DE1813484C3

DE1813484C3 - Signal prediction device for use in transmission and reception in a transmission system

Info

Publication number: DE1813484C3
Application number: DE19681813484
Authority: DE
Inventors: Robert Wendell Fair Haven NJ Lucky (VStA)
Original assignee: WisteTTi EItCVfK Company Inc, New York, NY (VStA)
Priority date: 1967-12-14
Filing date: 1968-12-09
Publication date: 1977-10-06

Description

ter Signalwerte. Solange irgendein Grad von Korrelation zwischen aufeinanderfolgenden Signalwerten innerhalb der Laufzeil der Verzögerungsleitungen vorhanden ist, weist die Differenz zwischen diesen eine geringere Änderung auf als die zwischen den Eingangsdaten. Infolgedessen erzeugt ein linearer Modulator eine kleinere Energie bei der Übertragung von Fehlersignalproben als bei der Übertragung der ursprünglichen Daten.ter signal values. As long as some degree of correlation between successive signal values within the running line of the delay lines is present, the difference between them has a less change than that between the input data. As a result, a linear modulator produces a smaller energy in the transmission of error signal samples than in the transmission of the original dates.

Nach der Demodulation am Empfänger wird die vorausgesagte Komponente zu den empfangenen Fehlersignalen addiert, um die ursprünglichen Daten zu rekonstruieren. Es wird eine Abschneideschaltung hinzugefügt, um die Ausgangsdaten rechteckig zu machen und um das Rauschen zu beseitigen, das der Übertragungskanal beiträgt.After demodulation at the receiver, the predicted component becomes the one received Error signals are added to reconstruct the original data. It becomes a clipping circuit added to make the output data rectangular and to remove the noise that the Transmission channel contributes.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Rückkopplung des Fehlersignals und seine Korrelation mit den gespeicherten Signalproben die Tendenz haben, die Einstellungen der Abgriffabschwächer ohne die Komplikationen eines Hilfsrechners zu optimieren. Die Abschwächereinstellungen werden in sehr einfacher und geradliniger Welie zeitveränderlich gemacht.A particular advantage of the invention is that the feedback of the error signal and its Correlation with the stored signal samples have a tendency to change the settings of the tap attenuators without optimizing the complications of an auxiliary computer. The attenuator settings are made in very simple and straightforward Welie made time-changing.

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigtThe invention is described below with reference to the drawings. It shows

Fig. 1 ein allgemeines Blockschema einer Übertragungsanlage mit einer Signalvoraussageeinrichtung bekannter Art,Fig. 1 is a general block diagram of a transmission system with a known type of signal prediction device,

Fig.2 ein Blockschema einer Signalvoraussageeinrichtung, die auf der Sendeseite eines Datenübertragungssystems verwendet wird,2 shows a block diagram of a signal prediction device, which is used on the transmission side of a data transmission system,

F i g. 3 ein Blockschema einer entsprechenden Signalvoraussageeinrichtung auf der Empfangsseite eines Datenübertragungssystems,F i g. 3 is a block diagram of a corresponding signal prediction device on the receiving side of a data transmission system,

Fig.4 ein Blockschema einer sich anpassenden Signalvoraussageeinrichtung nach der Erfindung, die in einem Datensender verwendet werden kann,Fig. 4 is a block diagram of an adapting Signal prediction device according to the invention, which can be used in a data transmitter,

Fig.5 ein Blockschema einer sich anpassenden Signalvoraussageeinrichtung nach der Erfindung, die in einem Datenempfänger verwendet werden kann, undFig. 5 is a block diagram of an adaptive signal predictor according to the invention shown in a data receiver can be used, and

Fig.6A und 6B Signaldiagramme, welche die Arbeitsweise einer erfindungsgemäßen, sich anpassenden Signalvoraussageeinrichtung erläutern.Figures 6A and 6B are signal diagrams illustrating the operation of an inventive adaptive Explain signal prediction device.

