CH642206A5

CH642206A5 - PCM coding arrangement

Info

Publication number: CH642206A5
Application number: CH1077579A
Authority: CH
Inventors: Michael John Gingell
Original assignee: Int Standard Electric Corp
Priority date: 1978-12-05
Filing date: 1979-12-05
Publication date: 1984-03-30
Also published as: GB2064276A; FR2443768A1; MX147431A; NL7908741A; JPS5580940A; AU523624B2; BR7907820A; AU5324679A; ES486610A1; GB2064276B; JPS6031411B2; AR222845A1; NZ192278A; FR2443768B1; DE2948438A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine PCM-Codieran-ordnung, die besonders geeignet ist für die Verwendung in einer Einkanal-PCM-Anlage, z.B. für eine digitale Teilnehmerstation.

Ein besonderes Problem, das bei einer Einkanalanlage auftritt, wird durch das Vorhandensein von Grundgeräuschen bewirkt, insbesondere, wenn ein komprimierter PCM-Code verwendet wird. Ein Verfahren zur Erzeugung eines komprimierten PCM-Codes besteht darin, das Tonfrequenzsignal anfänglich linear zu codieren mit einer höheren Genauigkeit und einer höheren Abtastfrequenz (32 kHz), als tatsächlich benötigt wird für einen Betrieb mit 8-Bit-Wörtern gemäss einem A- oder u-Gesetz. Es ist so, dass der Geräuschbeitrag von diesem Vorgang plus das Geräusch von nachfolgenden digitalen Filtern, der Reduktion der Abtastfrequenz auf 8 kHz und die Kompression gemäss einem A- oder u-Gesetz (was eine Reduktion der Anzahl der Datenbits mit sich bringt) im gesamten gut innerhalb dem zulässigen Gesamtgeräusch ist.

Wenn das Signal codiert wird, kann eine geringe Nullpunktverschiebung nicht vermieden werden, welche in der Grössenordnung von plus minus einigen der am wenigsten bedeutsamen Bits des endgültigen komprimierten Codesignales sein kann. Als Folge davon ist die Codeerkennlinie ungefähr auf der treppenförmigen Transferfunktion positioniert. Genau dasselbe existiert auch mit üblichen Codiertechniken und wurde von Shennum & Gray in «Performance Limitations of a Practical PCM Terminal», BST-Journal, Januar 1962, Seiten 143-171, beschrieben. Eines der bedeutsamsten Resultate dieser Arbeit bestand darin, zu zeigen, wie das Grundgeräusch durch die Nullpunktverschiebung in Funktion des Eingangsgeräusches verändert wird. Das Grundgeräusch kann bis zu dreimal (4,8 db) grösser sein als das theoretische Quantisierungsgeräusch, und zwar in Abhängigkeit vom Gleichstrom-Basispunkt. In einem 8-Bit-Signal nach dem A-Gesetz ist z.B. bei geringen Signalpegeln das theoretische Quantisierungsgeräusch — 74,6 dBmOp. In Praxis können die gemessenen Pegel des Grundgeräusches variieren zwischen null, wenn die Nullpunktverschiebung in der Mitte einer Stufe ist, bis zu - 69,8 dBmOp, wenn die Nullpunktverschiebung auf einem Stufensprung ist, in welchem Fall das kleinste Eingangssignal bewirkt, dass das Ausgangssignal ± 1 Bit schwankt. Unter der letztgenannten Bedingung kann sich das Nebensprechen vergrössern von z.B. — 80 dBmO auf total — 69,2 dBmO. Bei üblichen PCM-Codern kann diese Situation gesteuert werden.

Es ist nun Aufgabe der Erfindung, eine PCM-Codieran-ordnung vorzusehen, welche diesen Nachteil nicht aufweist. Gelöst wird diese Aufgabe durch die in Kennzeichen des ersten Anspruchs genannten Merkmale.

Der Effekt der Verwendung eines Hochpassfilters besteht darin, jede unkontrollierte Nullpunktverschiebung vor einem digitalen Kompander zu vermeiden, so dass die Systemeigenschaften genau definiert sind.

Ein Aüsführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 ein Blockschema eines PCM-Coders für eine Einkanalanlage;

Fig. 2 die Transferkennlinie für ein 8-Bit-Signal gemäss dem A- und dem ji-Kompandierungsgesetz in der Nähe des Nullpunktes; und

Fig. 3 ein Diagramm, das die Änderung des Grundgeräusches in Funktion der Nullpunktverschiebung angibt.

