DE102006058963A1

DE102006058963A1 - Digital coding method and device for carrying out the method

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Publication number: DE102006058963A1
Application number: DE200610058963
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-12-14
Filing date: 2006-12-14
Publication date: 2008-06-19
Also published as: WO2008071174A2; WO2008071174A3

Abstract

Es werden ein digitales Kodierungsverfahren zur Transformatio von allgemeinsten analogen Daten in digitale Daten und eine Einrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens beschrieben. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die digitalen Daten nicht nur aus den eigentlichen Quantisierungswerten gebildet werden, sondern um zusätzliche Dynamikinformationen ergänzt werden. Die zugehörige Einrichtung weist neben einem A/D-Wandler eine Einheit auf, die aus dem analogen Ursprungssignal die Dynamikinformation erzeugt.A digital encoding method for transforming most general analog data into digital data and a device for carrying out such a method are described. The method is characterized in that the digital data are not only formed from the actual quantization values, but supplemented by additional dynamics information. The associated device has, in addition to an A / D converter, a unit which generates the dynamic information from the analogue original signal.

Description

Digitale Kodierungsverfahren werden benötigt, um analoge Daten (Informationen, Signale, Musik, usw.) zwecks Weiterleitung oder Speicherung in digitaler Form in digitale Daten (Informationen) umzuwandeln. Diese repräsentieren die ursprünglichen analogen Daten in digitaler Form, und können insbesondere neben der direkten digitalen Weiterverarbeitung auch wieder in ein analoges Signal zurückgewandelt werden.digital Coding procedures are needed for analogue data (information, signals, music, etc.) for forwarding or storage in digital form in digital data (information) convert. These represent the original analog Data in digital form, and can in addition to the direct digital processing also be converted back into an analog signal.

Für die Transformation des analogen Signals in ein digitales Äquivalent werden Kodierungsverfahren verwendet. Diese Kodierungsverfahren beinhalten die Konstruktionsvorschriften (den Algorithmus), über die Art und Weise, wie aus den analogen Daten die digitalen Daten gewonnen werden, sowie Angaben über die Struktur der digitalen Daten. Derzeit gängige, in der Audiotechnik angewandte digitale Kodierungsverfahren sind z.B. Puls Code Modulation (PCM) und Direct Stream Digital (DSD). Prinzipiell ist jede digitale Abbildung eines analogen Signals mit einem Qualitätsverlust verbunden. Dieser wird in erster Linie durch das Verfahren bestimmt, läßt sich aber durch die geeignete Wahl von systemeigenen Parametern „einstellen". Allerdings sind der Verbesserung durch Veränderung von Parametern, wie z.B. bei PCM durch eine Vergrößerung der Auflösung der Wandler bzw. eine Erhöhung der Abtastrate, durch die dann schnell wachsenden Anforderungen an die Speicherressourcen bzw. eine größere notwendige Übertragungsbandbreite enge Grenzen gesetzt.For the transformation of the analog signal into a digital equivalent encoding method used. These coding procedures include the design rules (the algorithm), about the way in which the analog data is the digital data and information about the structure of the digital data. Currently common, in audio technology Applied digital coding methods are e.g. Pulse Code Modulation (PCM) and Direct Stream Digital (DSD). In principle, every digital image is an analog signal with a loss of quality. This is primarily determined by the method can be but by the appropriate choice of native parameters "adjust" the improvement through change of parameters, e.g. at PCM by enlarging the resolution the converter or an increase the sampling rate, by then rapidly growing requirements to the memory resources or a larger necessary transmission bandwidth set narrow limits.

Hier setzen dann Komprimierungsverfahren an, die zwar Ressourcen sparen, aber gleichzeitig zu einer Verschlechterung der digitalen Repräsentation und damit zu einer späteren analogen Rekonstruktion fuhren.Here then use compression methods that save resources, but at the same time to a worsening of the digital representation and thus to a later analog reconstruction drove.

Das hier beschriebene neuartige digitale Kodierungsverfahren modPCM setzt auf dem bestehenden PCM-Verfahren auf. Es beseitigt nicht nur einige der diesem alten Verfahren inneliegenden systembedingten Schwachpunkte, sondern bringt, zumindest in einigen Anwendungsbereichen, weitere Vorteile mit sich. Dies alles bei nur einer relativ geringen Vergrößerung des zu speichernden Datenvolumens. Vergleicht man es gar mit dem äquivalenten PCM-Verfahren (PCM 24bit vs. ModPCM 16 + 8bit), reduziert sich die Datenmenge auf circa 70%.The here described novel digital coding modPCM relies on the existing PCM procedure. It does not eliminate only a few of the systemic inherent in this old procedure Weak points, but brings, at least in some application areas, other benefits. All this with only a relatively small amount Magnification of the to be stored data volume. If one compares it even with the equivalent PCM procedure (PCM 24bit vs. ModPCM 16 + 8bit), the amount of data is reduced to about 70%.

Wendet man dieses Verfahren für die Verbreitung von Musik auf den herkömmlichen CD-Tonträgern an (700MB/80min), ist es mittels des modPCM-Verfahren möglich, auf diesen Tonträgern Musik in der Qualität zwischen 16-Bit(Vollaussteuerung) und 24-Bit (leiseste Passagen) in gleicher Länge unterzubringen, und dazu mit einem weiteren Vorteil: einer regelbaren Dynamik bei der Wiedergabe.applies one this procedure for the dissemination of music on conventional CD recordings (700MB / 80min), it is possible by means of the modPCM procedure these phonograms Music in quality between 16-bit (full scale) and 24-bit (quietest passages) in the same length and with another advantage: a controllable one Dynamic playback.

Neben dem eigentlichen Verfahren werden auch Prinzipien für die zugehörigen Kodierer und Dekodierer vorgestellt.Next The actual method also becomes principles for the associated coders and decoders presented.