Die Grundidee der linearen Voraussage, wie sie in den angeführten Patentschriften und anderswo dargelegt ist, ist im Blockschema der F i g. 1 dargestellt. In diesem Schema ist angenommen, daß Eingangsdatenproben, aus einer Nachrichtenquelle 10 entsprechend einer zeitlichen Folge x_n entnommen werden. Diese Proben gehen über eine lineare Voraussageeinrichtung 11, deren Ausgang K_n Jr_n (das Akzentzeichen zeigt eim;n geschätzten Wert an) zur Zeit t_n eine lineare Voraussage der derzeitigen Probe X_n bildet, gebildet aus einer gewerteten Summierung aller vorangehenden Proben, die in der Voraussageeinrichtung gespeichert sind. Die Voraussage $„ wird von der über die Leitung 12 gelieferten tatsächlichen Probe x„ in einem differenzbildenden Verstärker 13 subtrahiert, der symbolisch durch einen Kreis dargestellt ist. Die Differenz ergibt das Fehlersignal e_m das zur weiteren Verarbeitung und Modulation in der Verarbeitungseinrichtung 14 allein weitergegeben wird. Die Verarbeitung kann herkömmliche Operationen wie die Impulskodierung und die Frequenzumsetzung umfassen, um sich an die Übertragungseigenschaften eines im Block 15 angedeuteten Übertragungskanals anzupassen. Da der Voraussageleil x„, der aus der Eingangsfolge beseitigt ist, eine deu:rniinislische Funktion vergangener Kingangs-SiKiHiIe is., geht keine Information verloren. Die ursprüngliche Signalfolge kann am Empfänger durch eine inverse Voraussageeinrichtung rekonstruier! wer- > den.The basic idea of linear prediction, as set out in the cited patents and elsewhere, is shown in the block diagram of FIG. 1 shown. In this scheme it is assumed that input data samples are taken from a message source 10 in accordance with a time sequence x _n. These samples go through a linear predictor 11, the output of which K _n Jr _n (the accent mark indicates eim; n estimated value) at time t _{n forms} a linear prediction of the current sample X _n , formed from a weighted summation of all previous samples, the are stored in the predictor. The prediction $ " is subtracted from the actual sample x" supplied via the line 12 in a differential amplifier 13, which is symbolically represented by a circle. The difference results in the error signal e _m which is passed on for further processing and modulation in the processing device 14 alone. The processing can include conventional operations such as pulse coding and frequency conversion in order to adapt to the transmission properties of a transmission channel indicated in block 15. Since the prediction part x ", which has been removed from the input sequence, is a German function of past Kingangs-SiKiHiIe., No information is lost. The original signal sequence can be reconstructed at the receiver using an inverse prediction device! will> be.

Am Empfänger wird das Fehlersignal c„ in dem herkömmlichen Demodulator 16 in das Basishand zurückgeführt und einem Addierer 17 zugeleitet, der durch einen Kreis angedeutet ist. Der Ausgang desAt the receiver, the error signal c ″ is fed back into the base hand in the conventional demodulator 16 and fed to an adder 17, which is indicated by a circle. The outcome of the

ίο Addierers 17 ist das Signal X_n, das durch die Addition des getrennt berechneten vorausgesagten Wertes x„ zum Fehlersignal e„ rekonstruiert wird, das in der Voraussageeinrichtung 19 erzeugt ist. Die Voraussageeinrichtung 19 stellt die Umkehrung der Voraussageis einrichtung 11 im Sender dar, ihr Eingangssignal ist das Ausgangssignal des Addierers 17, das auf dem Leiter 18 zugeliefert wird. Das Signal X_n auf dem Leiter 18 geht ferner zum Nachrichtenausgang 20.
Voraussagesysteme sind weitgehend zur AnwendungThe adder 17 is the signal X _n , which is reconstructed by adding the separately calculated predicted value x ″ to the error signal e ″, which is generated in the predictor 19. The predictor 19 represents the reverse of the predictor 11 in the transmitter, its input signal is the output signal of the adder 17, which is supplied on the conductor 18. The signal X _n on the conductor 18 also goes to the message output 20.
Prediction systems are widely used

ίο auf die Bandbreitenkompression von Telemetrie- und Fernsehdaten untersucht worden. In diesen Fällen werden Fehlerproben e„ typischerweise quantisiert und durch Impulskodemodulationsverfahren übertragen. Wegen der Redundanz, d. h. der Voraussagemöglichkeit ίο been investigated for the bandwidth compression of telemetry and television data. In these cases, error samples e "are typically quantized and transmitted by pulse code modulation methods. Because of the redundancy, ie the ability to predict

α5 in den Quellendaten, sind weniger Bits je Probe und damit eine geringere Bandbreite für die Übertragung der Fehlerproben erforderlich als für die Übertragung der ursprünglichen Signalproben bei einer gegebenen Reproduktionstreue.α5 in the source data, there are fewer bits per sample and thus a lower bandwidth is required for the transmission of the error samples than for the transmission of the original signal samples for a given fidelity of reproduction.

jo Die wesentliche Schwierigkeit bei diesen Datenkompressionssystemen besteht in der Auslegung der Voraussagefilter. Deswegen haben voraussagende Übertragungssysteme niemals das Laboratoriumsstadium verlassen. Die praktische Bestimmung der statistischen Eigenschaften der Eingangsdaten und die Verwirklichung des optimalen Voraussagefilters wurde nicht in zufriedenstellender Weise erreicht. Diejenigen Systeme, die demonstriert werden konnten, beruhten auf mittleren statistischen Beschreibungen, wobei die entstandenen Voraussagefilter zeitlich unveränderlich waren. Lösungen mit zeitveränderlichen oder sich anpassenden Voraussageeinrichtungen waren auf durch Rechner verarbeitete Daten beschränkt.jo The main difficulty with these data compression systems consists in the design of the prediction filter. Because of this, predictive transmission systems never have the laboratory stage leaving. The practical determination of the statistical properties of the input data and the Realization of the optimal prediction filter has not been achieved in a satisfactory manner. Those Systems that could be demonstrated were based on mean statistical descriptions, with the resulting prediction filters were invariable over time. Solutions with time-varying or yourself Adequate predictors have been limited to computer processed data.

