CS255067B1

CS255067B1 - Differential pulse code modulation's transmission system

Info

Publication number: CS255067B1
Application number: CS858654A
Authority: CS
Inventors: Vaclav Papez
Original assignee: Vaclav Papez
Priority date: 1985-11-28
Filing date: 1985-11-28
Publication date: 1988-02-15
Also published as: CS865485A1

Abstract

Je řešen přenosový systém s eliminací zkreslení, tvořený kódovacím zařízením, přenosovým kanálem a dekódovacím za řízením. Kódovací zařízení, které se skládá s odečítačky řízeného kvantovače generá toru nerovnoměrného kódu, prvního prediktoru a sečítkačky, má jeden výstup generátoru nerovnoměrného kódu spojen s přenosovým kanálem a na druhý výstup má připojen jedním vstupem první generátor řídící funkce, jehož výstup s řídicím signálem je připojen na řízený kvantovač. Výstup sečítakčy je přes první generátor maximálního gradientu spojen s druhým vstupem generátoru řídicí funkce. Dekódovací zařízení je připojeno dekodérem nerovnoměrného kódu na výstup přenosového kanálu. Dekodér je přes generá tor hodnoty diference a výstupní sečítačku spojen s výstupem systému. Výstup sečítačky je přes druhý prediktor spojen s jejím druhým vstupem a dále přes druhý generátor maximálního gradientu a druhý generátor ří dicí funkce je spojen s řídicím vstupem generátoru hodnoty diference. Druhý vstup druhého generátoru řídicí funkce je připojen na druhý výstup dekodéruTransmission system with elimination is solved distortion generated by the coding device transmission channel and decoding by driving. The coding device that is composed with a reader driven quantizer generates uneven code, the first predictor and a numbering machine, has one generator output uneven code linked to the transmission channel and the other output has one the first control function generator input whose control signal output is connected to a controlled quantizer. The output of the adders is via the first maximum gradient generator connected to the second generator input function. The decoding device is connected an uneven code decoder to output transmission channel. The decoder is generating them differential value and the output adder connected to the system output. Adder output is connected to the other via the second predictor through the second maximum generator gradient and second generator The control function is connected to the control input the difference value generator. Second input the second control function generator is connected to the second output of the decoder

Description

Vynález se týká přenosového systému diferenciální pulsně kódové modulace s eliminací zkreslení, které je způsobené systémem a je vneseno do přenášecího signálu. Přenosový syssystém diferenciální pulsně kódové modulce je perspektivním systémem pro přenos digitálního signálu stacionárního i pohyblivého obrazu, protože umožňuje, obzvláště při použití statického kódování výstupního signálu, sníženi potřebné přenosové kapacity pro přenos těchto signálů. Dosud známé přenosové systémy se skládají z kódovacího a dekódovacího zařízení. Kódovací zařízení je tvořeno odečítačkou, spojenou s kvantovačem, který je připojen přes generátor nerovnoměrného kódu s přenosovým kanálem systému a přes sečítačku s prediktorem. Prediktor je výstupem spojen s dalším vstupem sečítačky a zároveň s druhým vstupem odečítačky. Dekódovací zařízení je připojeno dekodérem nerovnoměrného kódu na výstup přenosového kanálu. Tento dekodér je dále spojen s výstupní sečitačkou, jejíž výstup je výstupem celého přenosového systému a je zároveň přes další prediktor spojen s druhým vstupem výstupní sečítačky.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a distortion-free differential pulse coding modulation transmission system that is caused by the system and is transmitted to a transmission signal. The transmission system of the differential pulse code module is a promising system for transmitting digital signals of both stationary and moving images, since it allows, especially when using static coding of the output signal, to reduce the necessary transmission capacity for the transmission of these signals. The prior art transmission systems consist of a coding and decoding device. The coding device consists of a subtractor connected to a quantizer, which is connected via a non-uniform code generator with a system transmission channel and through an adder with a predictor. The predictor is connected to the other input of the adder and the second input of the reader. The decoding device is connected by a non-uniform code decoder to the output of the transmission channel. This decoder is further coupled to an output adder, the output of which is the output of the entire transmission system and, at the same time, connected to a second input of the output adder via another predictor.

