DE69226593T2 - System zur Auslöschung von Echosignalen mit einem Referenzsignal zur Geistersignaleliminierung - Google Patents

Description

System zur Auslöschung von Echosignalen mit einem Referenzsignal zur Geistersignaleliminierung
• Die Erfindung bezieht sich auf ein System zur Auslöschung von Echosignalen mit einem Referenzsignal zur Geistersignaleliminierung.
• Im Jahr 1979 veröffentlichte die IEEE einen Artikel, der zur Grundlage im Bereich der Auslöschung von Echosignalen (oder Geistersignalen) wurde. Der Artikel trägt den Titel "A Tutorial On Ghost Cancellation In Television Systems" und wurde von Walter Ciciora, Gary Sgrignoli und William Thomas verfaßt und ist durch die Bezugnahme Teil dieser Ausführungen.
• Zwar beschrieb der Artikel von Ciciora die wesentlichen Grundsätze, Geräte und Algorithmen zur Auslöschung von Geistersignalen, der Stand der Technik ist aber erst in jüngster Zeit so weit fortgeschritten, daß praktische Wege zur Einführung und Verbesserung dieser Grundlagen zur Verfügung stehen.
• Die Auslöschung von Echosignalen erfolgt in zwei Schritten. Zunächst muß am Empfänger die Charakteristik des Übertragungskanals (wozu gegebenenfalls Echos gehören) bestimmt werden. Wenn die Kanalcharakteristik berechnet ist, werden Filter zum Einführen der inversen Kanalcharakteristik verwendet und so die Echos beinahe vollständig beseitigt. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Gerät und ein verbessertes Referenzsignal zur Geistersignaleliminierung zum Bestimmen der Charakteristik eines Übertragungskanals.
• Die Wiederherstellung eines Signals, das durch den Übertragungsweg, über den das Signal gesendet wurde, verändert worden ist, ist ein Problem, mit dem sich die Nachrichtentechnik immer wieder beschäftigen muß. Die Wiederherstellung von Signalen ist oft möglich, wenn die Charakteristik des Übertragungswegs vollständig bekannt ist, d. h. wenigstens diejenigen Parameter, die zur Veränderung des Signals beitragen. Also ist die Bestimmung der Charakteristik des Übertragungswegs oder - kanals häufig ein wichtiger Beitrag zur Lösung des Problems der Wiederherstellung von Signalen.
• Ein direkter Ansatz zur Bestimmung der Kanalcharakteristik ist das Senden eines Referenzsignals zur Geistersignaleliminierung (RG) mit bekannter Charakteristik über den Kanal, und das Empfangen des gesendeten Signal nach dem Durchlaufen des Kanals. Das ursprünglich gesendete Signal wird mit dem empfangenen Signal verglichen und auf der Grundlage dieses Vergleichs wird ein Modell der Kanalcharakteristik entwickelt.
• Die Japanese Broadcasting Technology Association (BTA) verwendet ein RG, das das Zeitintegral eines Fenster-sinx/x-Impulses (sinc) ist und auf Zeile 18 des Bildaustastintervalls (VBI) eines Fernsehsignals gesendet wird. Zwar hat das RG der BTA die benötigte flache Frequenzbandbreite, aber seine Energie ist niedrig. Das RG der BTA ist daher möglicherweise nicht optimal, da wegen der niedrigen Energie die Leistungsfähigkeit bei starkem Rauschen beschränkt ist. Um das Rauschen im Kanal auszugleichen, wird zusätzlich Bearbeitungszeit benötigt, wodurch die Berechnung der Kanalcharakteristik durch das System zur Auslöschung von Echosignalen bei einer Veränderung der Bedingungen im Kanal mehr Zeit beansprucht. Das RG der BTA hat ein feststehendes Zeitintervall, das nicht verändert werden kann, ohne die Frequenzcharakteristik zu beeinflussen. Dadurch werden die Anwendungsmöglichkeiten des RG der BTA eingeschränkt. Dieses Zeitintervall ist z. B. für NTSC-Fernsehen ≥ 52,5 us.