Die Voraussageeinrichtung nach der Erfindung enthält ein einfach ausgerüstetes sich anpassendes Filter. Wie in den Fig.2 und 3 für die entsprechenden Sende- und Empfangsfilter gezeigt ist, weisen die mit Abgriffen versehenen Verzögerungsleitungen 22 und 32 Abgriffsabschwächer 23 und 33 auf, deren Koeffizienten c„ fortlaufend so eingestellt werden, daß sie eine Voraussage der ankommenden Daten nach den kleinsten Quadraten liefern. Die Einstellungen der Koeffizienten beruhen auf der Statistik eines endlichen Teils der vergangenen Daten während einer Aufnahmeperiode. Bei einer Änderung der Statistik sollen die Koeffizienten automatisch geändert werden, um eine Version des Voraussagefilters zu liefern.The predictor of the invention includes a simple adaptive filter. As is 3 shown for the respective transmit and receive filters in figures 2 and the delay line tapped have 22 and 32 Abgriffsabschwächer 23 and 33, whose coefficients c be set "continuously so that after a prediction of the incoming data the smallest squares. The settings of the coefficients are based on the statistics of a finite part of the past data during an acquisition period. If the statistics change, the coefficients should be changed automatically to provide a version of the prediction filter.

Die F i g. 2 und 3 zeigen die allgemeine Anordnung der Voraussagefilter, die sich nicht anpassen. Am Eingang 21 in F i g. 2 werden binäre Eingangsziffern a„ sowohl einer Subtrahiereinrichtung 24 als auch einer Verzögerungsleitung 22 zugeführt, die hier mit drei Stufen dargestellt sind, die jeweils die gleiche Verzögerung T aufweisen, nämlich den Reziprokwert derThe F i g. Figures 2 and 3 show the general arrangement of the prediction filters which do not adapt. At the entrance 21 in FIG. 2, binary input digits a ″ are fed to both a subtracter 24 and a delay line 22, which are shown here with three stages each having the same delay T , namely the reciprocal of the

6s Datenübertragungsfrequenz. Mit jedem Ausgang der Verzögerungseinheiten 22 sind die einstellbaren Abschwächer 23 verbunden (die Pfeile deuten die Einstellbarkeit an). Die Dämpfungswerte oder Koeffi-6s data transmission frequency. With every exit of the Delay units 22 are connected to the adjustable attenuators 23 (the arrows indicate the Adjustability on). The damping values or coefficients

zienten c* der einzelnen Abgriffe sollen so eingestellt werden daß der Filterausgang der vorausgesagte Wertcient c * of the individual taps should be set in this way that the filter output will be the predicted value

a„ = Σ ^CkC'"-^k a " = Σ ^CkC '" - ^k

wird, wobei c* der Abgriffkoeffizient ist, /: der Abgriffindex, N die Anzahl von Abgriffen und a„ der Momentanwert des Signals (plus oder minus eins, ,₀ entsprechend den Binärwerten L oder 0).where c * is the tap coefficient, /: the tap index, N the number of taps and a " the instantaneous value of the signal (plus or minus one _{,, 0} corresponding to the binary values L or 0).

Der derzeitige vorausgesagte Wert ä„ wird von dem derzeitigen tatsächlichen Wert a„ in der Subtrahiereinrichtung 24 subtrahiert, um eine Fehlersignalprobe e„ zu erhalten, die übertragen wird. Wenn auch a„ nur die , binären Werte +1 oder — 1 annimmt, so sind doch ä„ und e„ analoge Werte. Wenn immer die Ziffern a„ eine Korrelation zueinander haben, z. B. innerhalb des Bereichs der gewählten Anzahl N von Verzögerungsleitungsabgriffen eine Periodizität, werden die Fehlersignalproben e„ für richtig gewählte Abgriffskoeffizienten Ck eine kleinere Änderung aufweisen, als die Änderung der Eingangsdaten beträgt. Eine linearer Modulator, der mit dem Ausgang 25 der Subtrahiereinrichtung 24 verbunden ist, wird eine geringere Energie bei der Übertragung der Fehlersignalproben erfordern als bei der Übertragung der ursprünglichen Daten.The current predicted value " is subtracted from the current actual value a" in the subtracter 24 to obtain an error signal sample e " which is transmitted. Even if a “only assumes the binary values +1 or - 1, then ä“ and e “are analogous values. Whenever the digits a "have a correlation to one another, e.g. If, for example, there is a periodicity within the range of the selected number N of delay line taps, the error signal samples e " for correctly selected tap coefficients Ck will have a smaller change than the change in the input data. A linear modulator connected to the output 25 of the subtracter 24 will require less energy to transmit the error signal samples than to transmit the original data.