Herkömmliches PCM-VerfahrenConventional PCM process

Das nachfolgend beschriebene Kodierungsverfahren basiert auf dem herkömmlichen Puls-Code-Modulationsverfahren (PCM). Mittels diesem wird ein analoges Signal in eine Folge von digitalen Zahlenwerten transformiert. Hierzu wird das analoge Ursprungssignal zunächst in feststehenden zeitlichen Abständen mit der Frequenz f abgetastet und dieser Amplitudenwert auf n diskrete Werte abgebildet. Der Wert m ergibt sich aus der für die Darstellung zur Verfügung stehenden Wortbreite n: es gilt m = 2 hoch n.The The encoding method described below is based on the conventional one Pulse code modulation method (PCM). By means of this becomes an analog Signal transformed into a sequence of digital numerical values. For this the analogue original signal is initially transmitted at fixed intervals the frequency f is sampled and this amplitude value is sampled to n discrete Values shown. The value m results from that for the representation to disposal standing word width n: m = 2 high n.

In der Audiotechnik sind z.B. folgende Werte für f und m gebräuchlich:
CD-Standard: f = 44,1 kHz, n = 16
Studiostandard: f = 96kHz, n = 24In audio technology, for example, the following values for f and m are common:
CD standard: f = 44.1 kHz, n = 16
Studio standard: f = 96kHz, n = 24

Das herkömmliche PCM-Verfahren hat systembedingte Grenzen bzw. Fehler, die sich aus der Wahl der Werte für f und n ergeben.The conventional PCM method has systemic limits or errors that are out the choice of values for give f and n.

Man betrachte zunächst ein konstantes Eingangssignal:
Hier bestimmt der Wert n die Genauigkeit, mit der ein konstantes Signal dargestellt werden kann. Des weiteren tritt aber auch ein Quantisierungsrauschen auf. Liegt das Signal zwischen zwei Stufen, so wird das Ausgangssignal zwischen diesen beiden Stufen hin- und herschalten, mit der Abtastfrequenz f.First consider a constant input signal:
Here, the value n determines the accuracy with which a constant signal can be represented. Furthermore, there is also a quantization noise. If the signal lies between two stages, the output signal between these two stages will switch back and forth, with the sampling frequency f.

Man betrachte weiterhin ein stationäres, periodisches Signal: Mit der Wahl des Wertes für f wird die maximale Einganssignalfrequenz fmax des zu kodierenden Signals festgelegt: es gilt f > (2·fmax)you consider a stationary, periodic signal: By selecting the value of f, the maximum input signal frequency becomes fmax of the signal to be coded: f> (2 · fmax)

Soweit der stationäre Fall. Sobald sich die Eingangssignale jedoch nicht mehr stationär verhalten, sondern einer Dynamik unterworfen sind, treten zusätzliche Fehler auf.So far the stationary one Case. However, as soon as the input signals are no longer stationary, but are subject to a dynamic, additional occur Error on.

Als Beispiel wird ein periodisches sinusförmiges Signal angenommen, weiterhin sei n = 8.When For example, assume a periodic sinusoidal signal, continue Let n = 8.

Die Amplitude des Eingangssignals betrage 100%. Damit stehen für die Amplitudendiskretisierung 256 Werte zur Verfügung.The Amplitude of the input signal is 100%. This stands for the amplitude discretization 256 values available.

Verringert sich das Signal auf 10% des vollen Bereiches, stehen für die Amplitudendiskretisierung nur noch ca. 25 Werte zur Verfügung: die Rasterung des später rekonstruierten Signals wird erheblich großer, der Klirrfaktor steigt.decreases Signal on 10% of the full range, only for amplitude discretization still about 25 values available: the screening of the later reconstructed signal is considerably larger, the harmonic distortion increases.

Man betrachte ein nichtperiodisches Signal, welches jedoch von einem kleineren, sich ändernden Wechselsignal überlagert ist und eine entsprechende Dynamik hat:
Beispielsweise könnte man sich seismographische Aufzeichnungen vorstellen, die man über ein PCM-Verfahren aufzeichnen möchte. Die Schwankungsbreite der Daten vor einem Erdbeben wird relativ klein sein, die Schwankungen während des Bebens sehr groß. Allerdings muss der Messbereich den stärksten Schwankungen angepasst sein, so dass die kleineren Schwankungen nur relativ ungenau abgebildet werden.Consider a nonperiodic signal, but of a smaller, changing one Interchangeable signal is superimposed and has a corresponding dynamics:
For example, one could imagine seismographic recordings that one would like to record via a PCM process. The fluctuation range of the data before an earthquake will be relatively small, the fluctuations during the quake very large. However, the measuring range must be adapted to the strongest fluctuations, so that the smaller fluctuations are imaged only relatively inaccurate.

Obige Probleme lassen sich dadurch verbessern, indem die Werte für n und ggfs. für f vergrößert werden. Nachteilig ist dann in jedem Falle die stark angewachsene Datenmenge, die entweder einen größeren Datenspeicher oder eine größere Übertragungsbandbreite benötigt.Above Problems can be improved by changing the values for n and if necessary for f be enlarged. The disadvantage is then in any case the greatly increased amount of data, either a larger data store or a larger transmission bandwidth needed.

Genau die eben beschriebenen Schwächen werden mit Hilfe meines modifizierten PCM-Verfahrens (modPCM) verbessert, ohne das die Parameter n oder f geändert werden müssen: d.h., die zur Verfügung stehenden Ressourcen werden effektiver ausgenutzt.Exactly become the weaknesses just described improved with the help of my modified PCM method (modPCM), without having to change the parameters n or f: i. e. the available standing resources are used more effectively.

