer nur bei Nachläufer-Geistersignalen stabil. Dieser Entzerrertyp ist bei Vorläufer-Geistersignalen instabil, d.h. wenn das verzögerte Signal stärker ist als das erste ankommende Signal. Für einen FIR-Entzerrer mit seiner Linearverstärker-Architektur ist das kein Problem, er ist immer stabil. Der IIR- Entzerrer ist besonders instabil, wenn die Nullstellen der z-Transformation der Kanalantwort außerhalb der System-Rückkopplungszeiten liegen. Wenn sich also die Nullstellen den System-Rückkopplungszeiten annähern, wird die Zunahme des Rauschens die Bildqualität verschlechtern.
Bei Mehrfach-Geistersignalen hängt die Leistungsfähigkeit eines IIR- Entzerrers von der Lage der Nullstellen ab (wie auch schon beim Einfach- Geistersignal). Zusätzlich verschlechtert die Rauschzunahme die Bildqualität, wenn die Nullstellen in die Nähe der System-Rückkopplungszeit kommen. Der Entzerrer wird instabil, sobald die Nullstellen außerhalb der System-Rückkopplungszeit liegen, was, wie auch schon beim FIR-Entzerrer beschrieben, auftreten kann, obwohl die Geistersignale viele dB schwächer sind als das Hauptsignal (auch ohne Vorläufer- Geistersignale).
Beim FIR-Entzerrer nach Figur 2 kann die Anpassung der Anzapfungs- Gewichtungen (der Koeffizienten c&sub0; - cK-1) für die Kanalinversion durch den Einsatz des LMS-Algorithmus (least mean square), beschrieben durch B. Widrow in "Adaptive Filters", Aspects of Network and System Theory, R.E. Kalman and N. De Claris (eds.), New York, Holt, Rinehart, and Winston, 1970, Seiten 563-587, in Verbindung mit einem geeigneten Referenzsignal, wie zum Beispiel einem Testsignal in der vertikalen oder horizontalen Austastlücke, realisiert werden.
Wie in Figur 4 dargestellt, läuft das empfangene Signal über die Leitung 401 zum FIR-Entzerrer 410, der so aufgebaut sei, wie in Figur 2 erläutert. Ferner führt das Signal zu einem LMS-Prozessor 420, der, wie weiter unten beschrieben, die Werte der Koeffizienten c&sub0; - cK-1 berechnet, welche als Eingangssignale die Multiplizierer im Entzerrer 410 erreichen. Das Ausgangssignal des Entzerrers 410 wird in einem Subtraktionsglied 440 mit einem Testsignal auf der Leitung 430 verglichen und das Ergebnis als Fehlersignal über die Leitung 450 zum LMS-Prozessor 420 geführt. Die Berechnungen im Prozessor 420 werden, wie in dem oben angeführten Widrow- Aufsatz beschrieben, ausgeführt.
Durch die rekursive Abstimmung der Koeffizienten nähert sich das Ausgangssignal des Entzerrers 410 dem Testsignal auf der Leitung 430 an, sodaß bei jedem Umlauf der Fehler zwischen diesen beiden Signalen verkleinert wird. Um bei diesem Adaptionsprozeß eine Genauigkeit von 40-50 dB zu erreichen, wird eine Reihe von Wiederholungen benötigt, die etwa bei der zehnfachen Anzahl der Anzapfungen (10 K) liegt. Damit ergibt sich bei einer Wiederholung pro Zeile (bei Verwendung der horizontalen Austastlücke) eine Adaptionszeit von 635Kus, oder 0,76 s bei 1212 Anzapfungen.
Für den IIR-Entzerrer kann die Adaption der Gewichtungen ähnlich wie beim IIR-Entzerrer, dargestellt in Figur 5, ausgeführt werden. Der entscheidende Unterschied ist dabei, daß die Gewichtungen der Filter an den Kanal angepaßt werden (und nicht an den invertierten Kanal) und die Negativwerte der Gewichtungen, wie in Figur 3 dargestellt, in den IIR-Entzerrer kopiert werden. So erreicht beim IIR- Entzerrer das Testsignal über die Leitung 501 den FIR-Filter 510 und das empfangene Signal auf Leitung 530 wird im Subtraktionsglied 540 mit dem Ausgang des FIR- Filters verglichen, um das Fehlersignal für den Eingang des LMS-Prozessors zu erzeugen.
In dieser Anordnung versucht der FIR-Filter 510 den Kanal Hc (z) anzunähern. (Oder vielmehr versucht HFIR (z) die inverse Form 1/H(z) des FIR- Entzerrers aus Figur 4 anzunähern). Für den IIR-Entzerrer wird der Kanal durch die Rückkopplungsfunktion 1 - H(z) invertiert. Damit sind die Gewichtungen im IIR- Entzerrer (di , i = 1,...., K) genau negativ zu den Koeffizienten bi in der Gleichung (3) des Kanalmodells.
