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; MX147431A; ES486610A1; FR2443768A1; AR222845A1; NL7908741A; GB2064276B; AU523624B2; AU5324679A; JPS5580940A; BR7907820A; JPS6031411B2; FR2443768B1; NZ192278A; 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. The present invention relates to a PCM coding arrangement which is particularly suitable for use in a single channel PCM system, e.g. for a digital subscriber station.

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. A particular problem that arises with a single-channel system is caused by the presence of background noise, especially when a compressed PCM code is used. One method of generating a compressed PCM code is to initially linearly encode the audio frequency signal with a higher accuracy and a higher sampling frequency (32 kHz) than is actually required for operation with 8-bit words according to an A or u -Law. It is the case that the noise contribution from this process plus the noise from subsequent digital filters, the reduction of the sampling frequency to 8 kHz and the compression according to an A or u law (which results in a reduction in the number of data bits) is overall is well within the allowable overall noise.

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. When the signal is encoded, a small zero offset cannot be avoided, which can be on the order of plus minus some of the least significant bits of the final compressed code signal. As a result, the code characteristic curve is positioned approximately on the step-like transfer function. Exactly the same also exists with conventional coding techniques and was described by Shennum & Gray in “Performance Limitations of a Practical PCM Terminal”, BST-Journal, January 1962, pages 143-171. One of the most significant results of this work was to show how the background noise is changed as a function of the input noise by the zero point shift. The background noise can be up to three times (4.8 db) larger than the theoretical quantization noise, depending on the DC base point. In an 8-bit signal according to the A law, e.g. at low signal levels, the theoretical quantization noise - 74.6 dBmOp. In practice, the measured levels of background noise can vary from zero if the zero shift is in the middle of a step to -69.8 dBmOp if the zero shift is on a step, in which case the smallest input signal causes the output signal to ± 1 bit fluctuates. Under the latter condition, the crosstalk can increase e.g. - 80 dBmO to total - 69.2 dBmO. This situation can be controlled with conventional PCM encoders.

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. It is an object of the invention to provide a PCM coding arrangement which does not have this disadvantage. This object is achieved by the features mentioned in the characterizing part of the first claim.

Der Effekt der Verwendung eines Hochpassfilters besteht darin, jede unkontrollierte Nullpunktverschiebung vor einem digitalen Kompander zu vermeiden, so dass die Systemeigenschaften genau definiert sind. The effect of using a high pass filter is to avoid any uncontrolled zero shift in front of a digital compander, so that the system properties are precisely defined.

Ein Aüsführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt: An embodiment of the invention will now be explained in more detail with reference to the drawing. The drawing shows:

Fig. 1 ein Blockschema eines PCM-Coders für eine Einkanalanlage; 1 shows a block diagram of a PCM coder for a single-channel system;

Fig. 2 die Transferkennlinie für ein 8-Bit-Signal gemäss dem A- und dem ji-Kompandierungsgesetz in der Nähe des Nullpunktes; und 2 shows the transfer characteristic for an 8-bit signal according to the A and the ji companding law in the vicinity of the zero point; and

Fig. 3 ein Diagramm, das die Änderung des Grundgeräusches in Funktion der Nullpunktverschiebung angibt. Fig. 3 is a diagram indicating the change in the background noise as a function of the zero point shift.

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. In the arrangement according to FIG. 1, the input signal for a linear analog / digital converter 1 can be regarded with high accuracy as an analog signal which has unwanted crosstalk which adheres to this signal before or at the input of the converter. The A / D converter 1 can be any known linear converter. The output signal, with high resolution, e.g. a 21-bit PCM signal is applied to a digital high-pass filter 2. (If necessary, the PCM signal can be processed with high resolution in front of the filter 2, for example in block 3 of Fig. 1. This processing can include low pass filtering, a change in the sampling frequency, an equalization, etc.) The filter 2 blocks effective any zero offset that is present in the high resolution PCM signal. Then, at 4, a filtered zero shift is added to the filtered signal, this zero shift being generated by a generator 5. The purpose of this measure is to minimize the background noise and the crosstalk magnification. Finally, the PCM signal with controlled zero offset is applied to a digital compander or quantization stage 6, which reduces the number of bits per sample and which converts the linear PCM signal into a signal that is non-linear according to the A or u law, as is is defined by CCITT.

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. The basic noise situation should be considered first. FIG. 2 shows the A and u companding transfer characteristic in the region of the zero point for an 8-bit signal. It can be seen that in A law, a level corresponding to 102/3 is the least significant bits of the 21-bit linear input word to the compander. The compander's decision point is actually at the next whole number of bits above 10%. Similarly, for the ji law, the minimum step size at 5 Vi is the least significant bit, but the zero point of the diagram is in the middle of a step and not on a step change.

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 The high pass filter completely blocks any DC input voltage and causes a permanent zero shift of minus one least significant bit at its output. By inserting an adder circuit after the high pass it is possible to check the effect of a change in the zero point shift on the signal going to the compander. Figure 3 shows how the measured background noise changes with the zero point shift and how the A law is much more susceptible. In fact, without any zero point shift, the theoretically worst value is - 70dßm0p. It should be noted that the coding process and the digital filtering generate a noise signal at the input of the compander, which is of the order of 20 pWOp. This has a Gaussian distribution and occasionally contains components that exceed the value of plus and minus 11 bits. Therefore, even if there is no input signal and the compander is biased in the middle between two stages, a number of samples cause the neighboring decision levels to be exceeded and therefore a minimum5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

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. len amount of output noise from the expander. For this, the noise contributions of the low-pass filter and the decoder circuit on the receiving side must be added. The level of the background noise under these conditions can have a low value of - 76 dBmOp.