Bei der Anordnung nach Figur 1 kann das Eingangssignal für einen linearen Analog/Digital-Wandler 1 von hoher Genauigkeit als ein Analogsignal betrachtet werden, welches unerwünschtes Nebensprechen aufweist, welches vor oder beim Eingang des Wandlers diesem Signal anhaftet. Der A/ D-Wandler 1 kann irgendein bekannter linearer Wandler sein. Das Ausgangssignal, mit hoher Auflösung, z.B. ein 21-Bit-PCM-Signal wird an ein digitales Hochpass-Filter 2 angelegt. (Falls erforderlich, kann eine Verarbeitung des PCM-Signales mit hoher Auflösung vor demFilter 2 erfolgen, z.B. im Block 3 von Fig. 1. Diese Verarbeitung kann eine Tiefpassfilterung, eine Änderung der Abtastfrequenz, eine Entzerrung usw. umfassen.) Das Filter 2 blockiert wirksam irgend eine Nullpunktverschiebung, die im PCM-Signal hoher Auflösung vorhanden ist. Dann wird bei 4 dem gefilterten Signal eine kontrollierte Nullpunktverschiebung beigegegen, wobei diese Nullpunktverschiebung durch einen Generator 5 erzeugt wird. Der Zweck dieser Massnahme besteht darin, das Grundgeräusch und die Nebensprechvergrösserung zu minimalisieren. Endlich wird das PCM-Signal mit kontrollierter Nullpunktverschiebung an einen digitalen Kompander oder eine Quantierungsstufe 6 angelegt, welcher die Anzahl von Bits pro Abtastwert reduziert und welcher das lineare PCM-Signal in ein nach dem A- oder u-Gesetz nichtlineares Signal wandelt, wie es durch CCITT definiert ist.

Es soll zunächst die Grundgeräuschssituation betrachtet werden. Figur 2 zeigt die A- und u-Kompandierungstransfer-kennlinie in der Gegend des Nullpunktes für ein 8-Bit-Signal. Es ist ersichtlich, dass beim A-Gesetz eine Stufe entsprechend 102/3 der am wenigsten bedeutsamen Bits des linearen 21-Bit-Eingangswortes an den Kompander ist. Der Entscheidungspunkt des Kompanders ist in Wirklichkeit bei der nächsten ganzen Zahl von Bits oberhalb 10%. Ähnlich ist für das ji-Gesetz die minimale Stufengrösse bei 5 Vi der am wenigsten bedeutsamen Bits, wobei aber der Nullpunkt des Diagramms in der Mitte einer Stufe und nicht auf einem Stufensprung ist.

Das Hochpassfilter blockiert jede Eingangsgleichspannung vollständig und bewirkt eine dauernde Nullpunktverschiebung von minus einem am wenigsten bedeutsamen Bit an seinem Ausgang. Durch Einfügen einer Addierschaltung nach dem Hochpass ist es möglich, die Wirkung einer Veränderung der Nullpunktverschiebung auf das an den Kompander gehende Signal zu prüfen. Figur 3 zeigt, wie das gemessene Grundgeräusch mit der Nullpunktverschiebung ändert und wie das A-Gesetz sehr viel anfälliger ist. Tatsächlich ist ohne jede Nullpunktverschiebung der theoretisch schlechteste Wert auf - 70dßm0p. Es ist zu bemerken, dass der Codiervorgang und die digitale Filterung ein Geräuschsignal am Eingang des Kompanders erzeugen, welches in der Grössenordnung von 20 pWOp ist. Dieses besitzt eine Gausssche Verteilung und enthält gelegentlich Komponenten, welche den Wert von plus minus 11 Bits übersteigen. Daher bewirken auch dann, wenn kein Eingangssignal vorhanden ist und der Kompander in der Mitte zwischen zwei Stufen vorgespannt ist, eine Anzahl von Abtastwerten ein Überschreiten der benachbarten Entscheidungspegel und daher einen minima5

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len Betrag von Ausgangsgeräusch aus dem Expander. Dazu müssen die Geräuschbeiträge des Tiefpassfilters und der Decoderschaltung an der Empfangsseite hinzu addiert werden. Der Pegel des Grundgeräusches unter diesen Bedingungen kann den niedern Wert von — 76 dBmOp haben.

Bei einer Kompandierung nach dem ji-Gesetz ist die Wirkung nicht so ausgeprägt, aber dennoch feststellbar. Dies rührt daher, dass das Eingangsgeräusch gross ist im Vergleich mit der Stufenhöhe und daher ein sehr häufiges Überschreiten der benachbarten Entscheidungspegel vorkommt.