Wenn die größte Verzögerungszeit des Geistersignals über 11,2 us liegt, wird das Analogsignal mit dem Testsignal in der horizontalen Austastlücke kollidieren und es wird schwierig, ein exaktes Kanallnodell zu realisieren. In diesem Fall kann ein Testsignal in der vertikalen Austastlücke, oder ein anderes Übungssignal für die Erzeugung des Referenzsignals herangezogen werden. Dabei würde sich die Anpassungszeit um einen Faktor verlängern, der sich aus der Anzahl der Zeilen ergibt, (z.B. 525 oder 262,5, wenn eine Austastlücke für jedes Feld vorgesehen ist) was nicht mehr akzeptabel wäre. In diesem Fall kann die "Sample matrix inverse method" verwendet werden, die R. T. Compton, Jr., in seinem Buch "Adaptive Antennas: Concepts and Performance", Prentice-Hall, Inc., New Jersey, 1988, Seiten 326-332 beschreibt, womit schnell das Kanalmodell erzeugt werden kann, was jedoch eine kompliziertere Verarbeitung voraussetzt.
Als nächstes soll die notwendige Genauigkeit des Entzerres betrachtet werden, um das Quantisierungsgeräusch unter einem vorgegebenen Pegel zu halten. Da das Quantisierungsgeräusch im Verhältnis zum Geistersignal nur zeitweilig auftritt, kann der durchschnittliche Fernsehzuschauer für das Quantisierungsgeräusch einen höheren Pegel tolerieren,- üblicherweise wird ein Geräuschpegel von 40 dB nicht bemerkt. Für einen Entzerrer mit K-Anzapfungen und einer Genauigkeit von n Bits in der Anzapfungsgewichtung ergibt sich ein Verhältnis von Signal zu Quantisierungsgeräusch S/N von
S/N = 2-2n/12 K . (18)
Damit folgt für ein S/N von 40-50 dB und 1212 Anzapfungen eine Genauigkeit von 10-12 Bits, während für 142 Anzapfungen 9-11 Bits erforderlich sind. Da die meisten analogen Schaltungen nur eine Genauigkeit von bis zu 8 Bits aufweisen, empfiehlt sich für eine Signal- zu Quantisierungsgeräuschrate von 40.50 dB eine digitale Darstellung und digitale Signalverarbeitung.
Zusammenfassend hat eine heute verfügbare IIR-Entzerrer Anordnung Vorteile gegenüber einer verfügbaren FIR Entzerrer Anordnung, da der IIR-Entzerrer nur Anzapfungen für die Zeit der Geistersignal-Verzögerung benötigt, um von einem einzelnen bis zu einer beliebigen Anzahl die Geistersignale zu unterdrücken. Dagegen benötigt der FIR-Entzerrer eine steigende Anzahl von Anzapfungen, wenn (D/U)in gegen 0 dB geht (d.h. wenn die Nullstellen der Kanalantwort sich dem Schaltungsumlauf nähern). Dazu besitzt der IIR-Entzerrer eine geringere Komplexität, was sich in einer geringeren Anzahl, oder in weniger komplexen integrierten Schaltungen ausdrückt.
Wenn jedoch (D/U)in sich 0 dB nähert, wird die Geräuschzunahme beim IIR- Entzerrer die Bildqualität verschlechtern. Auf der anderen Seite hat der FIR-Entzerrer den Vorteil, daß er auch dann arbeitet, wenn die Nullstellen außerhalb des Schaltungsumlaufes liegen (z.B. bei Vorläufer-Geistersignalen), während der konventionelle IIR-Entzerrer in diesem Fall instabil wird.
Sowohl die FIR-, als auch die IIR-Entzerrer zeigen unbefriedigende Ergebnisse (Geistersignalunterdrückung oder Geräuschzunahme) wenn die Nullstellen in der Kanalübertragungsfunktion sich dem Schaltungsumlauf annähern. Wie früher dargestellt, ist diese Situation unerwünscht, da viele Fernsehgeräte Geistersignale dieser Art empfangen, die nicht mit den obigen Techniken beseitigt werden können. Auch kann der Benutzer nicht entscheiden, welcher Entzerrer geeignet wäre, ohne ihn zu Hause zu testen. Für ein befriedigendes Ergebnis muß die Geisterbildunterdrückung beim FIR-Entzerrer verbessert, die Geräuschzunahme beim IIR-Entzerrer vermindert, und der IIR-Entzerrer muß unter allen gegebenen Umständen stabil arbeiten. Die vorliegende Erfindung beschreibt die Lösung aller dieser Probleme, wie nachfolgend gezeigt wird.
In der vorausgegangenen Darstellung wurde von einem kontinuierlichen, analogen Fernsehsignal ausgegangen. Das NTSC Fernsehsignal hat jedoch Pausen während der horizontalen Austastlücke, in denen kein analoges Signal übertragen wird. Solange die Dauer der Geistersignale geringer ist als die horizontale Austastlücke, (11,2us oder 3,3,km Lauflängendifferenz) entsteht keine gegenseitige Beeinflussung zwischen den Zeilen des Analogsignals.(festgelegte Signale während der horizontalen Austastlücke erzeugen bestimmte Beeinflussungen, die jedoch, wie unten beschrieben subtrahiert werden können). Für diesen Fall bietet die Zeile- für Zeile-Verarbeitung Vorteile. So wird das Problem der Geisterbildunterdrückung beim FIR-Entzerrer eliminiert (da das verbleibende Geistersignal außerhalb des analogen Teil der Zeile liegt), ferner wird die Geräuschzunahme beim IIR-Entzerrer vermindert, und wie unten dargestellt, kann das Verfahren genutzt werden, um die Stabilität des IIR-Entzerrers unter allen Geisterbildsituationen zu garantieren. Kurz,- die Zeile- für Zeile-Verarbeitung bringt überaus wünschenswerte Ergebnisse.