Nach der Demodulation am Empfänger wird das empfangene Fehlersignal e„ auf der Leitung 31 der F i g. 3 zu einer neuerlich berechneten Voraussage ä„ addiert, die in einem Voraussagefilter erzeugt wird. Das Filter ist das gleiche wie das Filter am Sender, es weist eine Verzögerungsleitung 32 mit den Verzögerungseinheiten T und den Abgriffabschwächern 33 auf, deren Koeffizienten c* den Koeffizienten am Sender gleich sind. Die kombinierten Ausgangssignale der Abschwächer 33 liefern auf dem Leiter 37 denselben Wert ä_a der am Sender bei NichtVorhandensein von Rauschen vorausgesagt wird. Dieser vorausgesagte Wert wird im Addierer 34 zu dem ankommenden Fehlersignal e„ addiert. Das Empfängerfilter ist durch einen Abschneider oder durch eine Schwellenwert-Auslöseschaltung 36 zwischen dem Ausgang des Addierers 34 und der Ausgangsklemme 35 verbessert. Der Abschneider normalisiert den Ausgang und beseitigt die Wirkung eines etwaigen Leitungsrauschens aus dem rekonstruierten Wert. Die Anordnung am Empfänger hat gewisse Ähnlichkeit mit Gleichstromwiederherstellungssys^emen. After the demodulation at the receiver, the received error signal e " is transmitted on line 31 in FIG. 3 adds a newly calculated prediction ä ", which is generated in a prediction filter. The filter is the same as the filter at the transmitter, it has a delay line 32 with the delay units T and the tap attenuators 33, the coefficients c * of which are equal to the coefficients at the transmitter. The combined output signals of the attenuators 33 provide on the conductor 37 the same value _a that is predicted at the transmitter in the absence of noise. This predicted value is added to the incoming error signal e "in adder 34. The receiver filter is improved by a clipper or by a threshold value trigger circuit 36 between the output of the adder 34 and the output terminal 35. The clipper normalizes the output and removes the effect of any line noise from the reconstructed value. The arrangement on the receiver is somewhat similar to DC restoration systems.

Unter zeitlich unveränderlichen Bedingungen wird die Einstellung der Abschwächer 23 und 33 mit festen empirischen Werten hergesteiit, die auf einer Untersuchung der mittleren Statistik des vorausgesagten Signals beruhen. Erfindungsgcmäß werden dagegen die Koeffizienten c* fortlaufend und in sich anpassender ss Weise gewonnen.Under conditions which do not change over time, the setting of the attenuators 23 and 33 is fixed empirical values derived from a study of the mean statistics of the predicted Based on the signal. According to the invention, on the other hand, the coefficients c * become continuous and self-adapting ss Way won.

F i g. 4 ist ein Blockdiagramm der sich anpassenden Sendevoraussageeinrichtung entsprechend der Erfindung. Die auf dem Eingangsleiter 41 ankommenden digitalen Signale werden um gleiche Beträge Γ in den <«. Verzögerungseinheiten 42 verzögert. Digituie Signale umfassen hier sowohl binäre Symbole als auch Symbole mit mehreren Pegeln, die synchron übertragen werden. Die Verzögerung ¹TiSt wie vorher der reziproke Wert der Datensymbol-Übcrtragungsfrec₎uenz, so daß die d_S Ausgange der jeweiligen Vei/ügerungscinheiten die vorherigen digitalen Werte a„-\, U_n-2, a»-.i sind. Die Ausgange aller Vcrzögerungscinhciten werden selektiv durch die Abschwächer 43 mit einstellbaren Koeffizienten abgeschwächt und auf dem Leiter 50 summiert, um einen vorausgesagten Wert ä„ zu bilden. Die Differenz zwischen dem derzeitigen tatsächlichen Signalwert a„ auf dem Leiter 49 und dem derzeitigen vorausgesagten Wert ä„ wird wie vorher in der Subtrahiereinrichtung 44 gebildet. Dieses Fehlersignal e_n wird auf den Leiter 45 übertragen, ferner der Sammelleitung 51 zugeführt Das Fehlersignal e„ auf der Sammelleitung 51 wird in den Multiplizierern 48 mit den verzögerten früheren Eingangsziffern von den Ausgängen der Verzögerungseinheiten 42 auf den Leitern 52 in Korrelation gebracht. Wenn die Signalwerte auf den Leitern 52 binär sind, können die Abschwächer 43 und die Multiplizierer 48 einfache Umkehrschalter sein. Die Fehlersignale e_n sind jedoch analog, daher sind die Ausgänge der Multiplizierer 48 ebenfalls analog. Diese in Korrelation stehenden Werte der Multiplizierer 48 werden in den Tiefpaßfiltern 47 integriert und gemittelt, um Steuersignale für die Abschwächer 43 zu bilden. Die Zeitkonstanten für die Filter 47 betragen im allgemeinen das Mehrfache des Riiziprokwertes der Übertragungsfrequenz um eine fehlerhafte Arbeitsweise zu verhindern.F i g. Figure 4 is a block diagram of the adaptive broadcast predictor in accordance with the invention. The digital signals arriving on the input conductor 41 are in the <«by equal amounts Γ. Delay units 42 delayed. Digital signals here include both binary symbols and symbols with several levels that are transmitted synchronously. The delay TIST ¹ as before the reciprocal of the data symbol _{Übcrtragungsfrec)} uence, so that the outputs of the respective _S d Vei / ügerungscinheiten the previous digital values of a "- \, u _s -2, a '-. I are. The outputs of all Vcrzögerungscinhciten are selectively attenuated by the attenuator 43 with adjustable coefficients and summed on the conductor 50, to form a predicted value ä ". The difference between the current actual signal value a " on the conductor 49 and the current predicted value a" is formed in the subtracter 44 as before. This error signal e _n is transmitted to conductor 45 and also fed to bus line 51. Error signal e "on bus line 51 is correlated in multipliers 48 with the delayed earlier input digits from the outputs of delay units 42 on conductors 52. When the signal values on conductors 52 are binary, attenuators 43 and multipliers 48 can be simple reverse switches. However, the error signals e _n are analog, so the outputs of the multipliers 48 are also analog. These correlated values of the multipliers 48 are integrated in the low-pass filters 47 and averaged in order to form control signals for the attenuators 43. The time constants for the filters 47 are generally a multiple of the inverse square of the transmission frequency in order to prevent incorrect operation.