• Es sind andere Signale vorgeschlagen worden, deren Energie höher ist als die des BTA-Signals. Diese Signale sind jedoch zyklisch und daher zum Aufspüren von Vor- und Nachechos im Kanal nicht geeignet.
• Der Artikel "Training signal and recceiver design for multi-path channel characterization for TV broadcasting" von J.-D. Wang et al., IEEE Transactions on Consumer Electronics, Bd. 36, Nr. 4, November 1990, S. 794-806, beschreibt ein solches zyklisches, hochenergetisches RG. Es wird eine modifizierte Folge von pseudostochastischem Rauschen (PR) und ein geeignet konstruierter Korrelator verwendet. Das Produkt ihrer Frequenzspektren hat einen flachen Frequenzgang. In einem verbesserten NTSC-System verwendet das vorgeschlagene Verfahren eine einzige PR-Folge von 255 Zeichen, die in einem Bildaustastintervall mit 7,16 M Zeichen/Sekunde gesendet werden.
• Ziel dieser Erfindung ist ein verbessertes Verfahren zur Geistersignaleliminierung, das die oben genannten Probleme wenigstens teilweise mildert. Zu diesem Zweck liefert ein Aspekt dieser Erfindung einen Empfänger nach Anspruch 1. Ein zweiter Aspekt dieser Erfindung liefert ein Kodierverfahren nach Anspruch 4. Ein dritter Aspekt dieser Erfindung liefert ein Signal nach Anspruch 7. In den Teilansprüchen werden vorteilhafte Ausführungen beschrieben.
• Die vorliegende Erfindung umfaßt ein nicht-zyklisches System zur Geistersignaleliminierung, das ein verbessertes, hochenergetisches, nicht-zyklisches RG verwendet, das das flache, breite Frequenzspektrum hat, das für eine vollständige Bestimmung der Kanalcharakteristik nötig ist, und das energiereich ist (Amplitude) und dessen Energie gleichmäßiger über ein Zeitintervall verteilt ist. Dieses Intervall kann an die Anforderungen der unterschiedlichen Systeme angepaßt werden, wobei der notwendige, flache Frequenzgang im gewünschten Frequenzbereich erhalten bleibt. Das RG dieser Erfindung kann daher an die Anwendung in nichtkonventionellen Fernsehsystemen wie HDTV und an andere nachrichtentechnische Anwendungen wie z. B. Echosignaleliminierung in der Telephonie und in Milcrowellensystemen angepaßt werden.
• Diese und andere Aspekte dieser Erfindung werden unter Bezugnahme auf die im folgenden Beschriebenen Ausführungen erläutert.
• Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines Kreises zur Geistersignaleliminierung, der die Erfindung umfaßt;
• Fig. 2 ist ein Amplitude-Zeit-Diagramm des RG der BTA;
• Fig. 3 ist ein Amplitude-Frequenz-Diagramm des RG der BTA;
• Fig. 4 ist ein Amplitude-Zeit-Diagramm einer ersten Ausführung eines RG, die die Erfindung umfaßt;
• Fig. 5 ist ein Amplitude-Frequenz-Diagramm des RG von Fig. 4;
• Fig. 6 ist ein Amplitude-Zeit-Diagramm einer zweiten Ausführung eines RG, die die Erfindung umfaßt; und
• Fig. 7 ist ein Amplitude-Frequenz-Diagramm des RG. von Fig. 6.
• Die Echosignaleliminierung erfolgt gewöhnlich in zwei Schritten, die im Laufe der Sendung von Fernsehsignalen vorgenommen werden. Zunächst muß die Charakteristik des Übertragungskanals (einschließlich eventueller Echos) am Empfänger bestimmt werden. Aus dieser Charakteristik wird eine inverse Kanalcharakteristik in Form einer Reihe von Filterkoeffizienten abgeleitet. Diese Koeffizienten werden dann an Filter geliefert, die ein inverses Arbeiten des Kanals herbeiführen, d. h. das Echo eliminieren.