Die folgende Diskussion beschränkt sich auf den Fall, daß alle Abweichungen der Geistersignalverzögerung innerhalb der Zeit der horizontalen Austastlücke liegen. D.h. die maximale Vorläuferverzögerung τpre plus die maximale Nachläuferverzögerung τpost sind kleiner als die horizontale Austastlücke. In diesem Fall liegen alle Informationen, die für eine Zeile benötigt werden, in den Proben von τpre vor der Zeile und τpost hinter der Zeile. In diesen Proben befinden sich keine anderen analogen (nicht festgelegte) Signale. Alle festgelegten (determinierten) Signale in der horizontalen Austastlücke finden sich in diesen Proben. Da diese von vornherein bekannt sind, oder ihr genauer Pegel leicht bestimmt werden kann, können sie durch Subtraktion eliminiert werden. Dieses wird nachfolgend im Detail beschrieben.
Um eine Zeile von Geistersignalen zu befreien, werden Amplitudenproben aus nur dieser Zeile benötigt (63,5us oder 763 Proben bei 12 Mhz Abtastrate). Ein FIR- Entzerrer benötigt eine maximale Länge von 2 x 52,3 + 11,2 = 115,8 us oder 1398 Anzapfungen, um eine Zeile frei von Geistersignalen zu erhalten. In der Praxis kann die Zeile- für Zeile-Verarbeitung als kontinuierlicher Betrieb des FIR-Entzerrers angenommen werden (wie beim Standard FIR-Entzerrer). Doch werden jetzt die Signale für die Multiplizierer 220-223 auf den Leitungen 250-253 auf Null gesetzt (putzen), nachdem die τpost -Probe am Ende der Zeile den Entzerrer erreicht, und ein Ausgangssignal erzeugt hat. Bei einer Ausführung des FIR-Entzerrers mit digitaler Signalverarbeitung, können die Signale 250-253 per Software auf Null gesetzt werden. In einer Ausführung mit analogen, angezapften Verzögerungsleitungen (die im Prinzip nicht die notwendige Genauigkeit für die gewünschte Geistersignalunterdrückung liefern könnten) würde ein Schalter 260 in Figur 2 die Ausgänge der Verzögerungselemente 211-213 erden. Alternativ werden die Proben jeder Zeile blockweise in einem digitalen Signalprozessor verarbeitet. Für blockweise Verarbeitung ist es charakteristisch, daß die Proben einer Zeile unabhängig von den Proben anderer Zeilen und auch unabhängig von Ausgangssignalen von Proben aus anderen Zeilen verarbeitet werden. Während der Entzerrer 1398 Anzapfungen besitzt (d.h. gespeicherte Gewichtungen), gibt es nur 763 Proben pro NTSC-Zeile, sodaß höchstens 763 Anzapfungen zur gleichen Zeit aktiv sind. Der FIR-Entzerrer braucht deshalb nur für jede Probe ein Ausgangssignal für das Ausgangsbild zu erzeugen, d.h. 52,3/63,5 aus jeder Zeile. Damit hat der FIR eine mittlere Verarbeitungsmenge von 763 x 52,3/63,5 = 628 Anzapfungsentzerrern, was beim Aufbau entweder weniger, oder weniger komplexe integrierte Schaltkreise bedeutet. Es läßt sich also feststellen, daß bei Zeile- für Zeile-Verarbeitung unter Berücksichtigung der obigen Angaben, solange wie Verteilung der Geistersignalverzögerungen unter 11,2,us bleibt, die Geistersignale vollständig beseitigt werden können, und zwar unabhängig von der Größe und Lage der Nullstellen.
Nachdem nun die Geistersignale beseitigt sind, wenden wir uns der Geräuschzunahme des FIR-Entzerrers zu. Bei 763 Proben wird das Geräusch des FIR-Entzerrers entsprechend Gleichung (15) 29 dB betragen. Dieser Wert wird jedoch nur dann eintreten, wenn alle Gewichtungen die gleiche Größe haben (ein Geistersignal mit (D/U)in = 0 dB und τ = T), was aber unwahrscheinlich ist. In allen anderen Fällen wird die Geräuschzunahme, wie in Gleichung (15) dargestellt, kleiner sein. Damit wird, zusammen mit der vorgeschlagenen Zeile- für Zeile-Verarbeitung, ein FIR-Entzerrer eine gute Lösung des Geistersignalunterdrückungs-Problems ermöglichen, auch wenn mehr Anzapfungen als beim IIR-Entzerrer benötigt werden.