Nevýhodou dosud známých systémů je vnesení zkreslení způsobeného systémem do přenášeného signálu a nestabilita velikosti informačního toku přenášeného přenosovým kanálem. Zkreslení systému vzniká kvantováním rozdílového signálu kvantovačem, kdy dochází ke vzniku kvantovacího šumu, event. ke zkreslení obrysovým jevem, kdy jsou do přeneseného obrazového motivu vloženy kontury, které v originále nejsou. Často dochází i ke zkreslení přetížením náběžnou hranou, které vzniká tehdy, když kódovač není schopen včas reagovat na prudkou změnu velikost signálu. Dosažitelná účinnost kódování běžným systémem diferenciální pulsně kódové modulace je značně nižší než hodnota teoretická, nebot v důsledku nestability velikosti přenášeného informačního toku je nutno kapacitu přenosového kanálu navrhovat na maximální hodnotu přenášeného informačního toku.The disadvantages of the prior art systems are the introduction of distortion caused by the system into the transmitted signal and the instability of the size of the information stream transmitted by the transmission channel. System distortion is caused by quantization of the difference signal by a quantizer, which generates quantization noise, event. to contour distortion when contours that are not in the original are embedded in the transmitted image motif. Often, there is also a leading edge overload distortion that occurs when the encoder is unable to respond in time to a sudden change in signal size. The achievable coding efficiency of a conventional differential pulse code modulation system is considerably lower than the theoretical value, because, due to instability of the size of the transmitted information stream, the capacity of the transmission channel must be designed to the maximum value of the transmitted information stream.

V dosud známých systémech je dosahováno komprese informačního toku v poměru 2:1 až 4:1 a to často při užiti velmi složitého systému a za cenu značné degradace přenášeného signálu obrysovým jevem a při ztrátě detailů.In the prior art systems, compression of the information stream is achieved in a ratio of 2: 1 to 4: 1, often using a very complex system and at the expense of significant degradation of the transmitted signal by the contour effect and loss of detail.

Výše uvedené nedostatky odstraňuje přenosový systém diferenciální pulsně kódové modulace, složená z kódovací a dekódovací části. Kódovací zařízení je tvořeno odečítačkou, jejíž výstup je spojen s kvantovačem. Kvantovač je připojen přes generátor nerovnoměrného kódu s přenosovým systémem a zároveň přes sečítačku s jedním prediktorem. Výstup tohoto prediktoru je spojen s druhým vstupem sečítačky a zároveň s druhým vstupem odečítakčy. Na výstup přenosového kanálu je dekodérem nerovnoměrného signálu připojeno dekódovací zařízeni. Dekodér nerovnoměrného kódu je spojen s jedním vstupem výstupní sečítačky, jejíž výstup, který je výstupem celého přenosového systému, je přes druhý prediktor spojen s druhým vstupem této, výstupní sečítačky.The above drawbacks are overcome by a differential pulse code modulation transmission system comprised of a coding and decoding part. The coding device consists of a reader whose output is connected to a quantizer. The quantizer is connected via an uneven code generator with a transmission system and simultaneously through an adder with one predictor. The output of this predictor is connected to the second input of the adder and simultaneously to the second input of the reader. A decoding device is connected to the output of the transmission channel by a non-uniform signal decoder. The uneven code decoder is coupled to one input of the output adder, the output of which is the output of the entire transmission system via a second predictor connected to the second input of the output adder.