Beschreibung des modifizierten PCM-Verfahrens (modPCM)Description of the modified PCM method (modPCM)

Das Grundprinzip des modifizierten PCM Verfahrens (modPCM) basiert darauf, dass neben den eigentlichen Quantisierungswerten DAT (die digitale Repräsentation der Abtastwerte) des bisherigen PCM-Verfahrens zusätzliche Dynamikinformationen DYN gebildet werden. Allerdings entsprechen die neuen DAT-Informationen nicht den DAT-Informationen des alten PCM-Verfahrens. Die Daten DAT und DYN bilden zusammen dann die digitale Repräsentation des analogen Signals. Prinzipiell vergrößert sich die benötigte Datenmenge um den Anteil DYN. Oftmals ist jedoch die Dynamik eines analogen Signals über längere Zeit nahezu konstant, so dass sich bei entsprechender konkreter Ausgestaltung der Kodierungsvorschrift ein erhebliches Einsparpotential vorhanden ist; im Falle einer konstanten Dynamik beträgt der Platzbedarf gar nur eine Einheit (byte oder word).The The basic principle of the modified PCM process (modPCM) is based on in addition to the actual quantization values DAT (the digital quantization values) representation the samples) of the previous PCM method additional Dynamic information DYN be formed. However, they correspond the new DAT information does not match the DAT information of the old one PCM method. The data DAT and DYN together then form the digital one representation of the analog signal. In principle, the required amount of data increases by the proportion DYN. Often, however, the dynamics of an analog Signal over longer Time is almost constant, so with appropriate concrete Design of the coding rule a significant savings is available; in the case of a constant dynamics, the space required even just one unit (byte or word).

Vereinfacht ausgedrückt könnte man das modPCM-Verfahren als eine automatische, adaptive Anpassung des Messbereiches an die aktuell herrschenden Dynamikverhältnisse (Mittelwert) ansehen. Diese automatische Anpassung sorgt dafür, dass stets für eine möglichst optimale Ausnutzung der vorgegebenen Quantisierungsstufen des erfolgt, wodurch beispielsweise die systembedingten auftretenden Verzerrungen bei kleiner werdendem Pegel beim herkömmlichen PCM-Verfahren drastisch reduziert werden.simplified expressed could the modPCM method as an automatic, adaptive adaptation of the measuring range to the currently prevailing dynamic conditions View (average). This automatic adjustment ensures that always for one preferably optimum utilization of the predetermined quantization levels of whereby, for example, the system-related distortions drastically with decreasing level in the conventional PCM method be reduced.

Für die Herausstellung des eigentlichen Systemvorteils von modPCM gegenüber PCM muß der Begriff der effektiven Auflösung eingeführt werden. Unter „effektiver Auflösung" soll die tatsächliche Anzahl der verwendeten Quantisierungsstufen in Relation zu der maximal verhandenen Anzahl an Quantisierungsstufen verstanden werden. Geht man beispielweise von einer Anzahl von 256 Quantisierungsstufen aus (8 bit), so werden diese bei Vollaussteuerung auch komplett ausgenutzt, d.h. die effektive Auflösung bei Vollaussteuerung beträgt 100%. Geht der Pegel auf 50% zurück, beträgt die effektive Auflösung nur noch 50%, da nur noch die Hälfte der möglichen Quantisierungsstufen verwendet werden. Die effektive Auflösung ist mit dem Aussteuerungsgrad identisch (Bild 8); sie fällt in gleichem Maße, wie der Aufnahmepegel sinkt. Besonders kritisch ist dieser Zusammenhang bei der Verwendung der PCM-Kodiertechnik im Bereich der Audiotechnik (Audio CD), da das menschliche Lautstärkeempfinden in erster Näherung logarithmisch verläuft. Insofern wird erst ein Aufnahmepegel von 25% als halblaut empfunden, nicht derjenige von 50%. In der Praxis wird daher die effektive Auslösung oftmals kleiner sein als die Nennauflösung (maximale Auflösung) von 16 bit, warum es eben, deutlich hörbar, bei kleiner werdenden Pegeln zu immer größeren Verzerrungen, die sich als Klangverfälschungen oder auch als eine gewisse „Härte" darstellen, kommt.For the statement the actual system advantage of modPCM over PCM must be the concept of effective resolution introduced become. Under "more effective Resolution "should be the actual Number of quantization steps used in relation to the maximum be understood number of quantization levels. going for example, from a number of 256 quantization levels off (8 bit), they will be complete at full scale exploited, i. the effective resolution at full scale is 100%. If the level goes back to 50%, is the effective resolution only still 50%, because only half the possible quantization levels be used. The effective resolution is with the level of modulation identical (Figure 8); she falls to the same extent, as the recording level drops. Particularly critical is this connection when using PCM coding technology in the field of audio technology (Audio CD), since the human volume sense in a first approximation logarithmic runs. In this respect, only a recording level of 25% is perceived as semi-clear, not the one of 50%. In practice, therefore, the effective trigger often be smaller than the nominal resolution (maximum resolution) from 16 bit, why it just, clearly audible, with diminishing Levels to ever greater distortions, as sound distortions or even as a certain "hardship" represent comes.

Anders ist es bei dem neuen hier beschriebenen modPCM-Verfahren. Die effektive Auslösung dieses Verfahrens ist nahezu aussteuerungsunabhängig; sie beträgt in jedem Zeitpunkt nahezu 100% (Bild 9). Dies bedeutet nichts anderes, als das jedes Signal, egal welchen Pegels, immer mit der maximalen Systemauflösung, also z.B. 16-bit, digitalisiert wird.Different it is with the new modPCM method described here. The effective triggering of this Procedure is almost independent of control; it is in each Time almost 100% (Figure 9). This means nothing else than every signal, no matter what level, always with the maximum system resolution, ie e.g. 16-bit, digitized.

Vergleicht man PCM (16-bit) und modPCM (16-bit + 8bit) in einer anderen Art, lasst sich folgendes feststellen:

• Bei 100% Pegel sind PCM und modPCM identisch
• Bei 50% Pegel entspricht modPCM der PCM (17-bit)
• Bei 25% Pegel entspricht modPCM der PCM (18-bit)
• Bei 12,5% Pegel entspricht modPCM der PCM (19-bit)
• Bei 6,25% Pegel entspricht modPCM der PCM (20 bit) usw.