Für den IIR-Entzerrer bietet die Zeile- für Zeile-Verarbeitung Vorteile (was mit dem FIR-Entzerrer durch Nullsetzen der Signale für Multiplizierer 321-323 auf den Leitungen 351-353 und einmaliges Schließen des Schalters 360 pro Zeile erfolgen kann), in Bezug auf Verminderung der Geräuschzunahme und zur Sicherstellung der Stabilität. Aufgrund der obigen Darstellung ist der Grund für die Verminderung der Geräuschzunahme beim FIR-Entzerrer klar. Wird dagegen ein IIR-Entzerrer in Zeile- für Zeile-Verarbeitung am Ende jeder Zeile "geputzt", so bleibt die Geräuschzunahme (bei Nullstellen innerhalb des Schaltungsumlaufes, d.h. bei einem stabilen, konventionellen IIR-Entzerrer) auf Werte beschränkt, die dem FIR-Entzerrer entsprechen. Der Grund ist, daß beim IIR-Entzerrer die Summe der Geräuschzunahme in Gleichung (16) auf M - 1 begrenzt ist (siehe Gleichung (15) mit Zeile- für Zeile-Verarbeitung). Besonders im schlechtesten Fall (worst case) ist die Geräuschzunahme mit 29 dB besser, als wenn sie unbegrenzt wäre.
Mit der Zeile- für Zeile-Verarbeitung ist der IIR-Entzerrer in der Tat jederzeit stabil. Sollten jedoch Nullstellen außerhalb des Schaltungsumlaufes existieren, kann die Geräuschzunahme leicht sehr große Werte annehmen (und 29 dB überschreiten), und die Signalpegel im Entzerrer können die Schaltkreise bei jeder Ausführung überlasten. Um diesen Problemen zu begegnen, wird spektrale Faktorbildung zusammen mit zeitlicher Invertierung verwendet. Im Einzelnen wird zunächst die Kanalantwort H(z) in das Produkt zweier Polynome zerlegt - das erste mit den Nullstellen innerhalb des Schaltungsumlaufes (H&spplus; (z)), und das andere mit den Nullstellen außerhalb des Schaltungsumlaufes (H&supmin; (z)). Dann wird das empfangene Signal durch G&spplus;(z)/H&spplus;(z) und das zeitlich invertierte durch G&supmin;(z)/H&supmin;(z), geführt. Damit erhalten wir G&spplus;(z)/H&spplus;(z) + G&supmin;(z)/H&supmin;(z) = 1/H(z), bei Auflösung der Gleichung einen Kanal mit minimaler Geräuschzunahme, d.h. im worst case 29 dB. Die Einzelheiten dieses Verfahrens werden nachfolgend in Verbindung mit Figur 6 beschrieben.
Nehmen wir den einfachen Fall, daß H(z) = α&sub1; + z&supmin;¹, 0 ≤ α&sub1; ≤ 1. Dabei soll X(z) die z-Transformation eines übertragenen Blocks darstellen (x&sub0; ,x&sub1; ,...., xL-1). Wir erhalten das durch die z-Transformation veränderte Empfangssignal
aus dem X(z) herausgezogen werden soll. Die Berechnung von X(z) H(z) mit 1/H(z) würde zwar den gewünschten Effekt zeigen, doch ist 1/H(z) ein unstabiles Filter. Auch wenn durch die Zeile- für Zeile-Verarbeitung die Stabilität für das aktuelle Signal kein Problem ist (es wird nur eine Zeile betrachtet), würde jedes Geräusch im Empfangssignal verstärkt und könnte das Ausgangssignal verfälschen.
Wir bemerken, daß bei zwei zusammengehörigen Zeitsequenzen beide vom Anfang zum Ende in entgegengesetzter Richtung durch das Rechenverfahren bewegt werden, um die abschließenden Ausgangswerte zu erhalten. Eine könnte am Ende der Ausgangszeitsequenz starten und sich in Richtung auf den Anfang zubewegen. Um das zu erreichen, müssen sowohl das Eingangssignal, als auch die Filtersequenz zeitinvertiert sein, womit auch der zugehörige Ausgang zeitinvertiert ist, sodaß der Anfang zum Ende wird und umgekehrt. Für das obige Beispiel erhalten wir, wenn das Empfangssignal invertiert wird
xL-1 + (xL-2 + xL-1α1)z&supmin;¹ +...+ x&sub0;α&sub1;z-L (21)
und wenn wir es zeitinvertiert (und damit stabil) über ein IIR-Filter geben
1/1 + α&sub1;z&supmin;¹ . (22)
Es ist leicht zu erkennen, daß dieser Vorgang nach einer langen Division folgendes Ergebnis zeigt
xL-1 + xL-2z&supmin;¹ +...+x&sub0;z-L+1 , (23)
was wiederum zeitinvertiert ergibt
X(z)=x&sub0; + x&sub1;z&supmin;¹ +...+xLz-L. (24)
Zusammenfassend haben wir ein Kanalfilter mit Nullstellen innerhalb und außerhalb des Schaltungsumlaufes. Die Gesamtzahl der Nullstellen von H(z) sei N. Dann kann H(z) aufgeteilt werden in
H(z) = H&spplus; (z) H&supmin; (z) (25)
dabei umfaßt H&spplus; (z) alle Nullstellen innerhalb des Schaltungsumlaufes und H&supmin; (x) alle Nullstellen außerhalb des Schaltungsumlaufes.