• Das empfangene Bildsignal enthält Echos, die aus überlagerten Kopien des ursprünglich gesendeten Signals bestehen und verschiedene Verzögerungszeiten und Amplituden haben. Die stärkste Komponente des Signals ist das ursprünglich gesendete Signal oder die Hauptsignalkomponente. Zeitlich betrachtet werden vor der Hauptsignalkomponente eintreffende Echos "Präecho" und nach der Hauptsignalkomponente eintreffende Kopien "Postecho" genannt.
• Fig. 1 beschreibt einen Kreis zur Auslöschung von Echosignalen, der zum Auslöschen beider Echotypen verwendet werden kann. Ein solcher Kreis kann Teil eines (nicht abgebildeten) Fernsehempfängers sein, der ein Fernsehsignal empfängt, das ein RG umfaßt. Das Signal wird vom Tuner des Empfängers empfangen und vom Analog- Digital-Wandler 10 in eine digitale Form umgewandelt. Zum Eliminieren von Postechos wird ein IIR-Filter 20 verwendet und zum Eliminieren von Präechos wird ein FIR-Filter 15 verwendet. Kreise zur Echoeliminierung dieses Typs werden im einzelnen im US- Patentantrag No. 676.927 beschrieben, der am 28. März 1991 eingereicht wurde und der hier ausdrücklich aufgenommen wird.
• Fernsehbilder werden empfangen und in den A/D-Wandler 10 eingespeist, und das im Bildaustastintervall des Fernsehsignals gesendete RG wird abgetrennt und in einen Pufferspeicher 30 eingespeist. Das entsprechend der Kanalcharakteristik verzerrte RG wird manchmal über eine Anzahl Bilder abgetastet und der Mittelwert dieser Abtastwerte in den Prozessor 25 eingespeist, der ein Mikroprozessor oder ein digitaler Signalprozessor sein kann. Der Prozessor umfaßt einen Speicher, der eine vorbearbeitete und gespeicherte Version des gesendeten RG enthält, und der Speicher von Puffer 30 wird mit der im Prozessor 25 gespeicherten Version des RG verglichen, und mit diesem Vergleich läßt sich ein Modell der Ansprechcharakteristik des Kanals bilden. Dieses Kanalmodell wird dann verwendet, um eine Reihe Koeffizienten für die Filter zu berechnen, die im Kanal die inverse Kanalcharakteristik einfuhren und so die vorhandenen Echos unterdrücken.
• In US-A-5 047 859 (PHA 21622) wird ein Verfahren und ein Gerät zum Wiederherstellen eines empfangenen Signals beschrieben, bei dem keine Annahmen über die Kanalcharakteristik gemacht wurden, außer daß die Wechselwirkung zwischen Signal und Kanal von der linearen Systemtheorie beschrieben werden. Folglich wird der Kanal von seiner Ansprechcharakteristik vollständig beschrieben.
• Die auf diese Weise durch Verarbeiten des Testsignals gewonnene Folge von Abtastproben der Ansprechcharakteristik des Kanals liefert die richtige Koeffizientenfolge für die Filter 15 und 20. Nachdem die Filterkoeffizienten in die Filter eingespeist wurden, wird das gesamte Fernsehbild durch diese Filter geleitet, wodurch die Echokomponenten wesentlich verringert werden. Der Ausgang des IIR- Filters 20 wird dann in den Digital-Analog-Wandler (D/A) 35 eingespeist und dann als Ausgangsbildsignal zum Bildschirm des Empfängers geleitet.
• Das RG kennzeichnet die Frequenz- oder Impulscharakteristik des Kanals (der Sender und Empfänger sowie den tatsächlichen Übertragungsweg umfaßt). Daher muß das in einem herkömmlichen Fernsehsystem verwendete Frequenzspektrum des RG ein Tiefpaß sein und vollständig im 4,3-MHz-Durchlaßbereich des NTSC-Signals liegen. Außerdem muß es in diesem Band so flach wie möglich sein. Wenn es im Spektrum des RG einen Nullpunkt gibt, bei dem das Spektrum in einem gewissen Frequenzintervall nahe der Nullinie verläuft, wird der Kanal in diesem Intervall nicht angemessen charakterisiert. Auch bei einer Dämpfung im Spektrum, wo der Wert bedeutend kleiner ist als an der Spitze, wird die Genauigkeit der Kanalcharakteristik für die gedämpften Frequenzen durch Rauschen beeinträchtigt.