Podstatou přenosového systému je, že generátor nerovnoměrného kódu v kódovacím zařízení má výstup s informací o délce nerovnoměrného kódu a na tento výstup je připojen jedním vstupem první generátor řídící funkce. Jeho výstup se signálem pro řízení kvantovače je připojen na řídící vstup tohoto kvantovače. Zároveň na výstup séčítačky, spojený s prvním prediktorem, je připojen první generátor maximálního gradientu, jehož výstup je spojen s s druhým vstupem prvního generátoru řídící funkce. V dekódovacím zařízení je výstup výstupní sečítačky, spojený s druhým prediktorem, připojen zároveň na vstup druhého generátoru maximálního gradientu. Na jeho výstup je připojen druhým vstupem druhý generátor řídící funkce, na jehož první vstup je připojen výstup s informací o délce nerovnoměrného kódu. Na výstup druhého generátoru řídící funkce je připojen řídícím vstupem generátor hodnoty diference, který je zapojen mezi výstup dekodéru nerovnoměrného kódu a první vstup výstupní sečítačky.The essence of the transmission system is that the unequal code generator in the coding apparatus has an unequal code length information output and a first control function generator is connected to this output by one input. Its output with the signal for controlling the quantizer is connected to the control input of this quantizer. At the same time, the first maximum gradient generator is connected to the output of the adder connected to the first predictor, the output of which is connected to the second input of the first control function generator. In the decoder, the output of the output adder connected to the second predictor is connected simultaneously to the input of the second maximum gradient generator. A second control function generator is connected to its output by a second input, and an output with uneven code length information is connected to the first input. A difference value generator is connected to the output of the second control function generator, which is connected between the output of the uneven code decoder and the first input of the output adder.

Tento přenosový systém umožňuje dosažení komprese informačného toku například pro 8 bitový digitální obrazový signál až v poměru 8:1 bez znatelné degradace přenášeného signálu obrysovým jevem a bez vzniku zkreslené přetížením kodéru náběžnou hranou, což odpovídá 2 až 4x vyšší kompresi signálu než je možné u běžných zařízeni. Velikost odchylky je u tohoto přenosového systému upravena zvláštním způsobem, je kvantována.This transmission system allows to achieve compression of information stream for example for 8 bit digital video signal up to 8: 1 ratio without noticeable degradation of transmitted signal by contour effect and without distortion of encoder overload by leading edge, which corresponds to 2 to 4 times higher signal compression equipment. The amount of deviation in this transmission system is adjusted in a special way, it is quantized.

Na rozdíl od běžných systémů je kvantovač řízen velikostí gradientu signálu v okolí zpracovávaného vzorku, což je výhodné, nebot v oblastech s malou hodnotou tohoto gradientu je rozdílový signál kvantován jemněji a s menším zkreslením než v oblastech, kde je hodnota gradientu signálu velká. Výstupní signál kvantovače je přenášen pomocí nerovnoměrného kódu.Unlike conventional systems, the quantizer is controlled by the magnitude of the signal gradient around the sample being processed, which is advantageous because in areas with a low gradient value the difference signal is quantized more finely and with less distortion than in areas where the signal gradient is large. The output signal of the quantizer is transmitted using a non-uniform code.

Příklad uspořádání přenosového systému podle vynálezu je schematicky zobrazen na přiloženém výkrese, kde je znázorněno blokové schéma kódovacího zařízeni a blokové schéma dekódovacího zařízení.An example of an arrangement of a transmission system according to the invention is schematically shown in the attached drawing, where a block diagram of a coding apparatus and a block diagram of a decoding apparatus are shown.

Kódovací zařízení má na vstupu odečítačku J_, jejíž výstup je připojen na řízený kvantoval 2· Tento řízený kvantovač má možnost volby minimálně dvou, v tomto konkrétním případě pak tří, kvantovacích charakteristik pomocí bloků 21, 22 a 23. Výstup řízeného kvantovače 2 je připojen jednak na generátor !5 nerovnoměrného kódu, jehož jeden výstup je spojen s přenosovým kanálem a druhý je připojen na jeden vstup prvního generátoru T_ řídící funkce a jednak je spojen na jeden vstup sečítačky 4.The coding apparatus has a subtractor 1 at the input of which the output is connected to a controlled quantizer 2. This controlled quantizer has a choice of at least two, in this particular case three, quantization characteristics using blocks 21, 22 and 23. to a non-uniform code generator 15, one output of which is coupled to a transmission channel and the other is connected to one input of the first control function generator T and is connected to one input of the adder 4.