Damit ist 1/H(z) ausführlich
Wenn man aus den Gleichungen (22) und (23).eine zeitinverse Sequenz der Länge L berücksichtigt, dann ergibt sich folgendes bei der z-Transformation der zeitinversen Sequenz
XR(z) = z-L+1X(z&supmin;¹) (27)
wobei X(z) die z-Transformation der ursprünglichen Sequenz und XR (z) die z-Transformation der zeitinversen Sequenz darstellt. Damit hat H&supmin; (z&supmin;¹) alle Nullstellen innerhalb des Schaltungsumlaufes, und damit ist G&supmin; (z&supmin;¹)/H&supmin; (z&supmin;¹) ein stabiles Filter. Wenn wir deshalb in Figur 6 den empfangenen Signalblock (der Länge L+N) auf der Leitung 610 (mit Hilfe der Schaltung 620) als Gegenstück von H(z) invertieren und in dem stabilen Filter mit der Transfercharakteristik G&supmin; (z&supmin;¹)/H&supmin; (z&supmin;¹) weiterverarbeiten, ergibt sich ein Ausgangssignal auf Leitung 631
welches als ein zeitinvertierter Block von L + N Proben in der Schaltung 640 folgendes Signal auf der Leitung 641 herausgibt:
Wenn wir das Empfangssignal auf der Leitung 610 mit Hilfe des stabilen Filters G&spplus; (z)/H&spplus; (z) in der Schaltung 650 umformen, und addieren mit dem Addierer 660 das Ausgangssignal auf der Leitung 651 zu der rechten Seite der Gleichung (29), d.h. zu dem Signal auf der Leitung 641, dann erhalten wir das gewünschte Signal auf der Leitung 670,
Hiermit, und mit der Zeile- für Zeile-Verarbeitung, hat der IIR-Entzerrer die gleichen Leistungen (Geisterunterdrückung und Geräuschzunahme) wie ein FIR- Entzerrer, benötigt jedoch weniger Anzapfungen ( 142 gegenüber 628 aktiven Anzapfungen).
Der Nachteil dieser Technik besteht darin, daß die Aufteilung des inversen Kanals in zwei getrennte Polynome kompliziert und zeitaufwendig sein kann. Nehmen wir als Beispiel den einfachen Kanalfilter α&sub1; +z&supmin;¹ + α&sub2; z&supmin;² mit einem Vorläufer- und einem Nachläufer-Geistersignal. In Abhängigkeit von den Werten von α&sub1; und α&sub2; habeen wir folgende Möglichkeiten für die Lagen der Nullstellen im Polynom: Lage der Nullstellen beide innerhalb des Schaltungsumlaufes beide außerhalb des Schaltungsumlaufes beide entsprechen dem Schaltungsumlauf eine innerhalb, eine außerhalb des Schaltungsumlaufes
Wie aus diesem Beispiel deutlich hervorgeht, ist die Lage der Nullstellen zum Schaltkreisumlauf, selbst bei nur zwei Geistersignalen nicht klar. Dabei ist es notwendig, um die Kanalantwort in die Faktoren H&spplus; (z) und H&supmin; (z) zerlegen zu können, alle Nullstellen von H(z) zu finden. Unglücklicherweise ist die Zerlegung eines 142 - gradigen Polynoms kompliziert und zeitaufiwendig. Deshalb wird die zeitliche Abstimmung beim IIR-Entzerrer länger dauern, als beim FIR-Entzerrer, trotzdem bleibt die Abstimmung machbar.
Wie oben beschrieben, enthält jede Zeile nur Proben der analogen Geistersignale aus dieser Zeile, andere (Geister-) Signale in der horizontalen Austastlücke können Proben in zwei benachbarten Zeilen erzeugen. So kann die Zeile- für Zeile-Verarbeitung bewirken, daß diese Signale mit dem bereits von Geistersignalen befreiten Analogsignal zusammentreffen. So lange jedoch die Signale in der horizontalen Austastlücke festgelegt sind, sind ihre Formen und Pegel ohne Geistersignale a priori bekannt. Wenn die Kanalantwort also bekannt ist, können wir die Werte der Proben festlegen und von dem Analogsignal vor der Entzerrung subtrahleren. Damit führt die Zeile- für Zeile-Verarbeitung zu einer ausreichenden Entzerrung des empfangenen Analogsignals, wobei es nur erforderlich ist, daß ein Zeitraum ohne irgendwelche nicht festgelegte Signale zwischen den Zeilen existiert, und daß die Dauer des Geistersignals kürzer ist, als dieser Zeitraum.
Wie ebenfalls oben beschrieben, muß für das ordnungsgemäße Funktionieren der Zeile- für Zeile-Verarbeitung, die Verzögerungszeit des Geistersignals kleiner als 11,2 us sein (für NTSC). Um die Möglichkeit von größeren Geistersignal- Verzögerungen von z.B. 24 us (entsprechend einer Lauflängendifferenz von 7,2 km) oder mehr einzufügen, können konventionelle Entzerrungstechniken als Ergänzung zu unserem Prozeß eingesetzt werden. Diese Techniken reichen normalerweise aus, weil Geistersignale mit langer Verzögerungszeit meist schwächer sind (weil sie von weiter entfernten Objekten reflektiert werden). Ausgehend vom Kanalmodell legen wir fest, daß bei Geistersignalen von mehr als 11,2 us ein konventioneller FIR- oder IIR- Entzerrer eingesetzt wird, um nur diese Geistersignale (auf 40-50 dB unter dem Hauptsignal) vor dem Einsatz der Zeile- für Zeile-Verarbeitung zu dämpfen. Durch die Vorverarbeitung des empfangenen Signals werden diese Geistersignale unterdrückt und die Weiterverarbeitung durch die Zeile- für Zeile-Verarbeitung bringt zufriedenstellende Ergebnisse.