• Fig. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf des RG der BTA. Dies ist das Signal, das gesendet und in ROM 10 gespeichert wird, und/ oder das in einer bearbeiteten Version in ROM 10 gespeichert wird. Vor dem Senden wird dieses Signal integriert und in das Austastintervall jedes Teilbilds des Fernsehsignals eingefügt. Was die Frequenz betrifft (Fig. 3), so ist deutlich, daß das RG der BTA die für eine effektive Kanalcharakterisierung notwendige Bandbreite hat. Was jedoch den zeitlichen Verlauf betrifft (Fig. 2), so zeigt sich, daß die Amplitude-Zeit-Charakteristik des RG der BTA relativ energiearm ist. Dies führt zu einer schlechten Leistung in einer Umgebung mit starkem Rauschen.
• Die Erfindung umfaßt ein nicht-zyklisches RG mit höherer Energie und einer besseren Verteilung der Energie über die Zeit und die Frequenzen, dessen Bandbreite zugleich für eine effektive Kanalcharakterisierung weit und flach genug ist.
• Fig. 4 ist die graphische Darstellung des verbesserten RG einer ersten Ausführung der Erfindung. Dieses RG hat eine höhere Energie und die Spitzen sind zeitlich gleichmäßiger verteilt als beim RG der BTA, das in Fig. 2 dargestellt ist.
• Wie das Frequenzspektrum in Fig. 5 zeigt, hat dieses RG ein sehr flaches Spektrum im einschlägigen Band und eine (etwa achtfach) höhere Energie bezüglich der Frequenz als das in Fig. 3 dargestellte RG der BTA.
• Diese Ausführung des RG wird durch folgende Gleichung beschrieben:
• wobei
• wobei α, A, Cn, b und Ω reelle Parameter sind
• und N ein ganzzahliger Parameter ist
• und W(ω) eine Fenster-Fenster-Funktion ist.
• In diesem Beispiel wird ein Hamming- oder Hanning-Fenster verwendet, andere Fenster können jedoch ebenfalls verwendet werden.
• Die Parameter liegen im Bereich von 0 bis 10¹². In diesem Beispiel ist N = 7, C&sub1; = 60, C&sub3; = 10, C&sub5; = 3, C&sub7; = 1, Ceven = 0, A = 1, 0 = 4,2 · 2 · 10&sup6;Rad (wobei Ω das Ende des betreffenden Frequenzbandes ist, das in diesem Fall von 0 bis 4,2 MHz reicht).
• Fig. 6 zeigt eine zweite Ausführung des verbesserten RG. Dieses RG ist energiereicher und die Spitzen sind zeitlich gleichmäßiger verteilt als bei dem in Fig. 2 dargestellten RG der BTA.
• Wie das Frequenzspektrum in Fig. 7 zeigt, hat dieses RG im betreffenden Band ein sehr flaches Spektrum und bezüglich der Frequenz eine (etwa zehnmal) höhere Energie als das in Fig. 3 dargestellte RG der BTA.
• Diese Ausführung des RG wird mit der folgenden Gleichung beschrieben:
• wobei A, b und Ω reelle Parameter sind
• und W(ω) eine Fenster-Fenster-Funkion ist.
• In diesem Beispiel wird ein Hamming- oder Hanning-Fenster verwendet, andere Fenster können jedoch ebenfalls verwendet werden.
• Die Parameter liegen im Bereich von 0 bis 10¹². In diesem Beispiel ist A = 1, b = 0,0004 und Ω = 4,2 · 2 · 10&sup6;Rad (wobei Ω das Ende des betreffenden Frequenzbandes ist, das in diesem Fall von 0 bis 4,2 MHz reicht).
• Die obige Beschreibung der Erfindung dient der Illustration und Erläuterung, und weitere Abänderungen der beschriebenen Verfahren und Geräte werden von den Ansprüchen im Anhang abgedeckt.

