专利名称：用于重放记录的折叠频谱视频信号的线性相位滤波的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用公知为“频率折叠”的带宽压缩技术再现记录在磁带上的视频信号的设备和方法。
近来，随着数字图象处理技术的发展，在利用常规的磁记录/重放装置重放视频磁带记录的图象的扫描行相平行的方向上，已取得了清晰度的改善。由于4种常规的家用磁记录和重放机[例如盒式磁带录象机(VCR)或磁带录象机(VTR)]的有限的记录带宽，亮度信号的清晰度通常会下降，其原因是记录/重放磁头和磁带的性能局限性所致，因此，产生了称之为超VHS(S-VHS)系统的VHS系统，其图象质量的改进是通过利用一个高子标准VHS记录所用的调频载波，在整个带宽上记录视频信号来得到保证的。由于该调频载波高于标准VHS所用的调频载波，故一个S-VHS记录就不能在一个标准重放系统上重放。
由本发明人及合作者在1990年8月17日申请的题目为“改善的视频信号记录系统”的美国专利申请，序列号为07/569，029，专利号为US5，113，262，现已转让给三星电子有限公司(SamsungEletroruicsCo，Ltd)的说明书和附图在此作为参考。在上述的系统中，采用了公知为“频率折叠”的带宽压缩技术，以便在具有有限带宽的记录介质上在整个带宽上记录视频信号，然后，通过从记录介质上进行重放，再现出原来记录的复合视频信号。利用这种记录系统所进行的记录能够在一个标准再现系统中进行重放，而不会在再现的图象中伴生出不希望的人为干扰。
然而，本发明人及合作者在上述美国专利中公开的发明具有这样一个缺点，即由于信号的某些部分被衷减或具有一个相位差而降低再现的图象质量。这种降低是由于在重放系统的模拟部分缺乏相位线性而引起的。这就导致偏离线性相位操作，其中，在所有涉及的频率上群延迟特性不恒定，而且影响折叠信号展开为原来的全带宽信号。
本发明的一个方面是一方法，用于从记录在一个记录介质(例如磁带)上的调频信号中再现出全带宽视频信号，其调制是根据一种频率带宽压缩技术产生的折叠频谱视频信号进行的，即在规定的折叠频率附近，折叠全带宽视频信号的上半部频谱，以占据与全带宽视频信号的下半部频谱相同的带宽。调频信号是通过从记录介质上重放而再现，并被解调以产生一个调制结果。只对调制结果的低通分量数字化，由此以规定的取样速率产生第一数字取样流。解调结果的低通分量是由抗混淆滤器以模拟方式产生的，以便基本上仅抑制解调结果的高通分量，否则，当以规定的取样频率进行数字化时将引起混淆。含有再现的折叠频谱视频信号的基带与含有调频载波其它残余部分的高频带经受抗混淆滤波。第一数字取样流进行数字化滤波，以产生第二数字取样流，它表示再现的折叠频谱信号，而且基本上不含有调频载波的其它残余部分，其频率高于含有再现的折叠频谱视频信号带。-6本发明的另一方面涉及用于执行上述方法的设备。所述设备包括模拟再现装置，该装置包括一个解调器，用于解调从记录介质重放的调频信号以产生一个解调结果，还包括一个抗混淆滤波器，用于以模拟方式提供一个具有截止频率的低通响应，该截止频度稍微低于规定的取样速率的一半。所述设备还包括数字再现装置，该装置包括一个模/数转换器，用于将由模拟再现装置提供为输出信号的抗混淆滤波器的低通响应数字化，从而产生具有规定取样速率的第一数字取样流，还包括一个数字滤波器，用于从第一数字取样流中选择出表示再现的折叠频率视频信号的第二数字取样流;以及一个用于使再现的折叠频率视频信号展开以产生再现的全带宽视频信号的装置。
参照下列附图详细地说明本发明的实施例将使本发明的目的和其它优点变得更为明显。
图1A到1K用于说明采用现有的带宽压缩技术记录和重放全带宽电视图象的方法，上述现有技术在本发明人及合作者的美国专利US5，113，262，标题为“改善的视频信号记录系统”中已进行了描述。