Für große Geistersignale mit langen Verzögerungszeiten schlagen wir folgende Lösung vor. Da derartige Geistersignale durch große, entfernte Objekte hervorgerufen werden, decken diese Reflektoren nur einen schmalen Sichtwinkel der empfangenden Antenne ab. Üblicherweise können solche Geistersignale in ihrer Höhe vermindert werden, indem die Empfangsantenne so justiert wird, daß das Empfangsdiagramm in Richtung der Hauptreflexionen geringe Empfindlichkeit besitzt. Da die Lage der großen reflektierenden Objekte (Gebäude oder Berge) normalerweise festliegt, wird nur eine einmalige Justage benötigt. Einfache Richtantennen (rabbit ears) können für die Unterdrückung starker Geistersignale verwendet werden, oder auch in schwereren Fällen adaptive Antennen (Arrays). Solche adaptiven Antennen können direkt mit der Zeile- für Zeile-Verarbeitung eingesetzt werden, oder auch mit zusätzlichen Vorprozessoren aus konventionellen FIR- oder IIR-Entzerrern, um in allen Fällen die Geistersignale sicher entfernen zu können.
Figur 7 zeigt das Blockdiagramm einer Geisterbildunterdrückung entsprechend der Erfindung. Das auf Leitung 701 empfangene, mit Geisterbildern behaftete Signal wird zunächst (wahlweise) in einem Standard-FIR- oder IIR-Entzerrer 702 vorverarbeitet, wodurch die Verzerrungen durch starke Geistersignale mit langen Verzögerungszeiten vermindert werden. Diese Entzerrer können so aufgebaut sein wie in Figur 2 oder 3 gezeigt, jedoch wird hier das periodische "Putzen" der Filter nicht benötigt. Falls gewünscht, kann der vorverarbeitende Entzerrer mit der gleichen Hardware und / oder Software (z.B. integrierte Schaltungen) des mit Zeile- für Zeile arbeitenden Prozessors zusammengefaßt werden. Das sich ergebende Ausgangssignal auf der Leitung 703 enthält nur noch Verzerrungen durch Geistersignale mit kleinen Verzögerungszeiten. Dieses Signal wird in dem FIR- oder IIR-Entzerrer 705 weiterverarbeitet, der entweder so aufgebaut ist, wie in Figur 3 und 3 gezeigt, oder wahlweise wie ein IIR-Entzerrer mit Zeitumkehr, wie in Figur 6 gezeigt.
Der Entzerrer 705 ist so aufgebaut, daß seine Daten zu einem Zeitpunkt auf Null gesetzt werden ("geputzt"), der (abhängig von den Geistersignalverzögerungszeiten) in der horizontalen Austastlücke jeder Zeile liegt. In Figur 7 wird der Zeilensynchronisationsimpuls auf Leitung 710 dazu benutzt, ein Steuersignal zu erzeugen, das über Leitung 716 zum Entzerrer 705 geführt wird, um das "Putzen" zu starten (z.B. durch Schließen der Kontakte 260 oder 360). Das von Geistersignalen befreite Signal wird über Leitung 707 und einen Subtrahierer 735 zum Fernsehempfänger 730 geleitet. Dieser Subtrahlerer 735 erlaubt es, die im von Geistersignalen befreiten Signal noch vorhandenen festgelegten Signale aus dem Ausgangssignal auszublenden. Diese festgelegten Signale können in der inaktiven Phase jeder Zeile (horizontale Austastlücke) vorhanden sein. Die Anzapfüngsgewichtungen für die FIR- oder IRR-Entzerrer werden durch Kanalanpassung und Berechnung der Gewichtung in der Schaltung 740 festgelegt, die, wie in Figur 4 oder 5 gezeigt, aufgebaut sein kann. Die Schaltung 740 erhält das geisterbehäftete Signal auf Leitung 701, sowie ein Testsignal auf Leitung 741 und erzeugt damit die zugehörigen Anzapfüngsgewichtungen (Koeffizienten) für beide Entzerrer 702 und 705 über die Leitungen 742 und 744.
Die Schaltung zur Geisterbildentfernung in Figur 7 kann mit konventionellen NTSC-Empfängern durch eine Anordnung gemäß Figur 8 zusammenarbeiten.
In dieser Figur empfängt ein A/D (Analog/Digital) Umsetzer 810, der die notwenigen Frequenzumsetzer-Schaltungen für die A/D Umsetzung jedes Kanals enthält, das mit Geistersignalen behaftete Fernsehsignal auf der Leitung 801 von einer Antenne, oder aus einem Kabel und leitet die umgesetzten digitalen Signale weiter an die Geisterbildunterdrückungsschaltung 820, die so aufgebaut ist, wie in Figur 7 dargestellt. Der Ausgang der Geisterbildunterdrückungsschaltung 820 führt zum D/A- Umsetzer 830, der die notwendigen Frequenzumsetzerschaltungen enthält, um die geisterfreien digitalen Signale wieder in die fernsehkompatible, analoge Form für das Fernsehgerät 840 umzusetzen. Für IDTV oder EDTV, die bereits digitale Signale im Fernsehempfänger verarbeiten, kann die Geisterbildunterdrückung eingesetzt werden, ohne daß A/D oder D/A Umsetzer benötigt werden.