Claims (9)

1. Ein Empfänger zum Empfangen eines Signals, das über einen Übertragungsweg geliefert und einer wegbedingten Verzerrung ausgesetzt wurde, wobei das besagte Signal ein Referenzsignal umfaßt und der besagte Empfänger umfaßt:

eine Vorrichtung zum Empfangen des besagten Signal und eine Vorrichtung zum Trennen des Referenzsignals vom Signal, das vom Übertragungsweg verzerrt ist, und

eine Vorrichtung zum weitgehenden Auslöschen der besagten wegbedingten Verzerrung vom empfangenen Signal mit einer Vorrichtung zum Ableiten einer Koeffizientenfolge aus dem verzerrten Referenzsignal, die in wenigstens einem Filter verwendet wird;

wobei das besagte Referenzsignal mit einer Fensterfunktion und mehreren sinusartiger Funktionen erzeugt wurde, nicht zyklisch ist, innerhalb der Bandbreite des besagten Übertragungswegs ein im wesentlichen flaches Frequenzspektrum hat sowie eine große Zahl im wesentlichen konstante, aufeinanderfolgende Spitzen in einem Zeitintervall hat.

2. Der in Anspruch 1 beanspruchte Empfänger, wobei das besagte Referenzsignal mit der folgenden Gleichung beschrieben wird:

wobei

wobei α, A, Cn, b und Ω reelle Zahlen sind;

und N eine ganze Zahl ist;

und W(ω) eine Fenster-Fenster-Funktion ist.

3. Der in Anspruch 1 beanspruchte Empfänger, wobei das besagte Referenzsignal durch folgende Gleichung beschrieben wird:

wobei A, b und Ω reelle Zahlen sind;

und W(ω) eine Fenster-Fenster-Funktion ist.

4. Ein Verfahren zum Kodieren eines Signals, das auf einem Weg gesendet wird, der das besagte Signal verzerrt, wobei das besagte Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

Erzeugen eines Signals;

Erzeugen eines Referenzsignals, aus dem Koeffizienten abgeleitet werden können, die in wenigstens einem Dekodierfilter verwendet werden, um die besagten Verzerrungen vom besagten Signal zu entfernen; und

Einfügen eines Referenzsignals in das besagte Signal;

wobei das besagte Referenzsingal aus einer Fensterfunktion und mehreren sinusartigen Funktionen erzeugt wird, nicht zyklisch ist, ein in der Bandbreite des besagten Übertragungswegs im wesentlichen flaches Frequenzspektrum hat und in einem Zeitabschnitt eine große Anzahl im wesentlichen konstante, aufeinanderfolgende Spitzen hat.

5. Ein Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das besagte Referenzsignal durch folgende Gleichung beschrieben wird:

wobei

wobei α, A, Cn, b und Ω reelle Zahlen sind;

und N eine ganze Zahl ist;

und W(ω) eine Fenster-Fenster-Funktion ist.

6. Ein Verfahren nach Anspruch 4, wobei das besagte Referenzsignal durch folgende Gleichung beschrieben:

wobei A, b und Ω reelle Zahlen sind;

und W(ω) eine Fenster-Fenster-Funktion ist.

7. Ein Signal, das in einen Übertragungsweg eingebracht wird oder werden kann, der das Signal verzerrt, wobei das Signal ein Referenzsignal umfaßt, aus dem Koeffizienten abgeleitet werden können, die in wenigstens einem Dekodierfilter verwendet werden, der die besagten Verzerrungen aus dem besagten Signal entfernt; wobei das besagte Referenzsignal mit einer Fensterfunktion und mehreren sinusartigen Funktionen erzeugt wurde, nicht zyklisch ist und in der Bandbreite des besagten Übertragungswegs ein im wesentlichen flaches Frequenzspektrum hat und in einem Zeitabschnitt eine große Anzahl im wesentlichen konstante, aufeinanderfolgende Spitzen hat.

8. Ein Signal nach Anspruch 7, wobei das besagte Referenzsignal durch folgende Gleichung beschrieben wird:

wobei α, A, Cn, b und Ω reelle Zahlen sind;

und N eine ganze Zahl ist;

und W(ω) eine Fenster-Fenster-Funktion ist.

9. Ein Signal nach Anspruch 7, wobei das besagte Referenzsignal durch die folgende Gleichung beschrieben wird:

wobei A, b und Ω reelle Zahlen sind;

und W(ω) eine Fenster-Fenster-Funktion ist.