Wenn andere als binäre Daten übertragen werden, können die Abschwächer 43 stufenweise einstellbar sein. Bei den stufenweise einstellbaren Abschwächern werden relaisgesteuerte Widerstandskettennetzwerke verwendet. If data other than binary are transmitted, the attenuators 43 can be adjustable in steps. Relay-controlled resistor chain networks are used in the step-by-step adjustable attenuators.

Die Wirkung des Rückkopplungskreises, der die Korrelationseinrichtungen enthält, besteht darini zu versuchen, das Fehlersignal e„ fortlaufend auf Null herabzusetzen. Für eine Voraussageeinrichtung mit drei Abgriffen, wie sie in F i g. 4 dargestellt ist, stellen Eingangssignalformen aus lauter Einsen, aus lauter Nullen oHer aus alternierenden Folgen von diesen eine vollkommene Korrelation dar, wobei der Fehlerausgang sich schnell mit einer Geschwindigkeit auf Null einste-lt, die von den Eigenschaften der glättenden Tiefpaßfilter 47 abhängt. Jedoch kann es unerwünscht sein, den Fehlerausgang auf Null herabzusetzen, da dann Synchronisierungsprobleme am Empfänger des Systems entstehen. In dieser Hinsicht kann es vorteilhaft sein, in jede Voraussageeinrichtung ein nichtlineares Element wie einen Begrenzer einzufügen, um die Größe der Voraussagungen kleiner als Eins zu halten. Solange in den Voraussageeinrichtungen des Senders und des Empfängers die gleiche Nichtlinearität verwendet wird, werden die Datensignale im Empfänger vollkommen rekonstruiert.The effect of the feedback loop, which contains the correlation devices, consists of this try to continuously reduce the error signal e "to zero. For a predictor with three Tapped as shown in FIG. 4 represent input waveforms from louder ones to louder Zeros or from alternating sequences of these ones represents perfect correlation, with the error output rapidly increasing at a rate of zero adjusts, which depends on the properties of the smoothing low-pass filter 47. However, it can be undesirable be to reduce the error output to zero, since then synchronization problems at the receiver of the system develop. In this regard it can be advantageous to include a non-linear element in each predictor like adding a delimiter to keep the size of the predictions less than unity. As long as in the same non-linearity is used in the predictors of the transmitter and the receiver, the data signals are completely reconstructed in the receiver.

F i g. 5 ist ein Blockschema der sich anpassenden Empfangsvoraussageeinrichtung gemäß der Erfindung. Diese Voraussageeinrichtung stellt die Umkehrung der Einrichtung in F i g. 4 dar, wobei eine Abschneideschaltung hinzugefügt ist. Das am Eingang 61 erscheinende übertragene Fehlersignal e,_h dem vom Übertragungskanal Rauschen zugesetzt wurde, wird in der Addiereinrichtung 64 mit dem vorausgesagten Signal ä_n kombiniert, das am Leiter 70 erscheint, um die Ziffer a_n zu rekonstruieren. Die Abschneideschaltung 66 am Ausgang des Addierers 64 normalisiert die rekonstruierte Ziffer, die an der Ausgangsklemme 65 und am Leiter 64 erscheint, und filtert zum Erhalt annehmbarer Signal-zu-Rausch-Vcrhültnisse (in der Größenordnung von 10 Dezibel oder besser) das durch den Kanal hinzugefügte Rauschen aus. Die wiedergewonnene Ziffer wird um die Einheitsbeträge T in den Verzögerungseinheiten 62 verzögert, an denen die Ausgangssignale u„ 1, «„_j und u„- 1 erscheinen. Diese vorherigenF i g. Figure 5 is a block diagram of the adaptive reception predictor according to the invention. This predictor is the reverse of the device in FIG. 4 with a clipping circuit added. The transmitted error signal e appearing at the input 61 _{, h to} which noise has been added by the transmission channel, is combined in the adder 64 with the predicted signal ä _n which appears on the conductor 70 in order to reconstruct the digit a _n. The clipping circuit 66 at the output of adder 64 normalizes the reconstructed digit appearing on output terminal 65 and conductor 64 and filters it through the channel to obtain acceptable signal-to-noise ratios (on the order of 10 decibels or better) added noise. The recovered digit is delayed by the unit amounts T in the delay units 62 at which the output signals u " 1,""_j and u" - 1 appear. These previous ones