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. When companding according to the ji law, the effect is not so pronounced, but can still be determined. This is due to the fact that the input noise is large in comparison with the step height and therefore the neighboring decision levels are exceeded very often.

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. American D3-PCM transmission systems use the u law and 75 / ó bits, i.e. every sixth sample has only seven bits to enable signaling. For the seven bits, the characteristic curve is similar to an A law, with the coordinate zero point being cut vertically. This one sample of six contributes the most to the background noise and makes it at least 1.25 dB worse than the theoretical quantization noise for an 8-bit u law.

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. In the chips for European equipment, it is proposed to provide a permanent zero offset in front of the compander (only for the A law) in order to shift the transfer characteristic curve by about half a step in the positive direction in order to keep the background noise optimally low.

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. The degree of amplification and the increase in crosstalk are now to be considered when a measurement of the output signal is carried out in relation to the input signal, a selective measurement being carried out with a sinusoidal input signal, the result being usually referred to as a gain or level curve. At low levels, however, the test has a different meaning and can be related to the increase in crosstalk.

1 kHz Eingangssignal 1 kHz input signal

Pegel dBmO DBmO level

Ausgangssignal dBmO Output signal dBmO

Folgerung Conclusion

+ 10 + 10

+ 4,5 + 4.5

Überlast Overload

+ 3 + 3

+ 3,0 + 3.0

+ 0 + 0

0,0 0.0

- 20 - 20th

- 20,0 - 20.0

Linearität Linearity

- 40 - 40

- 40,0 - 40.0

- 60 - 60

- 59,9 - 59.9

- 80 - 80

- 70,0 - 70.0

Anstieg rise

Nebensprechen Crosstalk

642 206 642 206

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. The last measurement at -80 dBmO is the result that the -80 dBmO at the least significant level are transformed into a square wave by the companding process.

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, The next table shows some measurement results for a single-channel system with a high pass at the input and output of the circuit. The increase in crosstalk is not as bad as might initially be expected

weil das Geräusch vom Coder und den digitalen Filtern wie ein Wobbeisignal wirkt. because the noise from the encoder and the digital filters acts like a wobble signal.

Ein-/Ausgang dBmO (alle Versuche mit Sinussignal 802 Hz) Input / output dBmO (all tests with sinusoidal signal 802 Hz)

8-BIT-(j.-Gesetz 8-BIT-A-Gesetz Hochpass Ohne Mit Hochpass und 8-BIT- (j.-Law 8-BIT-A-Law high pass without with high pass and

Hochpass Nullpunktverschiebung Aus Ein 0 13 6 LSB High pass zero offset Off On 0 13 6 LSB

-50 -50

-50,1 -50.1

-50,2 -50.2

-50,1 -50.1

-50,3 -50.3

-50,2 -50.2

-50,3 -50.3

-60 -60

-60,3 -60.3

-60,5 -60.5

-60,3 -60.3

-60,4 -60.4

-60,5 -60.5

-60,7 -60.7

-60,0 -60.0

-70 -70

-70,1 -70.1

-71,0 -71.0

-71,9 -71.9

-69,2 -69.2

-69,3 -69.3

-71,0 -71.0

-73,2 -73.2

-80 -80

-80,0 -80.0

-81,0 -81.0

-84,0 -84.0

-77,2 -77.2

-77,6 -77.6

-81,1 -81.1

-86,5 -86.5

-90 -90

-91,0 -91.0

-92,0 -92.0

-93,0 -93.0

-87,0 -87.0

-87,2 -87.2

-89,0 -89.0

-96,0 -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. The table shows that there is an optimal zero offset for the best linearity for an A law. Without zero offset, the transfer characteristic with a 3 dB deviation is linear at -90dBmO, which causes an increase of 3 dB in the -90 dBmO crosstalk signal. With a zero offset of 6 LSB (least significant bits), which is half of the smallest level according to the A law, the transfer characteristic curve is bent to the other side, and a -90 dBmO input signal is attenuated to -96 dBmO.

Beim (i-Gesetz sind die Effekte nicht leicht messbar, und es kann kein nennenswerter Vorteil gewonnen werden durch Einführung einer Nullpunktverschiebung. With the (i-law, the effects are not easily measurable, and no significant advantage can be gained by introducing a zero point shift.

3 3rd

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

G G

2 Blatt Zeichnungen 2 sheets of drawings

Claims

642 206

1. PCM coding arrangement, characterized by a linear analog / digital converter (1), which generates pulse code groups with a first number of pulses each, by a digital high-pass filter (2), to which the output signal of the converter is applied, and by means (4, 5) to add a zero offset of a predetermined amount to the filter output signal.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that between the linear converter (1) and the digital high-pass filter (2) low-pass filter means (3) are inserted.

2nd

PATENT CLAIMS

3. Arrangement according to claim 1 or 2, characterized by means (6) to digitally compress the filter output signal containing the zero offset.