Bei HDTV hängt der Einsatz und die Verwendung der Erfindung vom jeweiligen HDTV-Format ab. Da die meisten HDTV Normungsvorschläge eine Mischung aus analogen und digitalen Signalen verwenden, würde es für die Erfindung von Vorteil sein, bei jedem Auftreten von Geisterbildsignalen zunächst den analogen Anteil der Signale von Geisterbildern zu befreien. Insbesondere kann dann, wenn zwischen den analogen Signalen Perioden ohne nichtfestgelegte Signale existieren, die Zeile- für Zeile-Verarbeitung eingesetzt werden. Die zulässige Verzögerungszeit der Geisterbilder hängt von der Dauer dieser Perioden ab.
Ebenso kann die Erfindung von Vorteil sein, wenn nur digitale Signale übertragen werden. Als Beispiel sei ein öffentlich diskutierter Vorschlag angeführt, bei dem ausschließlich Digitalsignale übertragen werden.
In diesem Vorschlag sind einige Signale (256)² QAM Signale, wobei die 16 Bit Worte nicht immer mit geringer Fehlerwahrscheinlichkeit bestimmt werden können. Da bei hoher Fehlerwahrscheinlichkeit DFE nicht funktioniert, können diese digitalen Signale nicht mit konventionellen Entzerrertechniken von Geisterbildern befreit werden. Die QAM Signale werden zeilenweise übertragen und können bei einer kleinen Synchronisationssequenz am Beginn jeder Zeile (in einer Version des Vorschlages = 2us) als analoge Signale angesehen werden. Hier kann die Zeile- für Zeile-Verarbeitung verwendet werden, um starke Geistersignale mit einer Verzögerungszeit unterhalb dieser Sequenz auszuschalten.
In drei Beispielen sollen die drei Vorteile der Zeile-für Zeile-Verarbeitung dargestellt werden, nämlich
1. Ausschaltung der Begrenzung bei Geisterbildunterdrückung in einem konventionellen FIR-Entzerrer.
2. Verminderung der Begrenzung bei der Geräuschzunahme in einem konventionellen IIR-Entzerrer.
3. Verwendung eines IIR-Entzerrers mit Nullstellen innerhalb und außerhalb des Schaltungsumlaufes.
Diese Vorteile können auf einem großen Bildschirm (z.B. 25") mit bewegten Bildern demonstriert werden, wobei eine Verschlechterung der Bildqualität bei S/N ≤ 40 dB und (D/U)out sichtbar wird. Manchmal wird gewünscht, die Erfindung auf Photos zu erläutern, wobei die Papierqualität keine Bildverschlechterung erkennen läßt, solange nicht S/N und /D/U)out erheblich niedriger sind (z.B. S/N ≤ 20 dB, (D/U)out ≤ 10 dB). Die tatsächlich in den Beispielen verwendeten Pegel sind dagegen erheblich höher und entsprechen den im Fernsehempfänger auftretenden Gegebenheiten. Die Vorteile gelten deshalb weiter für niedrige Geräusch- und Geisterbildpegel.
Betrachten wir zunächst ein einzelnes Geisterbild mit (D/U)in = 1 dB und. τ = 5us, dann ergibt sich aus Gleichung (4)
h(t) = δ (t) + 0.8 δ (t-5 usec) . (31)
Für einen konventionellen FIR-Entzerrer ergibt sich aus Gleichung (7)
d.h. es existieren 11 aktive Anzapfungen. Die Kanal- und Entzerrerantwort ergibt sich aus Gleichung (11),
Damit ergibt sich bei Auflösung der Gleichung das Geistersignal bei τ = 55us mit (D/U)out = 11 dB. Da die Zeilenlänge 63,5 us beträgt, erscheint das Geistersignal als Vorläufer-Geistersignal von τ = -8,5 us. Mit Zeile- für Zeile-Verarbeitung wird dieses Geistersignal vollständig unterdrückt.
Als nächstes betrachten wir ein einzelnes Geisterbild mit (D/U)in = 0,18 dB und τ = 5 us, bei einem empfangenen Maximum von S/N = 20 dB ( d.h. bei ausgeglichenem Signal zu Geräuschpegel). Bei einem konventionellen IIR-Entzerrer mit 142 Anzapfungen ergibt sich für die Geräuschzunahme aus Gleichung (17),
Nout/Nin = 1/1-0.96 = 25 (34)
oder ein S/N am Entzerrerausgang von 6 dB. Bei Zeile- für Zeileverarbeitung ergibt sich aus Gleichung (17), daß die Geräuschzunahme der eines FIR-Entzerrers entspricht, oder
Nout/Nin = 1-(0.96)¹&sup0;/1-0.96 = 8.4 (35)
das schlechteste Verhältnis von S/N (worst case) am Ausgang des Entzerrers ist 11 dB. Während des Zeilendurchlaufes nimmt S/N von 20 dB auf 11 dB ab (das Geräusch nimmt zu).