Ziffern werden den Eingängen der Abschwächer 63 und der Multiplizierer 72 in der dargestellten Weise zugeführt. Die summierten Ausgangssignale der Abschwächer 63, die an der Sammelleitung 70 erscheinen, bilden die vorausgesagte Ziffer ^_n. Von dem digitalen Ausgangssignal a„ der Abschneideeinrichtung 66 wurde in der Hilfssubtrahiereinrichtung 69 die Ziffer ä_n auf dem Leiter 70 subtrahiert. Die Differenz erscheint an der Sammelleitung 71 und wird den anderen Eingängen der Multiplizierer 68 zugeführt, wo die Korrelation mit den früheren Ziffern von den Leitern 72 stattfindet. Die Ausgangssignale der Multiplizierer 68, die im binären Fall einfache Umkehrschalter sein können, werden in den Tiefpaßfiltern 67 gemittelt und integriert. Die integrierten Mittelwerte werden als Steuersignale zur Gewinnung der Koeffizienten der Abschwächer 63 verwendet. Da die Einzelteile der Empfangsvoraussageeinrichtung in F i g. 5 genaue Gegenstücke der Teile in der Sendevoraussageeinrichtung der Fig.4 sind, sind die vorausgesagten Ziffern ä„ im wesentlichen im Sender und Empfänger die gleichen. Daher tritt in der sich anpassenden Voraussageeinrichtung kein Übertragungsverlust auf. Sollten Voraussagefehler im Empfänger infolge von Kanalrauschen auftreten, hat ihr Effekt die Tendenz, kumulativ zu sein. Jedoch wurde festgestellt, daß unter normalen Umständen eine solche Fehlerfortpflanzung nur eine geringe Änderung der gesamten Fehlerrate verursacht.Digits are applied to the inputs of attenuators 63 and multipliers 72 as shown. The summed outputs of attenuators 63 appearing on bus 70 form the predicted digit ^ _n . In the auxiliary subtracting device 69, the digit _n on the conductor 70 was subtracted from the digital output signal a of the cutting device 66. The difference appears on bus 71 and is fed to the other inputs of multipliers 68 where the correlation with the earlier digits from conductors 72 takes place. The output signals of the multipliers 68, which can be simple reversing switches in the binary case, are averaged and integrated in the low-pass filters 67. The integrated mean values are used as control signals for obtaining the coefficients of the attenuators 63. Since the individual parts of the reception prediction device in FIG. 5 exact counterparts of the parts in the transmitter predictor of Figure 4 are the predicted numbers ä "are substantially in the transmitter and receiver are the same. Therefore, no transmission loss occurs in the adaptive predictor. Should prediction errors occur in the receiver due to channel noise, their effect tends to be cumulative. However, it has been found that under normal circumstances such error propagation causes little change in the overall error rate.

In Fig.6A ist eine typische binäre Datenfolge 75 dargestellt, während die etwa entsprechende Fehlerfolge 85, die bei einer erfindungsgemäßen Voraussageeinrichtung mit drei Abgriffen übertragen wird, in F i g. 6B dargestellt ist. Offensichtlich liegt die mittlere Energie im übertragenen Signal 85 weit unter derjenigen des ursprünglichen Signals 75. Wegen der Redundanz in der Eingangsdatenfolge (die z. B. in den Folgen aus lauter Nullen 78 und aus lauter Einsen 79 erscheint) hat das übertragene Signal 85 verhältnismäßig lange Perioden 88 und 89 mit einer Spannung nahe Null. Bei plötzlichen Übergängen, ι. B. den positiven Übergängen 76 und den negativen Übergängen 77 im Signal 75, ist die Voraussageeinrichtung »überrascht«, so daß im Signal 85 die Spitzenfehler 86 und 87 auftreten.A typical binary data sequence 75 is shown in FIG. 6A, while the approximately corresponding error sequence 85, which is transmitted in a prediction device according to the invention with three taps, is shown in FIG. 6B is shown. Obviously, the mean energy in the transmitted signal 85 is far below that of the original signal 75. Because of the redundancy in the input data sequence (which appears, for example, in the sequences of all zeros 78 and all ones 79), the transmitted signal 85 is relatively long Periods 88 and 89 with a voltage close to zero. With sudden transitions, ι. B. the positive transitions 76 and the negative transitions 77 in the signal 75, the predictor is "surprised", so that the peak errors 86 and 87 occur in the signal 85.

