Abtastratenumrechnung - Sample-rate conversion

Bei der Abtastratenumwandlung wird die Abtastrate eines diskreten Signals geändert , um eine neue diskrete Darstellung des zugrunde liegenden kontinuierlichen Signals zu erhalten . Zu den Anwendungsbereichen gehören Bildskalierung und audiovisuelle Systeme, bei denen aus technischen, wirtschaftlichen oder historischen Gründen unterschiedliche Abtastraten verwendet werden können.

Beispielsweise verwenden Compact Disc Digital Audio- und Digital Audio Tape- Systeme unterschiedliche Abtastraten, und amerikanisches Fernsehen, europäisches Fernsehen und Filme verwenden unterschiedliche Bildraten . Die Umrechnung der Abtastrate verhindert Änderungen der Geschwindigkeit und der Tonhöhe , die sonst beim Übertragen von aufgezeichnetem Material zwischen solchen Systemen auftreten würden.

Innerhalb bestimmter Domänen oder für bestimmte Konvertierungen werden auch die folgenden alternativen Begriffe für die Abtastratenumwandlung verwendet: Abtastfrequenzumwandlung , Resampling , Upsampling , Downsampling , Interpolation , Dezimierung , Upscaling , Downscaling . Der Begriff digitale Mehrraten-Signalverarbeitung wird manchmal verwendet, um Systeme zu bezeichnen, die eine Abtastratenumwandlung beinhalten.

Techniken

Konzeptionelle Ansätze zur Konvertierung der Abtastrate umfassen: Konvertieren in ein analoges kontinuierliches Signal, anschließendes erneutes Abtasten mit der neuen Rate oder Berechnen der Werte der neuen Abtastwerte direkt aus den alten Abtastwerten. Der letztere Ansatz ist zufriedenstellender, da er weniger Rauschen und Verzerrungen verursacht. Zwei mögliche Implementierungsmethoden sind wie folgt:

  1. Wenn das Verhältnis der beiden Abtastraten eine feste rationale Zahl L / M ist (oder durch diese angenähert werden kann) : Erzeugen Sie ein Zwischensignal, indem Sie L - 1 Nullen zwischen jede der ursprünglichen Abtastungen einfügen . Tiefpassfilter dieses Signal mit der Hälfte der niedrigeren der beiden Raten. Wählen Sie jede M- te Probe aus der gefilterten Ausgabe aus, um das Ergebnis zu erhalten.
  2. Behandeln Sie die Stichproben als geometrische Punkte und erstellen Sie alle erforderlichen neuen Punkte durch Interpolation. Die Auswahl einer Interpolationsmethode ist ein Kompromiss zwischen Implementierungskomplexität und Konvertierungsqualität (gemäß den Anwendungsanforderungen). Häufig verwendet werden: ZOH (für Film- / Videobilder), Cubic (für Bildverarbeitung) und Sinc-Funktion mit Fenster (für Audio).

Die beiden Methoden sind mathematisch identisch: Das Auswählen einer Interpolationsfunktion im zweiten Schema entspricht dem Auswählen der Impulsantwort des Filters im ersten Schema. Die lineare Interpolation entspricht einer dreieckigen Impulsantwort. Das Fenster mit Sinc nähert sich einem Mauerfilter an (es nähert sich dem gewünschten "Mauer" -Filter, wenn die Anzahl der Punkte zunimmt). Die Länge der Impulsantwort des Filters in Methode 1 entspricht der Anzahl der Punkte, die bei der Interpolation in Methode 2 verwendet werden.

Bei Methode 1 kann eine langsame Vorberechnung (wie der Remez-Algorithmus ) verwendet werden, um ein optimales Filterdesign (je nach Anwendungsanforderungen) zu erhalten. Methode 2 funktioniert in allgemeineren Fällen, z. B. wenn das Verhältnis der Abtastraten nicht rational ist oder zwei Echtzeitströme berücksichtigt werden müssen oder die Abtastraten zeitlich variieren.

Weitere Informationen zum Design / zur Implementierung des Abtastraten-Konvertierungsfilters finden Sie unter Dezimierung und Upsampling .

Beispiele

Film und Fernsehen

Die Slow-Scan-TV- Signale der Apollo- Mondmissionen wurden für die Zuschauer zu Hause auf die herkömmlichen TV-Raten umgestellt. Digitale Interpolationsschemata waren zu diesem Zeitpunkt nicht praktikabel, daher wurde eine analoge Umwandlung verwendet. Dies beruhte auf einer TV-Kamera, die einen Monitor mit den Apollo-Slow-Scan-Bildern ansah.

Filme (aufgenommen mit 24 Bildern pro Sekunde) werden in Fernsehen umgewandelt (ungefähr 50 oder 60 Felder pro Sekunde). Um beispielsweise einen Film mit 24 Bildern / Sek. In ein Fernsehgerät mit 60 Feldern / Sek. Zu konvertieren, werden alternative Filmbilder zwei- bzw. dreimal angezeigt . Bei 50-Hz-Systemen wie PAL wird jeder Frame zweimal angezeigt. Da 50 nicht genau 2 × 24 ist, läuft der Film 50/48 = 4% schneller und die Audio-Tonhöhe ist 4% höher, ein Effekt, der als PAL-Beschleunigung bezeichnet wird . Dies wird häufig der Einfachheit halber akzeptiert, es sind jedoch komplexere Methoden möglich, bei denen Laufzeit und Tonhöhe erhalten bleiben. Jedes zwölfte Bild kann dreimal statt zweimal wiederholt werden, oder die digitale Interpolation (siehe oben) kann in einem Videoskalierer verwendet werden .

Audio

Audio auf CD hat eine Abtastrate von 44,1 kHz; Um es auf ein digitales Medium zu übertragen, das 48 kHz verwendet, kann die obige Methode 1 mit L = 160, M = 147 verwendet werden (da 48000/44100 = 160/147). Für die umgekehrte Umwandlung werden die Werte von L und M vertauscht. In beiden Fällen sollte das Tiefpassfilter auf 22,05 kHz eingestellt werden.

Siehe auch

Abtastratenumrechnung in mehreren Dimensionen:

Techniken und Verarbeitung, die eine Konvertierung der Abtastrate beinhalten können:

Anmerkungen

Verweise

Weiterführende Literatur

Externe Links