Comparing PCM (16-bit) and modPCM (16-bit + 8-bit) in a different way, the following can be stated:

• At 100% level, PCM and modPCM are identical
• At 50% level, modPCM is equivalent to PCM (17-bit)
• At 25% level, modPCM is equivalent to PCM (18-bit)
• At 12.5% level, modPCM is equivalent to PCM (19-bit)
• At 6.25% level, modPCM is equivalent to PCM (20 bit), etc.

Nachfolgend noch einmal die Hauptvorteile des modPCM-Verfahrens gegenüber dem herkömmlichen PCM-Verfahren (gleiche Bitzahl der Wandler vorausgesetzt):

• Der Dynamikbereich, bei herkömmlichen PCM-Systemen allein durch den Parameter n bestimmt, wird um ein Vielfaches erweitert, obwohl n gleich bleibt.
• Die Signalverzerrungen (Klirrfaktor) steigen bei herkömmlichen PCM-Systemen mit kleiner werdender Aussteuerung an; beim modPCM-System bleiben sie hingegen bestenfalls konstant, unabhängig von der aktuellen Signalamplitude.
• Das Quantisierungsrauschen wird stark gemindert und dürfte in der Praxis keine Rolle mehr spielen.
• Zusätzlich entfallen bestimmte Anordnungen wie Zusatzfilter u. dgl., die z.B. bestimmte Effekte wie das Quantisierungsrauschen in der Praxis verhindern bzw. verringern helfen sollen.
• Die Vergrößerung der Gesamtdatenmenge durch den DYN-Anteil dürfte in der Praxis vernachlässigbar sein.

The main advantages of the modPCM process compared to the conventional PCM process (assuming the same number of converters) are as follows:

• The dynamic range, determined in conventional PCM systems solely by the parameter n, is extended many times, although n remains the same.
• The signal distortion (harmonic distortion) increases in conventional PCM systems with decreasing modulation; In the modPCM system, on the other hand, they remain constant at best, regardless of the current signal amplitude.
• The quantization noise is greatly reduced and is unlikely to play a role in practice.
• In addition, certain arrangements such as additional filters u. Like., For example, to prevent certain effects such as quantization noise in practice or reduce.
• Increasing the total amount of data by the DYN component is likely to be negligible in practice.

Die Kodierung nach dem modPCM-Verfahren wird mittels einer speziellen Kodierungseinrichtung vorgenommen. Ergebnis ist eine spezielle digitale Darstellung des ursprünglichen analogen Signals mit den Bestandteilen DAT und DYN.The Coding according to the modPCM method is performed by means of a special Coding made. Result is a special digital Representation of the original analog signal with the components DAT and DYN.

Diese Daten können entweder direkt digital weiterverarbeitet und ausgewertet werden oder mittels einer speziellen Dekodiereinrichtung in ein analoges Signal zurückgewandelt werden, welches gegenüber einem durch das herkömmliche PCM-Verfahren zurückgewonnenen Signal die o.g. Vorteile beinhaltet.These Data can either directly digitally processed and evaluated or by means of a special decoder in an analog Signal converted back which are opposite one by the conventional one PCM process recovered Signal the o.g. Benefits included.

Beispiele für eine praktische RealisierungExamples of a practical realization

Die nachfolgenden Beispiele zeigen Möglichkeiten auf, wie das Verfahren in der Praxis realisiert werden könnte bzw. einige Einsatzgebiete. Zudem wird anhand dieser Beispiele die Wirkungsweise des Verfahrens beschrieben.The following examples show possibilities on how the procedure could be realized in practice a few fields of application. In addition, the effects of the Procedure described.

Prinzipiell besteht eine Einrichtung zur Übertragung von analogen Signalen auf digitalem Einrichtungen (Bilder 1 und 2) aus folgenden Einheiten, deren Grundlage die aktuellen Vorschriften für die Kodierung, also gemeinhin bekannt als das Kodierfahren, bilden:

• einer Kodiereinrichtung, die das analoge Signal gemäß den Vorschriften des Kodierverfahrens in eine digitale Form transformiert; das eigentliche Datenformat ist nicht zwingend Bestandteil des Kodierverfahrens, wohl aber die Informationsinhalte (z.B. DAT und DYN bei modPCM).
• ein Datenspeicher, der die von der Kodiereinrichtung erzeugten Daten aufnimmt; dies ist dann notwendig, wenn die Daten „offline" übertragen werden (Festplatte, digitales Magnetband, Halbleiterspeicher, CD, DVD, etc.)
• einer digitalen Übertragungseinrichtung (terrestrische Verbreitung über Funk (Radio, Fernsehen), Satellit, Telfonnetze, Internet, sonst. Datennetze) im Falle der „Online"-Übertragung
• einer Dekodiereinrichtung, die das digital kodierte Signal anhand der Vorschriften des Kodierverfahrens wieder in ein analoges Signal zurückwandelt.

In principle, a device for transmitting analog signals to digital devices (FIGS. 1 and 2) consists of the following units, the basis of which is the current coding rules, which are commonly known as the encoding method:

A coding device which transforms the analog signal into a digital form in accordance with the rules of the coding method; the actual data format is not necessarily part of the coding process, but the information content (eg DAT and DYN in modPCM).
A data memory which receives the data generated by the encoder; this is necessary if the data is transferred "offline" (hard disk, digital magnetic tape, semiconductor memory, CD, DVD, etc.)
• a digital transmission facility (terrestrial broadcasting via radio (radio, television), satellite, telephone networks, Internet, other data networks) in the case of "online" transmission
• a decoding device, which converts the digitally coded signal back into an analogue signal according to the rules of the coding method.