Výstup této sečítačky £ je přes první prediktor 2 spojen s druhým vstupem odečítačky X a zároveň s druhým vstupem sečítačky i. Dále je výstup sečítačky i_ připojen na první generátor 2 maximálního gradientu, jehož výstup je spojen s druhým vstupem prvního generátoru 7 řídící funkce. Toto kódovací zařízení je přes přenosový kanál spojeno s dekódovacím zařízením. Vstupním blokem tohoto dekódovacího zařízení je dekodér nerovnoměrného kódu.The output of the adder 4 is connected via the first predictor 2 to the second input of the subtractor X and at the same time to the second input of the adder 1. Further, the output of the adder 1 is connected to the first maximum gradient generator 2. This encoding device is connected to a decoding device via a transmission channel. The input block of this decoding device is a non-uniform code decoder.

Jeden výstup dekodéru 2 nerovnoměrného kódu je připojen na vstup generátoru 2 hodnoty diference a výstup s informací o délce nerovnoměrného kódu je připojen na první vstup druhého generátoru 10 řídící funkce.One output of the uneven code decoder 2 is connected to the input of the difference value generator 2 and the output with the uneven code length information is connected to the first input of the second control function generator 10.

Výstup druhého generátoru 10 řídící funkce je připojen na řídící vstup generátoru 2 hodnoty diference, jehož výstup je spojen s jedním vstupem výstupní sečítačky 13 Výstup výstupní sečítačky 13 je výstupem celého přenosového systému a je spojen jednak s druhým prediktorem 12, jehož výstup je připojen na druhý vstup výstupní sečítačky 13 a jednak na vstup druhého generátoru 11 maximálního gradientu, jehož výstup je spojen s druhým vstupem druhého generátoru 10 řídící funkce. .The output of the second control function generator 10 is connected to the control input of the difference value generator 2, the output of which is connected to one input of the output adder 13 The output of the adder 13 is the output of the entire transmission system and connected to the second predictor 12. the input of the output adder 13 and, second, the input of the second maximum gradient generator 11, the output of which is connected to the second input of the second control function generator 10. .

Systém podle vynálezu vychází z běžného systému diferenciální pulsně kódové modulace, který je modifikován užitím řízeného kvantovače 2, který je řízen okamžitou hodnotou gradientu signálu a adaptivní řídící smyčkou, která zabezpečuje dodržení téměř konstantní hodnoty přenášeného informačního toku.The system according to the invention is based on a conventional differential pulse code modulation system modified by the use of a controlled quantizer 2, which is controlled by the instantaneous signal gradient value and an adaptive control loop that ensures that the transmitted information stream is kept almost constant.

Přenosovým systémem je zpracován digitální signál přivedený na vstup ve formě posloupnosti čísel. Stejně jako u běžných systémů diferenciální pulsně kódové modulace je přenášena odchylka okamžité hodnoty signálu od hodnoty predikované, to je odvozené na základě statistických vlastností signálu z jeho předchozích vzorků.A digital signal applied to the input in the form of a sequence of numbers is processed by the transmission system. As with conventional differential pulse code modulation systems, the deviation of the instantaneous value of the signal from the predicted value is transmitted, i.e. derived from the statistical properties of the signal from its previous samples.

Pro zajištění stálé délky nerovnoměrného kódu pro určitý blok signálu, např. obrazovou řádku, je řízený kvantovač 2 dále řízen hodnotou entropie přenášeného signálu, která je charakterizována délkou nerovnoměrného kódu. Informace o této délce je na výstupu prvního generátoru 5 nerovnoměrného kódu a je pro řízení kvantovače 2 zpracována generátorem 2 řídící funkce, z jehož výstupu je řízen kvantovač 2. Parametrem řídící funkce je zároveň hodnota maximálního gradientu, získaná v generátoru maximálního gradientu, který je připojen na výstup sečítačky 4.· Růst entropie způsobuje hrubší kvantování rozdílového signálu v kvantovači a tím následnou stabilizaci hodnoty entropie.In order to ensure a constant length of the uneven code for a particular block of signal, e.g., the video line, the controlled quantizer 2 is further controlled by the entropy value of the transmitted signal, which is characterized by the length of the uneven code. This length information is output at the first non-uniform code generator 5 and is processed by the control function generator 2 to control quantizer 2, the output of which is controlled by quantizer 2. The control function parameter is also the maximum gradient value obtained in the maximum gradient generator that is connected · Increase in entropy causes coarser quantization of the difference signal in the quantizer and thus stabilizes the entropy value.