图2表示了一种设备框图，是由本发明人及合作者用来从以上述现有技术(US5，113，262)记录的折叠频谱视频信号中再现出电视图象。
图3示出了图2中模拟低通滤波器的频率和群延迟特性，其中滤波器确定了含有折叠频谱亮度信号的基带。
图4示出一种设备框图，该设备用于从折叠的频谱信号记录中再现电视图象，其设备实施本发明。
图5示出了图4中模拟低通滤波器的频率和群延迟特性，其中，滤波器是一个在模/数转换器之前所含有的抗混淆滤波器。
图6示出了图4中数字低通滤波器的频率和群延迟特性，其中，滤波器确定了含有折叠频谱亮度信号的基带，而且是一个具有对称核心的有限冲激响应滤波器，因此是一个线性相位滤波器。
图1A说明了一个将进行记录的原信号的全带宽频谱。美国专利5，113，262描述了将这个全带宽频谱分成低通分量和高通分量，其中，高通分量以折叠频率ωf进行频谱折叠以产生一个反向的副频谱，该反向的副频谱是基于与低通分量相同的基带副频谱。图1A中的频谱划分成低通分量和高通分量是利用数字有限冲激响应滤波器(FIK)完成的，该滤波器显示出在一个交叉频率上的它们各自的-6dB点之间无差分相位偏移，其交叉频率选择为折叠频率ωf。图1B表示出图1A信号的低通分量频谱，该信号缶上扩展，从零频率经-6dB在折叠频率ωf上交叉。图1c表示出图1A所示的原始信号的高通分量频谱，该信号扩展，经-6dB在折叠频率ωf上交叉，并从折叠频率ωf向上延到原来的全带宽频谱的滚降频率。
图1D说明了通过外差方法完成的高通分量到低频带的变换，即以平衡调制方式将所述分量与折叠载频ωfc混合，它产生反向的基带副频谱作为折叠载频ωfc的较低边带。这种平衡调制方式也产生一个图象副频谱作为折叠载频ωfc的较高的边带，通过适当的滤波可抑制所述图象副频谱。折叠载频ωfc高于原来的全带宽频谱的滚降频率。图1E表示出折叠频谱，它是通过将图1B所示的低通分量加到现已移到图1D上示为低通分量的高通分量形成的。
具有示于图1E折叠频谱的频率折叠信号用于在3.4～4.4MHZ±0.1MHZ的频率范围内调制一个载频，在滤波以抑制低于1.4MHZ的边带能量之后，产生一个占据1.4～7.0MHZ带宽的频谱。得到的调频信号(FM)记录在一记录介质上。在重放时，FM信号从记录介质中恢复，然后被解调以再现出具有图1E所示的折叠频谱的频率折叠信号。
图1F示出了已变换为原高频带的图1E所示的折叠频谱，它是这样完成的，即在重放过程中，将具有图1E所示的折叠频率的频率折叠信号与折叠载频ωfc的一个载波在重放系统中相混合。图1G表示了一个总的信号频谱，它是将图1E的频率折叠的信号加到图1F的频率变换的信号上而得到的，所得到的总信号频谱通过一个梳状滤波器，以抑制在折叠过程中产生的混淆，从而产生个具有图1H所示频谱的梳状滤波器响应。
图1I和1K表示了最后再现的输出信号的频率特性。图1I中，低通和高通分量在它们的交叉频率ωf上无差分时延，而在图1J和1K中低通和高通分量在它们的交叉频率ωf上分别有180°和90°的差分时延。换言之，在折叠和展开过程中，当低通和高通分量在其-6dB交叉频率ωf上为相同相位时，重放时就能精确地再现出全带宽视频信号。然而，如果低通和高通分量在其交叉区域间存在差分延迟，那么这两种分量在一定程度上相互抵消，结果就得不到延伸至交叉区域的所希望的平缓幅值响应特性。而且还存在从所希望的线性相位特性偏离的问题。