Amerikanische D3-PCM-Übertragungssysteme verwenden das u-Gesetz und 75/ó-Bits, d.h. jeder sechste Abtastwert hat nur sieben Bits, um die Signalisierung zu ermöglichen. Bei den sieben Bits ist die Kennlinie einem A-Gesetz ähnlich, wobei der Koordinatennullpunkt vertikal geschnitten wird. Dieser eine Abtastwert von sechs trägt am meisten zum Grundgeräusch bei und macht dieses mindestens 1,25 dB schlechter, als das theoretische Quantisierungsgeräusch bei einem 8-Bit-u-Gesetz wäre.

Bei den Chips für europäische Ausrüstung wird vorgeschlagen, eine permanente Nullpunktverschiebung vor dem Kompander (nur für das A-Gesetz) vorzusehen, um die Transferkennlinie ungefähr um einen halben Schritt in positive Richtung zu verschieben, um das Grundgeräusch optimal kleinzuhalten.

Es sollen nun der Verstärkungsgrad und der Anstieg des Nebensprechens betrachtet werden, wenn eine Messung des Ausgangssignales bezogen auf das Eingangssignal durchgeführt wird, wobei eine selektive Messung mit einem sinusförmigen Eingangssignal durchgeführt wird, wobei das Resultat üblicherweise als Verstärkungsgrad- oder Pegelkurve bezeichnet wird. Bei kleinen Pegeln hat jedoch der Test eine andere Bedeutung und kann auf den Anstieg des Nebensprechens bezogen werden.

1 kHz Eingangssignal

Pegel dBmO

Ausgangssignal dBmO

Folgerung

+ 10

+ 4,5

Überlast

+ 3

+ 3,0

+ 0

0,0

- 20

- 20,0

Linearität

- 40

- 40,0

- 60

- 59,9

- 80

- 70,0

Anstieg

Nebensprechen

642 206

Die letzte Messung bei -80 dBmO ist das Ergebnis, dass die -80 dBmO bei der am wenigsten bedeutsamen Stufe durch den Kompandierungsvorgang in eine Rechteckwelle umgeformt werden.

Die nächste Tabelle zeigt einige Messresultate bei einem Einkanalsystem mit einem Hochpass am Eingang und am Ausgang der Schaltung. Der Anstieg des Nebensprechsens ist nicht so schlecht, wie er zunächst erwartet werden könnte,

weil das Geräusch vom Coder und den digitalen Filtern wie ein Wobbeisignal wirkt.

Ein-/Ausgang dBmO (alle Versuche mit Sinussignal 802 Hz)

8-BIT-(j.-Gesetz 8-BIT-A-Gesetz Hochpass Ohne Mit Hochpass und

Hochpass Nullpunktverschiebung Aus Ein 0 13 6 LSB

-50

-50,1

-50,2

-50,1

-50,3

-50,2

-50,3

-60

-60,3

-60,5

-60,3

-60,4

-60,5

-60,7

-60,0

-70

-70,1

-71,0

-71,9

-69,2

-69,3

-71,0

-73,2

-80

-80,0

-81,0

-84,0

-77,2

-77,6

-81,1

-86,5

-90

-91,0

-92,0

-93,0

-87,0

-87,2

-89,0

-96,0

Die Tabelle zeigt, dass es für ein A-Gesetz eine optimale Nullpunktverschiebung für die beste Linearität gibt. Ohne Nullpunktverschiebung ist die Transferkennlinie mit 3 dB Abweichung linear bei -90dBmO, was einen Anstieg von 3 dB des -90-dBmO-Nebensprechsignals bewirkt. Mit einer Nullpunktverschiebung von 6 LSB (least significant bits), was gleich der Hälfte der kleinsten Stufe nach dem A-Gesetz ist, ist die Transferkennlinie auf die andere Seite gebogen, und ein -90-dBmO-Eingangssignal ist abgeschwächt auf -96 dBmO.

Beim (i-Gesetz sind die Effekte nicht leicht messbar, und es kann kein nennenswerter Vorteil gewonnen werden durch Einführung einer Nullpunktverschiebung.

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40

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G

2 Blatt Zeichnungen

Claims

642 206

1. PCM-Codieranordnung, gekennzeichnet durch einen linearen Analog/Digital-Wandler (1), welcher Impulscodegruppen mit je einer ersten Anzahl von Impulsen erzeugt, durch ein digitales Hochpassfilter (2), an welches das Ausgangssignal des Wandlers angelegt ist, und durch Mittel (4, 5), um dem Filterausgangssignal eine Nullpunktverschiebung von vorbestimmtem Ausmass zuzufügen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem linearen Wandler (1) und das digitale Hochpassfilter (2) Tiefpassfiltermittel (3) eingefügt sind.

2

PATENTANSPRÜCHE

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Mittel (6), um das die Nullpunktverschiebung enthaltende Filterausgangssignal digital zu komprimieren.