V dekódovacím zařízení je rekonstruovaný signál získáván přičtením přenesené odchylky vstupního signálu na vstupu systému od hodnoty signálu predikované prvním prediktorem 2 k predikované hodnotě signálu z druhého prediktoru 12, která je stejným algoritmem jako v kódovacím zařízení, i zde získána z předchozích vzorků signálů. V tomto přenosovém systému jsou navíc vypočteny v prvním generátoru 6 maximálního gradientu i hodnoty gradientu signálu a v závislosti na hodnotě entropie přenášeného signálu, která je na výstupu dekodéru 8.In the decoding apparatus, the reconstructed signal is obtained by adding the input signal input deviation at the system input from the signal predicted by the first predictor 2 to the predicted signal value from the second predictor 12, which is the same algorithm as in the coding apparatus, here. In this transmission system, in addition, in the first maximum gradient generator 6, the gradient values of the signal and the dependence of the entropy value of the transmitted signal at the output of the decoder 8 are calculated.

nerovnoměrného kódu, je určen pro řízení generátoru 9 hodnoty diference tvar kvantovací charakteristiky, která byla právě použita při kódování dekódovaného vzorku signálu.The non-uniform code is designed to control the difference value generator 9 by the shape of the quantization characteristic that was just used to encode the decoded signal sample.

Pro zpracování každého vzorku signálu je prvním prediktorem 3. generována pravděpodobná hodnota signálu. Jejím odečtením od skutečné hodnoty signálu odeČítaČkou 1. je získána hodnota rozdílového signálu. Zároveň je prvním generátorem maximálního gradinetu generována aktuální maximální hodnota gradientu signálu. Podle hodnoty gradinetu signálu je prvním generátorem ]_ řídící funkce generován řídící signál pro volbu kvantovací charakteristiky bloků 21 resp. 22 resp. 23 v řízeném kvantovači 2,To process each signal sample, a probable signal value is generated by the first predictor 3. By subtracting it from the actual value of the signal by the reader 1, the difference signal value is obtained. At the same time, the current maximum signal gradient value is generated by the first maximum gradient generator. Depending on the value of the signal gradine, a control signal is generated by the first control function generator 11 for selecting the quantization characteristic of the blocks 21 and 18, respectively. 22 resp. 23 in the controlled quantizer 2,

Hodnota řídícího signálu je dále závislá na délce nerovnoměrného kódu. Signál udávající tuto veličinu přichází do generátoru 7_ řídící funkce z generátoru 5 nerovnoměrného kódu. Rozdílový signál je kvantován řízeným kvantovačem 2, z jeho výstupu je veden na sečítačku £, kde je sečten s výstupním signálem prvního prediktoru 3, přičemž výstupní signál této sečítačky £ je veden na vstup prvního prediktoru 2/ kde je užit při výpočtech signálů následujících vzorků.The value of the control signal is further dependent on the length of the uneven code. The signal indicating this quantity comes to the control function generator 7 from the non-uniform code generator 5. The difference signal is quantized by the controlled quantizer 2, from its output is applied to the adder 6, where it is added to the output signal of the first predictor 3, the output signal of this adder 6 is applied to the input of the first predictor 2.

Řídící smyčkou, tvořenou řízeným kvantovačem 2 generátorem 5 nerovnoměrného kódu a prvním generátorem 1_ řídící funkce je stabilizována hodnota velikosti přenášeného informačního toku v zadaných mezích.The control loop formed by the controlled quantizer 2 by the non-uniform code generator 5 and the first control function generator 7 stabilizes the value of the transmitted information stream within specified limits.