Kodiereinrichtungcoding

Das Kernstück einer jeden Kodiereinrichtung bildet ein A/D-Umsetzer (AD1) einer bestimmten Wandlungstiefe; als Beispiel sei ein Wandler mit einer Wandlungstiefe von 16 bit angenommen. Nachfolgend werden einige Ausführungen verschiedener Kodiereinrichtungen beschrieben.The core each coding device forms an A / D converter (AD1) of a specific conversion depth; an example would be a converter with a conversion depth of 16 bit accepted. Below are some versions of various encoding devices described.

Kodierer für das herkömmliche PCM-Verfahren bestehen im wesentlichen aus einem A/D-Wandler (auf die Darstellung weiterer Einheiten, die mit der Zeitquantisierung (Abtastrate) zusammenhängen, wird verzichtet, da sie für das neue modPCM-Verfahren nicht relevant sind, da hierbei kein Unterschied zum bestehenden PCM-Verfahren besteht).encoder for the conventional PCM methods consist essentially of an A / D converter (on the representation of other units, with the time quantization (Sampling rate) is related waived, as she for the new modPCM procedure are not relevant because there is no difference to the existing one PCM procedure exists).

Dieser A/D-Wandler (hier AD1) wird, je nach gewählter Kodierer-Lösung, um weitere Komponenten ergänzt. Insbesondere ist eine Einheit erforderlich, die aus dem analogen Ursprungssignal die Dynamikinformation DYN erzeugt. Diese Einheit wird durch einen Tiefpass zur Mittelwertbildung symbolisiert. Gemeint sei hier speziell die aktuelle Dynamik des Signals.This A / D converter (here AD1), depending on the selected encoder solution to additional components added. In particular, a unit is required that is out of the analog Source signal generates the dynamic information DYN. This unit is symbolized by a low pass for averaging. Meant Here is the current dynamics of the signal.

Kodierer1 (Bild 3)Encoder1 (Photo 3)

Zwischen dem eigentlichen Wandler AD1 und dem Signal befindet sich ein in seiner Verstärkung regelbaren Verstärker, dessen Verstärkung über die Information DYN gesteuert wird. Für das Verständnis der Funktionsweise des modPCM-Verfahrens ist zu berücksichtigen, dass das Steuerverhalten dieses Verstärkers umgekehrt proportional ist: v = n2/(DYN + 1) 0 ... DYN ... n2 – 1wenn n2 die Anzahl der Quantisierungsstufen des A/D-Wandlers AD2 ist, also die „Rasterung" der Dynamik.Between the actual converter AD1 and the signal there is an amplifier whose gain can be controlled, the gain of which is controlled by the information DYN. To understand the operation of the modPCM method, keep in mind that the control behavior of this amplifier is inversely proportional: v = n2 / (DYN + 1) 0 ... DYN ... n2 - 1 if n2 is the number of quantization stages of the A / D converter AD2, ie the "rasterization" of the dynamics.

Diese Steuerung der Verstärkung kann prinzipiell sowohl analog als auch digital erfolgen. Im Beispiel sei eine digitale Ansteuerung angenommen. Diese Information wird aus einer den Mittelwert bildenden Einheit gewonnen, die anschließend durch einen zweiten Wandler AD2 in eine digitale Form überführt wird. Die Werte dieses Wandlers stellen gleichzeitig die Dynamikinformation dar, die zusammen mit den Daten des AD1 die eigentliche digitale Repräsentation des analogen Signals bilden, jedoch in einer neuen Kodierung: der Kodierung nach dem modPCM-Verfahren.This control of the gain can be done in principle both analog and digital. In the example, assume a digital control. This information is obtained from an averaging unit, which is then converted to a digital form by a second converter AD2. The values of this converter simultaneously represent the dynamics information which, together with the data of the AD1, constitute the actual digital representation of the analog signal, however in a new coding: coding according to the modPCM method.

Kodierer2 (Bild 4)Encoder2 (Photo 4)

Die Anordnung dieser Ausführung ähnelt der des Kodierer1, setzt allerdings einen analog ansteuerbaren Verstärker voraus.The Arrangement of this embodiment is similar to that of Encoder1, however, requires an analog controllable amplifier.

Kodierer3 (Bild 5)Encoder3 (Photo 5)

Diese Anordnung unterscheidet sich erheblich von der der Kodierer 1 und 2. Der Verstärker wird durch zwei D/A-Wandler ersetzt, die die Referenzspannungseingänge des AD1 ansteuern. Damit wird der Arbeitsbereich des AD1 automatisch den herrschenden Dynamikverhältnissen angepasst. Fast die gesamte Informationsverarbeitung (mit Ausnahme der Mittelwertbildung) erfolgt digital.These Arrangement differs significantly from that of coders 1 and 2. The amplifier is replaced by two D / A converters which supply the reference voltage inputs of the Drive AD1. This will make the working area of the AD1 automatic the prevailing dynamics customized. Almost all information processing (except the Averaging) is done digitally.

In einem weiteren Schritt könnte selbstverständlich auch die Mittelwertbildung digital vorgenommen werden, was aber für das Prinzip nicht bedeutend ist, weshalb auf eine gesonderte Darstellung diesbezüglich verzichtet wird.In another step could be Of course even the averaging can be done digitally, but that for the Principle is not significant, which is why dispense with a separate presentation in this regard becomes.

Zu allen Prinzipien ist folgendes zu sagen: die Wandlertiefe (Auflösung) des AD2 bestimmt den Grad der Verbesserung, die das modPCM-Verfahren bietet. Im Grunde genommen wird mit dem beschriebenen Verfahren auch nur die Auflösung des AD1 erweitert. Ist z.B. n1 = 16 und n2 = 8, kann man bestenfalls eine Auflösung erwarten, wie sie ein 24bit-Wandler hätte. Allerdings benötigt man stattdessen nur einen einfachen (preiswerteren) 16bit-Wandler und einen noch preiswerteren 8bit-Wandler.To The following is to be said of all principles: the transducer depth (resolution) of the AD2 determines the degree of improvement offered by the modPCM method. Basically, with the described method only the resolution of the AD1 extended. Is e.g. n1 = 16 and n2 = 8, you can at best a resolution expect how they would have a 24bit converter. However, you need instead just a simple (cheaper) 16bit converter and an even cheaper 8bit converter.