Als letztes betrachten wir zwei Geisterbilder mit (D/U)in = 8 dB und τ = ± 1,5 us. Damit,
h(t) = δ(t)+0.4δ(t-1.5 usec)+0.4δ(t+1.5usec) , (36)
und
H(z) = 0.4z³&sup0;+1+0.4z&supmin;³&sup0; = 0.2(2+z&supmin;³&sup0;)(2+z³&sup0;) , (37)
damit liegt die Hälfte der Polstellen innerhalb und die andere Hälfte außerhalb des Schaltungsumlaufes. Bei Zeile- für Zeileverarbeitung und Zeitinvertierung, um den Kanal zu entzerren, ergeben sich für die Geisterbildunterdrückung sehr gute Ergebnisse.
Für den Fachmann lassen sich verschiedene Änderungen und Anpassungen der vorliegenden Erfindung durchführen. Zum Beispiel gibt es verschiedene Softwareausführungen für FIR- und IIR-Entzerrrer, die vorteilhaft eingesetzt werden können. Weil üblicherweise die Zeile- für Zeileverarbeitung für ein Fernsehsignal verwendet wird, kann es in manchen Fällen vorteilhaft sein, eine Gruppe von mehreren Zeilen zusammenzufassen und unabhängig von anderen Zeilengruppen zu verarbeiten. Das kann zum Beispiel erreicht werden, wenn der Entzerrer nur einmal pro Zeilengruppe "geputzt" wird.

Claims

1. Vorrichtung zur Beseitigung von Geisterbildern, die bei der Übertragung eines Fernsehsignals über einen Übertragungskanal entstehen, wobei das Fernsehsignal eine Vielzahl aktiver Intervalle enthält, die durch kurze inaktive Intervalle getrennt sind, in welchem keine nicht-deterministischen Signale auftreten, mit einer Einrichtung (701,702.703) zum Anlegen des Fernsehsignals an einen Entzerrer (705) mit einer Übertragungsfunktion, die den Kehrwert des Kanals annähert, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Verarbeitung des Fernsehsignals im Entzerrer während jedes aktiven Intervalls unabhängig von der Verarbeitung des Fernsehsignals für andere aktive Intervalle.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die aktiven Intervalle Abtastzeilen im Fernsehsignal und die inaktiven Intervalle dem Zeilenrücklaufintervall zwischen den Abtastzeilen entsprechen, und die Verarbeitungseinrichtung eine Einrichtung (715) aufweist, die den Entzerrer periodisch einmal für jede Abtastzeile löscht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die periodische Löscheinrichtung so ausgelegt ist, daß sie Signale im Entzerrer einmal für jede Abtastzeile auf Null bringt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, mit einer Einrichtung zur periodischen Abtastung des Fernsehsignals, wobei die Verarbeitungseinrichtung so ausgelegt ist, daß sie Blöcke von Abtastwerten verarbeitet und jeder Block einem Paar mit einem aktiven und einem inaktiven Intervall zugeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Entzerrer ein FIR- oder ein IIR-Entzerrer ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem zweiten Entzerrer (702), der Geisterbilder mit großen Verzögerungswerten beseitigt.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Einrichtung (735), die von dem Fernsehsignal alle deterministischen Signale subtrahiert, die während der inaktiven Intervalle auftreten.

8. Verfahren zur Verarbeitung eines Fernsehsignals mit Beseitigung von Geisterbildern, die bei der Übertragung des Signals über einen Übertragungskanal auftreten, wobei das Fernsehsignal eine Vielzahl von aktiven Intervallen enthält, die durch kurze inaktive Intervalle getrennt sind, in welchen keine nicht-deterministischen Signale auftreten, mit dem Schritt: Anlegen des Fernsehsignals an einen Entzerrer (705), der eine Übertragungsfunktion gleich dem Kehrwert des Kanals besitzt, gekennzeichnet durch eine Verarbeitung des Fernsehsignals im Entzerrer während jedes aktiven Intervalls unabhängig von der Verarbeitung des Fernsehsignals in anderen aktiven Intervallen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die aktiven Intervalle Abtastzeilen des Fernsehsignals und die inaktiven Intervalle dem Zeilenrücklaufintervall zwischen den Abtastzeilen entsprechen, und bei dem der Verarbeitungsschritt eine periodische Löschung von Abtastwerten im Entzerrer einmal für jede Abtastzeile umfaßt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der Schritt der periodischen Löschung eine Null-Setzung der Abtastwerte einmal für jede Abtastzeile umfaßt.

11. Verfahren nach Anspruch 8, 9 oder 10, mit einer periodischen Abtastung des Fernsehsignals, wobei der Verarbeitungsschritt eine Verarbeitung von Blöcken von Abtastwerten umfaßt und jeder Block einem der aktiven Intervalle zugeordnet ist.

12. Verfahren nach Anspruch 8, 9, 10 oder 11, wobei der Entzerrer ein FIR- oder ein IIR-Entzerrer ist.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, mit dem Schritt: Anlegen des Fernsehsignals an einen zweiten Entzerrer (702), der Geisterbilder mit großen Verzögerungen beseitigt.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, mit dem Schritt: Subtrahieren aller deterministischen Signale von dem Fernsehsignal, die während der aktiven Intervalle auftreten.