Vlastní řízení kvantovače 2 lze uskutečnit volbou jedné z několika možných kvantovacích charakteristik, nebo přímým ovládáním proměnné kvantovací charakteristiky řídícím signálem. Protože řízený kvantovač 2 je řízen, jeho výstupní signál může nabývat v závislosti na řídícím signálu mnoho hodnot, je jako výstupní signál kódovacího zařízení přenášeno pořadové číslo kvantovacího intervalu řízeného kvantovače 2, ve kterém leží kvantovací signál.The actual control of quantizer 2 can be accomplished by selecting one of several possible quantization characteristics, or by directly controlling the variable quantization characteristic by a control signal. Since the controlled quantizer 2 is controlled, its output signal may have many values depending on the control signal, the sequential number of the quantization interval of the controlled quantizer 2 in which the quantization signal resides is transmitted as the output signal of the coding apparatus.

V dekódovacím zařízení jsou z předešlých vzorků signálu, stejně tak jako v kódovacím zařízení, určeny hodnoty maxima gradientu signálu v okolí zpracovávaného obrazového bodu a délky nerovnoměrného kódu, které podle stejného postupu, jakého je užito v kódovacím zařízení, umožňují v generátoru 2 hodnoty diference rozdílového signálu provést, pouze na základě znalosti pořadového čísla kvantovacího intervalu kvantovací charakteristiky, rekonstrukci hodnoty rozdílového signálu. Z této hodnoty je dekodérem 2 nerovnoměrného kódu s běžnou predikční smyčkou rekonstruován přenášený signál.In the decoding apparatus, from the preceding signal samples as well as in the coding apparatus, the maximum signal gradient values around the pixel being processed and the length of the uneven code are determined, which, according to the same procedure as used in the coding apparatus, signal, only by knowing the quantization interval sequence number of the quantization characteristic, reconstruct the difference signal value. From this value, the signal transmitted by the non-uniform code decoder 2 with a conventional prediction loop is reconstructed.

Zařízení je možné použít pro kompresi objemu videoinformace náležející statickému i pohyblivému obrazu. Použití je možné pro přenos a ukládání digitálního televizního obrazového signálu pro redukci potřebné šíře pásma, stejně tak i při zpracování a přenosu signálů jednotlivých statických snímků, kde lze dosáhnout až osminásobného zkrácení času, nutného ke zpracování a přenosu snímku. Zkrácení času, nutného pro přenos je obzvláště významné při přenosu signálu běžnou telekomunikační sítí, kde vede ke značnému zlevnění provozu.The device can be used to compress the volume of video information pertaining to both static and moving images. It can be used to transmit and store digital television video signals to reduce the bandwidth required, as well as to process and transmit individual still image signals, which can achieve up to eight times the processing and transmission time. Reducing the time required for transmission is particularly significant when transmitting a signal over a conventional telecommunications network, where it results in a significant reduction in traffic.

Zařízení pro tyto účely je možné konstruovat na základě součástkové základny dostupné v ČSSR, event. mikroprocesorů produkce NDR.Equipment for these purposes can be constructed on the basis of the component base available in Czechoslovakia, event. microcontrollers production of GDR.

Claims

Transmission system to a differential pulse code module, consisting of a coding device consisting of a subtractor whose output is connected to a quantizer, which is connected via an uneven code generator to a transmission channel of the transmission system and partly via an adder with a single predictor whose output is connected to the second input of the adder and at the same time the second input of the subtractor and the decoder connected to the output of the uneven code decoder connected to one input of the output adder whose output is the output of the whole transmission system and connected to the second input of this output adder, characterized in that the unequal code generator (5) in the coding apparatus has an unequal code length information output to which a first control function generator (7) is connected by one input, the output with the signal for controlling the quantizer (2) is connected to the control input of this quantizer (2) and at the same time to the output of the adder (4) connected to the first predictor (3) and connected to the first generator whose output is connected to the second input of the first control function generator (7) and in the decoder the output of the adder (13) connected to the second predictor (12) is connected to the input of the second maximum gradient generator (11) to which the output is connected a second input a second control function generator (10), to the first input of which the unequal code length information of the non-uniform code decoder (8) is connected and to the output of which the differential value generator (9) is connected between the decoder output (8) uneven code and the first input of the adder output (13).