图3是本发明人及其合作者以前曾使用过的重放设备，用于利用一个规定的载频调频(FM)从折叠频谱的视频信号再现出电视图象。除了解码器112(这用于展开上述折叠频谱的视频信号)之外，图2的重放设备与记录无折叠频谱视频信号的VHS中常规用的设备相同。在重放期间，含有至少一个重放头的磁带传输部分100以电信号形式再现出以磁变量形式记录在磁带上的调频信号，并由一个FM解调器102进行解调。FM解调器102将其输出信号提供给模拟低通滤波器104。滤波器104是一个具有2.5MHZ截止频率的基带滤波器，而且与FM解调器102的折叠频谱输出信号响应，但没有伴生的FM载波谐波及它们各自的边带。去加重电路106将低通滤波器加重的部分进行去加重，以响应于获得一个平缓的响应，该平缓的响应提供到模/数转换器108用于数字化，时基校正电路110校正来自转换器108的数字信号的时轴误差，并将所得到的时基校正的数字信号提供到解码器112。
FM解调器102最好中这样一种类型的零交叉检测器，即检测正向和负向上平均值轴的交叉以产生一个脉冲位置调制信号(PPM)。该PPM信号经低通滤波以抑制FM载波信号的谐波及其各自和边带结构。由于零交叉检波器是一种检测正向和负向上平均值轴交叉的检测器，那么与FM载波信号的偶数谐波及其各自和边带结构相比较，FM载波信号的奇数谐波信其各自的边带结构是被抑制的。因此，理论上，是FM载波的二次谐波及其边带而不是FM载波的基波及其边带必须抑制为实际强度的是最低频率分量，这可以简化选择基带和抑制FM载波信号的谐波及其各自的边带结构的问题。然而，实际上，FM载波的基波及其边带难以完好地消除，因此就必须通过滤波以消除其残余分量来保证。
当FM解调器102是一个零交叉检测器时，由它产生的未滤波PPM信号包含有一个基带分量和FM载波信号的谐波及其伴生的各自的边带结构。为了增加基带能量对FM载波信号的谐波及其各自的边带结构的综合能量的比例，在零交叉处检测到的脉冲在时间上延伸，但不至于延伸到干扰一个脉冲。这种脉冲延伸也简化了选择基带和抑制FM载波信号的谐波及其各自的边带结构的问题。
以前，PPM信号滤波以抑制FM载波信号的谐波及其各自的边带结构是以模拟方式完成的，即采用具有截止频率2.5MHz的模拟低通滤波器104，模拟滤波器104的2.5MHz截止频率低于由模/数转换器108进行取样的取样频率的一半，因此就无需一个抗混淆滤波器去避免利用一个为此提供较高频率的转换器108的副尼奎斯特取样。
图3说明了模拟滤波器104在其2.5MHz截止频率区域内如何呈现出一种急剧增加的群延迟，这就是，在这个区域上有一个明显大于线性相位延迟的延迟，它恰好与全带宽频谱的低通和高通分量之间的交叉区域重合，所述全频带频谱在图1F～1I所示的每个过程中是联接在一起的。这个延迟产生3提供给解码器112的经时基校正的数字折叠频谱亮度信号，以便从交叉区域上或折叠频率ωf的区域上的所期望的线性相位特性偏离开，并在该区域的线性相位延迟的上面有一个过量的延迟。这就引起了从图1J和1K所示的频谱折叠亮度中产生一个亏损的全带宽亮度信号再现。
图4表示了实施本发明这一方面的一种重放设备，用以执行上述的实施本发明另一方面的方法。广泛地讲，图4的重放设备包括一个磁带传送部分200，它至少有一个重放头，用于以电信号的形式再现以磁变量的形式记录在磁带上的调频信号，还包括有模拟重放电路20A和数字重放电路20B。模拟重放电路20A包括一个FM解调器202，一个低通滤波器214和一个去加重电路206。数字重放电路20B包括一个模/数转换器208，它使模拟重放电路20A的输出信号数字化，还有一个时基校正电路210，数字低通滤波器216和解码器212。元件200，202，206，208，210及212与图2中的元件100，102，106，108，110及112基本相同。
模拟重放电路20A对重放期间提供的调频信号进行解调，并将已解调的信号提供给数字重放电路20B中的模/数转换器208。低通滤波器214是一个抗混淆滤波器，其截止频率低于取样速率的一半。由模/数转换器208以该取样速率提供第一数字取样流中的取样。数字滤波器214提供的截止避免了利用一个为此提供较高频率的转换器208的副尼奎斯特取样。因此，就不会由转换器208产生混淆。未经抗混淆滤波器214抑制的FM载波的任何谐波及其各自的边带都是第一数字取样流中的取样分量，第一数字取样流是由模/数转换器208提供给数字低通滤波器216的。数字低通滤波器216的响应是第二数字取样流，其中，FM载波的谐波及其各自的边带均被抑制。该第二数字取样流表征了再现的折叠亮度信号，并提供到解码器212上。解码器212完成上述的展开过程，以再现出原来的全带度亮度信号。