In den ruhigen Teilen 78 und 79 des Signals 75 verweilt das übertragene Signal 85 nicht bei dem absoluten Wert Null, weil die Abschwächer sich selbst auf die mittlere Statistik des Signals eingestellt haben und die Zeitkonstanten der Glättungsfilter Einstellungen in derartig kurzen Zeitspannen verhindert haben. Es läßt sich zeigen, daß die Korrelation zwischen benachbarten Bits im Signal 75 etwa 80% beträgt, d. h., es ist eine 80%ige Wahrschcinlichkeit'vorhanden, daß jede nachfolgende Ziffer die gleiche Polarität wie ihr Vorgänger aufweist. Somit bleiben die VoraussagceinrichUingen bei der Voraussage einer nachfolgenden Ziffer mit etwa 80% der Amplitude der früheren Ziffer. Das entstehende Fehlcrsignal hat daher die Tendenz, 20% der Spit/cnamplituden zu betragen. Wenn Folgen aus lauter Nullen oder lauter Einsen über die Zeitkonstante der Glättungsfilter hinaus andauern, ändern sich die Abschwächerkoeffizienten allmählich und machen bessere Voraussagen. Die obige Erklärung ist selbstverständlich sehr vereinfacht, weil die Korrelation zwischen der derzeitigen Ziffer und früheren Ziffern, die zwei oder drei Intervalle entfernt liegen, ebenfalls beteiligt ist, wenn eine Voraussageeinrichtung mit drei Abgriffen verwendet wird, wobei dieseIn the quiet parts 78 and 79 of the signal 75, the transmitted signal 85 does not linger on that absolute value zero because the attenuators have adjusted themselves to the mean statistics of the signal and the time constants of the smoothing filters prevented adjustments in such short periods of time. It it can be shown that the correlation between adjacent bits in signal 75 is about 80%; H., there is an 80% chance that each subsequent digit has the same polarity as its predecessor. This leaves the prediction devices when predicting a subsequent digit with about 80% the amplitude of the previous digit. The resulting error signal therefore tends to be 20% of the peak amplitudes. If follow consist of all zeros or all ones lasting beyond the time constant of the smoothing filter, the attenuator coefficients change gradually and make better predictions. The above explanation is of course very simplified because the correlation between the current digit and earlier Digits that are two or three intervals apart are also involved when a predictor is used with three taps, this being the

ίο Korrelationen für eine genaue Untersuchung der Arbeitsweise der Voraussageeinrichtung berücksichtigt werden müssen.ίο Correlations for a close study of the The mode of operation of the predictor must be taken into account.

Die Verringerung der Redundanz bei digitalen Datenübertragungssystemen, wie sie durch die Erfin-The reduction in redundancy in digital data transmission systems, as is the case with the invention

is dung möglich wird, hat zwei wichtige Anwendungen. Die Anfordernungen eines Datenübertragungssystems an die mittlere übertragene Energie wird herabgesetzt, ohne die Datenfehlerrate wesentlich zu beeinflussen. In der Tat kann die Fehlerwahrscheinlichkeit dadurch verringert werden, daß das Fehlersignal verstärkt wird, um den übertragenen Energiepegel konstant zu halten. Diese Verstärkung findet automatisch statt, wenn Signale über Übertragungseinrichtungen mit Kompander übertragen werden, wie sie bei Fernsprechübertragungen verwendet werden. In diesem Fall erhält man eine tatsächliche Verbesserung des Signal-zuRausch-Verhältnisses. Dies geschieht unerwartet, da der normale Zweck der Anwendung des (Companders darin besteht, den Dynamikbereich der übertragenen Sprache zu begrenzen und nicht das Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu verbessern.If this becomes possible, it has two important uses. The requirements of a data transmission system for the average transmitted energy are reduced, without significantly affecting the data error rate. In fact, this can increase the likelihood of error be reduced that the error signal is amplified in order to keep the transmitted energy level constant. This amplification takes place automatically when signals are transmitted via transmission equipment with a compander as used in telephone broadcasts. In this case one obtains an actual improvement in the signal-to-noise ratio. This happens unexpectedly because the normal purpose of the application of the (compander is to determine the dynamic range of the transmitted speech to limit and not the signal-to-noise ratio to improve.

Periodische Übertragungssignalformen Beispiele sind Signalformen aus lauter Nullen, aus lauter Einsen oder aus alternierenden Folgen von diesen) geben normaler-Periodic transmission waveforms Examples are waveforms composed of all zeros, all ones or alternating sequences of these) give normal-

weise Anlaß zu Linienspektren im Übertragungskanal, die eine Überlastung und andere fehlerhafte Funktionen des Systems verursachen. Bei der Voraussageeinrichtung hat die übertragene Energie die Tendenz zum Pegel Null, wenn die Eingangsdaten ganz redundantwise cause for line spectra in the transmission channel, which an overload and other faulty functions of the system. In the predictor, the transmitted energy tends to Level zero if the input data is completely redundant

,|o werden. Eine Voraussageeinrichtung mit einem Abgriff genügt, um alle Signalformen aus lauter Einsen, aus lauter Nullen und auch aus alternierenden Folgen von diesen zu beseitigen. Eine Voraussageeinrichtung mit. zwei Abgriffen beseitigt Signalformen aus drei Elements ten. Im allgemeinen beseitigt eine Voraussageeinrichtung mit η Abgriffen alle Signalformen mit einer Periode, die gleich oder kleiner als n+ 1 ist. Es besteht kein Bedarf mehr für kompliziertere Sprachverzerrer und Entzerrer, wie sie für Breitbandübertragungs-, | o become. A predictor with one tap is sufficient to eliminate all signal forms consisting of all ones, all zeros and also alternating sequences of these. A predictor with. two taps eliminates three element waveforms. In general, a η tapped predictor eliminates all waveforms with a period equal to or less than n + 1. There is no longer a need for more complicated speech distorters and equalizers such as those used for broadband transmission

so systeme vorgeschlagen wurden.so systems were proposed.