Den größten Vorteil bringt das modPCM-Verfahren im Gegensatz zum herkömmlichen PCM-Verfahren (mit beispielsweise einem 24bit-Wandler) bezüglich der Datenmenge. Zwar fallen neben der reinen Nutzinformation (den Daten aus dem AD1) zusätzliche Daten an, die Dynamikinformation aus dem AD2, die zusammen mit den Daten des AD1 gespeichert bzw. übertragen werden müssen.The biggest advantage brings the modPCM method in contrast to the conventional one PCM method (with, for example, a 24-bit converter) with respect to Amount of data. Although fall next to the pure payload (the data from the AD1) additional Data to the dynamic information from the AD2, which together with the Data of the AD1 is stored or transmitted Need to become.

Geht man jedoch von einem Signal aus, dessen Änderung seiner Dynamik recht klein ist, kann man durch die konkrete Ausgestaltung des Protokolls für die Datenübertragung viel an Informationen einsparen, wenn man vereinbart, dass nur geänderte Dynamikinformationen übertragen werden müssen.going However, from a signal, whose change its dynamics right small, one can by the concrete arrangement of the protocol for data transmission save a lot of information, if you agree that only transmitted dynamic information Need to become.

Zwei Beispiele sollen dies verdeutlichen:
Dieses Verfahren eignet sich hervorragend, um Musik digital zu speichern. Verfolgt man den Dynamikverlauf von verschiedensten Musikstücken, stellt man fest, dass die Dynamik oft über eine längere Zeit gleich bleibt, entsprechend der Vorgaben des Komponisten von ppp über mf bis fff. Entsprechend bleibt die Dynamikinformation über lange Zeit unverändert und benötigt daher keine Ressourcen.Two examples illustrate this:
This method is great for storing music digitally. If one follows the dynamics of various pieces of music, one finds that the dynamics often remain the same over a longer period of time, in accordance with the composer's specifications of ppp over mf to fff. Accordingly, the dynamic information remains unchanged over a long time and therefore does not require any resources.

Am Beispiel der seismografischen Aufzeichnungen wird dies noch prägnanter. Vor dem Erdbeben wird die Anordnung mit der höchsten Empfindlichkeit arbeiten. Sie arbeitet ggfs. mit der Genauigkeit eines 24bit-Wandlers, erzeugt aber nur 16bit-Daten. Im Falle des Erdbebens wird die Aussteuerung der Anordung automatisch reduziert (eine einmalige Änderung der Dynamik).At the Example of seismographic recordings this becomes even more incisive. Before the earthquake, the arrangement with the highest sensitivity will work. If necessary, it works with the accuracy of a 24-bit converter but only 16bit data. In the case of the earthquake, the modulation of the Arrangement automatically reduced (a one-time change of dynamics).

Wählt man in der Anordnung n2 = 16, erhält man praktisch einen 32bit-Wandler (bzgl. der dynamischen Möglichkeiten kleinster Signale) zum Preis zweier 16bit-Wandler und der Datenmenge eines 16bit-Wandlers (zzgl. der Dynamikinformationen).You choose in the arrangement n2 = 16, one obtains practically a 32bit converter (regarding the dynamic possibilities smallest signals) at the price of two 16-bit converters and the amount of data a 16bit converter (plus the dynamic information).

Ergänzend bleibt noch anzumerken, dass der Algorithmus des Kodierverfahrens verschiedene Gestaltungsmöglichkeiten zulässt: minimale Datenmenge unter Inkaufnahme etwas höherer Verzerrungen, in dem der AD1 nicht immer im optimalen Bereich arbeitet, dafür die Dynamik aber weniger häufig geändert wird oder optimale Klangeigenschaften mit dem Nachteil der etwas höheren Datenmenge (häufigere Aktualisierungen der Daten aus dem AD2.Supplementary remains It should also be noted that the algorithm of the coding method offers various design options allows: minimal amount of data at the expense of slightly higher distortions, in which the AD1 does not always work in the optimum range, but the dynamics but is changed less frequently or optimal sound characteristics with the disadvantage of a slightly higher amount of data (more frequent Updates the data from the AD2.

Verarbeitung der digitalisierten DatenProcessing the digitized dates

Aus den digitalisierten Daten ist es möglich, mit Kenntnis des realen Kodierungsverfahrens die analoge Information wieder zu rekonstruieren, entweder zum Zwecke der digitalen Weiterverarbeitung oder mit Hilfe einer Dekodierungseinrichtung zur analogen Signalrückgewinnung.Out The digitized data is possible with knowledge of the real Coding method to reconstruct the analog information, either for the purpose of digital processing or with help a decoding device for analog signal recovery.

Auf die digitalen Weiterverarbeitungsmöglichkeiten soll an dieser Stelle nicht weiter eingegangen werden.On The digital processing options should be at this Do not go further.

Dekodiereinrichtungendecoders

Die Dekodiereinrichtung ermöglicht es, aus den Daten, die entweder auf einem Datenträger, also z.B. einem Band, einer Festplatte, einer CD oder einer DVD gespeichert sind oder über ein anderes Medium verbreitet werden (Funk, Satellit, Internet), wieder das ursprüngliche analoge Signal zu rekonstruieren.The Decoder allows it, from the data stored either on a data medium, e.g. a tape, a hard disk, a CD or a DVD are or over another medium (radio, satellite, internet), again the original one to reconstruct analog signal.

Je nach individueller Ausgestaltung des Protokolls wird die Arbeitsweise im Detail unterschiedlich sein, die prinzipielle Funktionsweise ist jedoch immer ähnlich.ever after individual design of the protocol, the way of working be different in detail, the principle of operation however, it is always similar.