图5表示了低通、抗混淆滤波器214在滤波器214趋于-3dB截止之前的频率上具有一个恒定的群延迟特性。该频率延伸并稍稍超过折叠频率ωf。在本发明的优选实施例中，发明者选择2.55MHZ的折叠频率ωf，它是折叠载频的一半。折叠频率ωf是模/数转换器208的取样速率10.2MHZ的四分之一，这个取样速率是NTSC制电视中行扫描频率的640倍。
滤波器214的-3dB转角频率位于4MHZ，由一个有限Q系列臂式电感(arminductor)和一个并联的腿式电容(legcapacitor)构成。滤波器214通过0-2.55MHZ频带，该频带包括在基本为线性相位中的折叠频谱亮度信号，以及其响应的较低频部分。假设载波频率在3.4～4.4MHZ±0.1MHZ的频率范围内变化，那么滤波器214也通过(在一定程度上)FM载波基波的较低边带，FM载波本身以及FM载波基波上边带的残余分量。FM解调处理的剩余部分具有这样的频率，它们贯穿滤波器214的区域中，响应于群延迟特性中具有的一个实际峰值(即它展现了相对于所希望的线性相位延迟的实际偏离)，但是，这种FM解调处理的剩余部分也可以利用数字低通滤波器216以数字方式去除。由于FM解调处理的这些剩余部分抑制到与数字低通滤波器216响应的相对来说很低的电平，那么，对于在解码器212中展开折叠的亮度信号来说，FM解调处理的这些剩余部分的相位调整是无关紧要的。
图6示出了数字低通滤波器216在整个频带宽度上呈现的群延迟特性。这是任一种具有结称核心有限冲激响应(FIR)滤波器的特性，是线性相位响应的结果。该数字低通滤波器216被设计成这种数字式滤波器的形式，是为了以一种特别的方式显露这些已知特性。在参照上述本发明的优选实施例中，发明者使用了带有汉明窗口(Hamming-Window)响应的31抽头FIR滤波器，它具有在2.55MHZ上的-3dB转角频率，以此作为数字低通滤波器216。31抽头FIR滤波器的-3dB滚降增加磁带再现系统在该频率上的约-3dB滚降，以形成在2.55MHZ折叠频率上的约-6dB滚降。这个-6dB滚降位于较低亮度频率的正常频谱的较高频端，和记录之前在折叠过程中完成的已变换为基带的较高亮度频率反向频谱的较高频端。在重放期间进行的展开过程中完成的是，反向频谱变换回其原来的频带和正常的频率顺序，以在其较低频率端，在2.55MHZ折叠频率上是-6dB下降。当较高亮度频率的频带在其较高频率端加到在2.55MHZ上具有-6dB滚降的较低亮度频率基带时，使全带宽频谱在2.55MHZ附近接近于平缓。
本发明可应用到如盒式磁带录象机等视频设备上，以便从调频信号中再现全带宽视频信号，其中调频信号是利用带宽压缩技术产生的折叠频率视频信号调制的。
权利要求
1.一种用于从调频信号中再现全带宽视频信号的方法，所说的调频信号是从用于调制一个调频载波的频率的降低了带宽的折叠频谱视频信号中得到的，所说的折叠频谱视频信号是由所说的全带宽视频信号的频率折叠带宽压缩技术得到的，所说的方法包括如下步骤从所说的记录介质上恢复所说的模拟形式的调频信号；将模拟形式的调频信号转换成模拟形式的脉冲位置调制信号，所说的脉冲位置调制信号包含有与降低了带宽的折叠频谱视频信号相对应的基带分量，所说的调频载波的谐波及其调频边带；以规定的取样速率将模拟信号数字化，该模拟信号是对所述模拟形式的脉冲位置调制信号进行滤波的初始步骤的响应，以抑制其频率高于规定的取样速率一半的那些分量，并在包含折叠频谱视频信号的整个频带上维持一个恒定的群延迟特性；以及对上述数字化步骤的响应进行数字滤波，以抑制所说的调频载波的谐波及其调频边带，并在含有折叠频谱视频信号的整个频带上维持一个恒定的群延迟特性。