Die sich anpassende Voraussageeinrichtung nach der Erfindung ist zwar in Verbindung mit der Verringerung von Redundanz in binären Datenübertragungssystemen beschrieben worden, das Prinzip kann aber auch auf dieThe adaptive predictor of the invention is related to the reduction of redundancy in binary data transmission systems, but the principle can also be applied to the

ss Verringerung von Redundanz in digitalen Datcnübcrtragungssystcmcn mit mehreren Pegeln angewcndel werden.ss Reducing redundancy in digital data transmission systems can be switched with several levels.

Hierzu 2 IJIall /eiFor this 2 IJIall / ei

Claims

Patent claims:

1. Signal prediction device for use on the sending and receiving side in a transmission system, in the case of the transmitting end from the difference between one of the transmitting end signal prediction device generated, predicted signal and the actual signal to be transmitted Error signal is derived and transmitted alone and at the receiving end that of the Sendeseiie transmitted error signal and the predicted generated by the receiving-side signal prediction device Signal to be added to restore the actual signal to be transmitted, with a delay device provided with taps for storing signal samples, with individually adjustable attenuators connected to the taps and with a Summing line that takes the output of the attenuators to generate the predicted Signals, characterized by combination circuits (48, 68; 47, 67), the for the formation of control signals each stored signal sample with the derived Correlate error signal and contain low-pass filters (47, 67), which the mean value of the control signals form and feed the attenuators (43, 63) to their signal-dependent setting, such that the magnitude of the derived error signal becomes a minimum.

2. Signal prediction device according to claim 1, characterized in that with each tap of the Delay device (42, 62) a combination circuit is connected, which consists of a Multiplier circuit (48, 68) and the stored signal sample with the derived Error signal multiplied.

3. Signal prediction device according to claim 1, characterized in that the delay circuit (62) has a curve shape of the Delay device supplied signals improving cutting device (66) connected upstream is.

The invention relates to a signal prediction device for use in transmitting and receiving a transmission system, in the case of the transmitting side from the difference between one of the transmitting side Signal prediction device generated, predicted signal and the actual signal to be transmitted an error signal is derived and transmitted on its own, and at the receiving end that from the transmitting end transmitted error signal and the predicted generated by the receiving-side signal prediction device Signal to restore the actual signal to be transmitted can be added, with a with Delay device provided with taps for storing signal samples, with individually adjustable attenuators connected to the taps and with a summing line, which the Combines output signals from the attenuators to produce the predicted signal.

In U.S. Patents 26 81 385, 27 Ot 274 and 32 424 became dif. Theory of linear anticipation

applied to the elimination of redundancy in analog transmission systems. It was recognized that a considerable degree of correlation in periodic samples of such analog signals, ι. B. signals for television and telemetry is available. Transmission channels for such signals were designed on the assumption that the signals to be transmitted are completely random. However, the efficiency of the channel capacity utilization can be increased significantly by periodically sampling the analog signal, predicting the subsequent value, comparing this predicted value with the actual value and transmitting only the difference. If this difference is quantized further in a pulse code modulation scheme, a much smaller number of transmission levels is necessary. In the receiver, the original signal can easily be reconstructed from the received differences by a reverse prediction arrangement. As a result, compression of the required signal bandwidth is possible because fewer bits per signal sample are sufficient to encode the differences instead of the actual signals.

In US Pat. No. 2,732,424, a tapped delay line is provided with adjustable Tap attenuators have been proposed as a practical linear prediction device. The coefficients for these attenuators are determined empirically on the basis of an average signal statistic, they are not changed after this statistic has been determined or accepted. So the prediction is unchangeable over time. Systems with time-varying signal prediction have also been considered theoretical recognized possible, but in practice they have only been realized with the help of complicated computer operations.

The invention is based on the problem of redundancy in digital data transmission systems of the data to be transferred.

To achieve the object, the invention is based on a signal prediction device of the type mentioned at the beginning Type and is characterized by combination circuits that are used to form control signals correlate each stored signal sample with the derived error signal and use low-pass filters which form the mean value of the control signals and the attenuators for their signal-dependent Apply adjustment such that the magnitude of the derived error signal becomes a minimum.

Further developments of the invention are the subject of the subclaims.

A delay line provided with taps in which attenuators connected downstream of the taps can be adjusted by control signals generated by combination circuits including low-pass filters by means of correlation from the signal values stored in the delay line and the sum signal the attenuator is for use in automatic attenuation equalizers known ("The Bell System Technical Journal" 46 (1967) Pp. 2179 to 2208).

Because the prediction devices mirror in the form of so-called transversal filters in the transmitter and receiver are figured out to one another, they make the same prediction for the next transmitted bit This prediction is essentially a least squares estimate based on one of: weighted summation of a finite number of previous ones stored in the delay lines