Dekodierer1,2 (Bild 6)Decoder1,2 (picture 6)

Die digitalen Daten durchlaufen zunächst eine Verarbeitungseinheit (Splitter), welche die zwei Komponenten (Amplitudenwerte des ursprünglichen AD1) und Dynamikwerte (AD2) trennt. Die Amplitudenwerte werden vom ersten D/A-Umsetzer DA1 in ein analoges Signal gewandelt und mittels eines nachfolgenden steuerbaren Abschwächers wieder auf die richtigen Spannungswerte reduziert, angesteuert durch die Dynamikinformation des ursprünglichen AD2.The digital data go through first a processing unit (splitter) which separates the two components (amplitude values of the original AD1) and dynamic values (AD2). The amplitude values are converted into an analog signal by the first D / A converter DA1 and reduced to the correct voltage values by means of a subsequent controllable attenuator, driven by the dynamic information of the original AD2.

Der Abschwächer arbeitet analog zum regelbaren Verstärker der Kodierer 1 und 2 wie folgt: V = (DYN + 1)/(n2 + 1); 0 ... DYN ... n2 – 1

N2: = Anzahl der bei der Aufnahme verwendeten Quantisierungsstufen (AD2).

The attenuator operates analogously to the controllable amplifier of encoders 1 and 2 as follows: V = (DYN + 1) / (n2 + 1); 0 ... DYN ... n2 - 1

N2: = Number of quantization levels used during recording (AD2).

Wahlweise kann der Abschwächer digital oder analog ansteuerbar sein; im letzteren Falle wird der zusätzliche DA2 benötigt.Optional can the reducer be controlled digitally or analogue; in the latter case, the additional DA2 needed.

Dekodierer3 (Bild 7)Decoder3 (picture 7)

Analog zur Anordnung Kodierer3 lässt sich ein Dekodierer3 entwerfen. Wie auch in der Anordnung Kodierer3 entfällt auch hier der einstellbare Abschwächer, stattdessen generieren zwei zusätzliche D/A-Umsetzer DA2 und DA3 die Referenzspannungen des eigentlichen Hauptumsetzers DA1. Hierdurch findet die Signalverarbeitung auf dem überwiegenden Teil in digitaler Form statt.Analogous to the arrangement encoder 3 leaves Design a decoder3. As well as in the arrangement encoder3 deleted Again, the adjustable attenuator, generate instead two additional D / A converters DA2 and DA3 are the reference voltages of the actual main converter DA1. As a result, the signal processing takes place on the predominant Part held in digital form.

Weitere Möglichkeiten und ZusammenfassungFurther possibilities and summary

Verallgemeinernd ist das modPCM-Verfahren für jede Anwendung verwendbar, bei der analoge Signale, egal welcher Art, nur beispielsweise allgemeinste Messdaten, Musik, Sprache, usw. über eine digitale Einrichtung übertragen werden müssen, um anschließend entweder

• digital weiterverarbeitet werden zu können
• ohne Zwischenspeicherung in ein analoges Signal zurückgewandelt werden zu können
• auf den Umweg über einen Datenspeicher (Festplatte, optischer Speicher wie CD/DVD, digitaler Magnetbandspeicher, Halbleiterspeicher (PROM, EPROM, Flash, RAM) wieder in ein analoges Signal zurücktransformiert werden zu können.

In general, the modPCM method can be used for any application in which analog signals, of whatever kind, only for example most general measurement data, music, speech, etc., need to be transmitted via a digital device to then either

• to be processed digitally
• to be converted back into an analogue signal without intermediate storage
• can be transformed back into an analog signal via a data memory (hard disk, optical memory such as CD / DVD, digital magnetic tape memory, semiconductor memory (PROM, EPROM, Flash, RAM)).

Dies alles erfolgt im Gegensatz zum herkömmlichen PCM mit einer wesentlich besseren Signalqualität des rückgewonnenen Signals.This Everything is done in contrast to the conventional PCM with a substantial better signal quality of the recovered Signal.

Zum Schluß sei nach auf eine der möglichen Anwendungen speziell eingegangen:To the It was over after to one of the possible applications specifically received:

Einsatz des modPCM als Ersatz des bestehenden PCM-Standard der Audio-Compact-DiscUse of the modPCM as a replacement the existing PCM standard of the audio compact disc

Das modPCM-Verfahren eignet sich hervorragend, um das derzeit bestehende PCM-Verfahren (16bit, 44kHz), dass im Bereich der Musik-CD eingesetzt wird, abzulösen. Beispielsweise durch folgendes modPCM-Verfahren (16bit + 8bit Dynamik, 44kHz). Dr Vorteil wäre eine starke Verbesserung der Klangqualität bei der Wiedergabe mittellauter bis leiser Passagen (siehe Systemvorteil). Es würden weiterhin alle Maßnahmen entfallen, die zur Verringerung des Quantisierungsrauschens notwendig wären.The modPCM method is excellently suited to the currently existing PCM method (16bit, 44kHz) that used in the field of music CD is going to replace. For example, by the following modPCM method (16bit + 8bit dynamics, 44kHz). Dr advantage would be a great improvement in sound quality when playing mid-adult to quieter passages (see system advantage). It would continue all measures necessary to reduce the quantization noise necessary would.

Ein weiterer gravierender Pluspunkt ist der folgende: Im Tonstudio wird im Normalfall die ursprüngliche Dynamik durch sog. Dynamikkompressoren künstlich verringert. Die Dynamik eines Orchesters ist normalerweise viel zu hoch für den Dynamikbereich der normalen CD; die leisen Stellen waren nicht mehr hörbar oder die lauten Stellen zu laut. Folglich wird die Dynamik derart komprimiert, wie man es seitens der Produktion für sinnvoll hält; die Kompression wird Bestandteil der Aufnahme bzw. ist implizit in den Daten auf dem Tonträger enthalten.One Another serious plus is the following: In the recording studio is normally the original one Dynamically reduced by so-called dynamic compressors. The dynamics of an orchestra is usually far too high for the dynamic range the normal CD; the soft spots were no longer audible or the loud places too loud. Consequently, the dynamics are compressed in such a way how it makes sense on the part of production; the compression becomes part of the recording or is implicit in the data the sound carrier contain.