2.一种用于从调频信号中再现全带宽视频信号的方法，如在权利要求5中提出的，用作从一记录在记录介质中的调频信号中再现全带宽视频信号的方法的步骤，该步骤跟随在通过从所述记录介质重放，再现所述调频信号初始步骤之后。
3.一种用于从调频信号中再现全带宽视频信号的方法，如在权利要求1中提出的，其中，完成滤波所述模拟形式的脉冲位置调制信号的步骤，用以在含有折叠频谱视频信号的整个频带上维持其中平缓的幅值响应特性和伴生的线性相位特性。
4.一种用于从调频信号中再现全带宽视频信号的方法，如在权利要求1中提出的，其中完成所述数字滤波步骤利用了一个有限冲激响应低通数字滤波器。
5.一种用于从调频信号中再现全带宽视频信号的方法，该调频信号是按照一种折叠频谱视频信号来调制的，该折叠频谱视频信号是利用一种带宽压缩技术产生的，即在一个规定的折叠频率附近，使全带宽视频信号的上半部频率折叠，以占据与全带宽视频信号的下半部相同的频带，所述方法包括如下步骤解调所述调频信号以产生一个解调结果;仅对所述解调结果的低通分量部分数字化，以产生以规定的取样速率形成的第一数字取样流，所述解调结果的低通分量部分是以模拟方式滤波的初始步骤产生的，以便基本上仅抑制所述解调结果的交通分量部分，否则，当以规定的取样速率数字化时会引起混淆，对所述的第一数字取样流进行滤波以产生表征再现的折叠频谱视频信号的第二数字取样流，其中，抑制了所述第二数字取样流中其频率高于所述再现的折叠频谱视频信号的那些分量，以及通过展开所述的再现折叠频谱视频信号的产生一个再现的全带宽视频信号。
6.一种用于从调频信号中再现全带宽视频信号的方法，如权利要求5中提出的，其中，在及至所述规定折叠频率的频率范围内，所述解调结果的低通分量部分被处理成具有恒定的群延迟特性并基本没有幅值响应的滚降特性。
7.一种用于从调频信号中再现出全带宽视频信号的方法，如权利要求6中提出的，用作从记录在记录介质上的调频信号中再现出全带宽视频信号的方法的步骤，所述步骤跟随在通过从所述记录介质重放再现所述调频信号的初始步骤之后。
8.一种用于从调频信号中再现出全带宽视频信号的方法，如权利要求5所提出的，用作从记录介质中的调频信号中再现全带宽视频信号的方法的步骤，该步骤跟随在通过从所述记录介质中重放再现所述调频信号的初始步骤之后。
9.一种用于从记录介质上重放的调频信号中再现全带宽视频信号的再现全带宽视频信号的设备，所述的调频信号是按照一种折叠频谱视频信号来调制的，该折叠频谱信号是利用一种带宽压缩技术产生的，即在一个规定的折叠频率附近，使全带宽视频信号的上半部频谱频率折叠，以占据与全带宽视频信号的下半部相同的频带，所述设备包括模拟再现装置(20A)，包括有一个解调器(202)，用于解调所述的调频信号以产生一个解调结果，及一个以模拟方式操作的抗混淆滤波器(214)，用于提供一个其截止频率稍低于规定的取样速率一半的低通响应;以及数字再现装置(20B)，包含有一个模/数转换器(208)，用于使由抗混淆滤波器提供的作为所述再现装置(20A)的输出信号进行数字化，并产生具有以所述规定采样速率产生的第一数字取样流;一个数字滤波器(216)，用于从所述第一数字取样流中选择出表征再现的折叠频谱视频信号的第二数字取样流;以及用于展开所述再现的折叠频谱视频信号以产生所述再现的全带宽视频信号的装置。
10.一种用于从记录介质上重放的调频信号中再现全带宽视频信号的设备，如权利要求9所提出的，其中，所述的数字滤波器(216)实质上由一个有限冲激响应低通滤波器构成，其截止频率基本上等于折叠频率。
11.一种用于记录介质上重放的调频信号中再现全带宽视频信号的设备，除权利要求10所提出的装置之外，还包括一个传输部分(200)，用于从所述记录介质上进行重放，所述传输部分(200)还包括至少一个重放头，用于在从所述记录介质上重放时提供所述的调频信号。
12.一种用于从记录介质上重放的调频信号中再现全带宽视频信号的设备，除权利要求9所提出的装置之外，还包括一个传输部分(200)，用于从所述记录介质上重放，所述传输部分(200)还包括至少一个重放头，用于在从所述记录介质上重放时提供所述的调频信号。
13.一种从调频信号中再现全带宽视频信号的设备，所述调频信号是用于调制一个调频载波的频率的降低了带宽的折叠频谱视频信号中产生的，所述的折叠频谱视频信号是从对所述全带宽视频信号进行频率折叠的带宽压缩技术产生的，所述设备包括一个调频解调器(202)，用于响应于在此提供用作解调的调频信号产生一个脉冲位置调制输出信号，该脉冲位置调制信号基带中包含有与所述降低了带宽的折叠视频信号相同成分，而且还包含有所述调频载波的谐波以及其调频边带;一个模/数转换器(208)，用于以规定的取样速率产生表征在此作为输入信号的一个模拟信号以数字化取样;一个抗混淆滤波器(214)，用于响应于所述调频解调器(202)的输出信号，以产生用作模/数转换器(208)输入信号的模拟信号;一个数字滤波器(216)，用于响应由所述的模/数转换器(208)以规定的取样速率产生的数字化取样，以提供与所述的折叠频谱视频信号一样的数字化取样，该折叠频谱视频信号是降低了带宽器且不伴生有响应于所述调频载波的谐波及其边带的，以及一个解码器(212)，用于产生与原来的全带宽视频信号一样的信号，响应于与所述折叠视频信号一样的数字化取样，该折叠视频信号对于原来的带宽来说，是降低了带宽且不伴生有响应于所述调频载波的谐波及其调频边带的，如同从数字滤波器(216)提供的一样。
14.一种用于从记录介质上重放的调频信号中再现出全带宽视频信号的设备，除权利要求13所要求的设备之外，还包括一个传输部分(200)，用于从所述记录介质上进行重放，所述传输部分包括至少一个重放头，用于在从记录介质上进行重放时，提供所述的调频信号。
15.一种用于从记录介质上重放的调频信号中再现全带宽视频信号的设备，如权利要求13所提出的，其中，所述调频解调器(202)是这样一种类型的，即在其中检测正向和反向上调频信号平均值轴的交叉，并产生一个脉冲位置调制信号作为所述调频解调器(202)的输出信号。
16.一种用于从记录介质上重放的调频信号中再现全带宽视频信号的设备，除权利要求15所要求的设备之外，还包括一个传输部分(200)，用于从所述记录介质上进行重放，所述传输包括至少一个重放头，用于在从记录介质上重放时，提供所述的调频信号。
17.一种用于从记录介质上重放的调频信号中再现全带宽视频信号的设备，如权利要求13所提出的，其中，所述数字滤波器(216)是一个截止频率等于折叠频率的有限冲激响应低通滤波器。
18.一种用于从记录介质上重放的调频信号中再现全带宽视频信号的设备，除从记录介质上进行重放的权利要求17所要求的设备之外，还包括一个传输部分(200)，用于从所述记录介质上进行重放，所述传输部分包括至少一个重放头，用于在从记录介质上重放时，提供所述调频信号。
全文摘要
本发明用零交叉检测器将折叠频率亮度信号编码的FM信号转换成PPM信号，其基带具有折叠频谱亮度信号伴有FM载波的谐波及其边带。该信号经仅抑制较高频率的抗混淆滤波器(214)后由模/数转换器(208)数字化，在数字化期间以小于尼奎斯特速率取样。若无抗混淆滤波，FM载波的谐波及其边带的抑制将延到数字化后再用线性相位数字滤波抑制，并响应数字滤波的折叠频谱亮度信号被解折以恢复原来的全带宽。
文档编号H04N9/797GK1089419SQ9310254
公开日1994年7月13日 申请日期1993年2月7日 优先权日1992年2月7日
发明者高桢完, 克里斯托弗·修·斯特罗尔 申请人:三星电子株式会社