Generell anders wäre dies bei Verwendung des neuen modPCM-Verfahrens. Die komplette Dynamik bliebe auf dem Tonträger erhalten. Durch eine einfache Änderung der Funktionsweise des Splitters kann die wiederzugebene Dynamik einstellbar gemacht werden. Hierzu braucht nur die Kennlinie (Zuordnung Eingangs-DYN zu Ausgangs-DYN) geändert werden; z.B. könnten dadurch leise Passagen lautstärkemäßig gegenüber der Original-Dynamik angehoben werden; oder die dynamischen Spitze werden insgesamt reduziert.As a general rule would be different this when using the new modPCM method. The complete dynamics would remain on the sound carrier receive. By a simple change the operation of the splitter can be the dynamics to be reproduced be made adjustable. Only the characteristic (assignment Input DYN too Output DYN) changed become; e.g. could thereby quiet passages volume wise compared to the Original dynamics are raised; or the dynamic tip reduced overall.

Somit könnte ein und dieselbe CD, z.B. eine Orchesteraufnahme, unter verschiedenen Abhörumgebungen ein optimales Hörergebnis liefern:

• ungestörtes Hören zu Hause, volle Dynamik (HighEnd)
• Musik als Unterhaltungsmusik (mittlere Dynamik)
• Musik im Auto, hoher Nebengeräuschpegel (niedrige Dynamik)

Thus, one and the same CD, eg an orchestra recording, could provide an optimal listening result under different listening environments:

• undisturbed listening at home, full dynamics (HighEnd)
• Music as light music (medium dynamics)
• Music in the car, high background noise level (low dynamics)

Zur Einstellung der Dynamik könnte ein weiteres Bedienelement (Regler) dienen oder bestimmte Charakteristiken im Dekodierer des Endgerätes fest vorgegeben sein (z.B. Abspielgerät für Autos).to Attitude of the momentum could another control (knob) serve or certain characteristics in the decoder of the terminal fixed (e.g., player for cars).

Dies alles ist verbunden mit einer besseren Klangqualität unter Beibehaltung des momentanen Datenträgers (700 MB).This Everything is connected with a better sound quality under Maintaining the current volume (700 MB).

Das aktuelle Datenformat der CD bietet noch unbenutzten Freiraum (unbenuzte Subchannel R bis W, 98 bit je Subchannel), der für die Aufnahme der zusätzlichen Dynamikinformation ausreichen wird. Hier stehen für jeweils 1/75stel Sekunde Spieldauer je ca.73 Byte zur Verfügung; genügend Platz für die allergrößten Dynamikänderungen.The current data format of the CD still offers unused free space (unused Subchannel R bis W, 98 bits per subchannel), which will be sufficient for recording the additional dynamic information. Here are available for each 1 / 75th of a second playing time each about 73 bytes available; enough space for the greatest dynamic changes.

Da die physikalische Formatierung der CD erhalten bliebe, sind die Änderungen an den CD-Laufwerken nun geringfügiger Natur; insbesondere wäre das neue System abwärtskompatibel.There the physical formatting of the CD would remain are the changes on the CD drives now minor Nature; in particular would be the new system is backward compatible.

Damit kann man trotz Verwendung des bestehenden Audio-CD-Formats durch den Einsatz des modPCD-Verfahrens aufgrund der gleichbleibenden effektiven Auflösung, die im Normalfall immer besser ist als die bestehende 16-bit Auflösung, mit den zusätzlichen Vorteil einer „einstellbaren" Wiedergabedynamik erzielen.In order to you can despite the use of the existing audio CD format by the Use of the modPCD method due to the constant effective Resolution, which is always better than the existing 16-bit resolution, with the additional Advantage of "adjustable" playback dynamics achieve.

Claims

Digital coding method for transforming the most general analog data (signals) into digital data, characterized in that the digital data were not only formed from the actual quantization values DAT, but are supplemented by additional dynamic information DYN.

Method according to claim 1, characterized in that that an adaptive adaptation of the measuring range to the currently prevailing dynamic conditions carried out becomes.

Method according to claim 1 or 2, characterized that any analog signal, independent from the signal level with which approx maximum system resolution, e.g. 16 bit, digitized.

Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that it is used to transform analog signals into a digital signal with subsequent digital processing (evaluation) is used.

Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that it is for transmission analog signals by digital means and subsequent reconstruction in a analog signal is used.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the signals resulting from the transformation of analog signals in a digital signal resulting digital data before further use be stored on a digital data storage of the most general form.

Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that it is for digital transmission, storage and / or Proliferation of music is used.

Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that it is for digital transmission, storage and / or Retransmission of video signals consisting of image and sound, is used.

Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that it is for digital transmission, storage, evaluation and / or Retransmission of measured values of the most general kind is used.

Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the reconstruction of the original analog signal includes a desired, deviant dynamic behavior (e.g., dynamic compression).

Device for carrying out the method according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises an A / D converter and a unit comprises the dynamic information from the original analog signal DYN generated.

Device for carrying out the method according to claim 11, characterized in that the unit consisting of the analog Original signal forms the dynamic information DYN, from an analog, averaging arrangement (e.g., low pass).

Device for carrying out the method according to claim 11 or 12, characterized in that the analog DYN signal, formed by a unit according to claim 11 or 12, as a control signal for one in the reinforcement controllable amplifier serves, in reverse proportional manner, so that a low Dynamics to a high gain leads and vice versa.

Device for carrying out the method according to one the claims 11 to 13, characterized in that the analog DYN signal formed by a unit according to claim 11 or 12, is digitized by means of another A / D converter.

Device for carrying out the method according to claim 14, characterized in that the digital DYN signal, formed by a unit according to claim 14, as a control signal for one in the reinforcement adjustable amplifier serves, in reverse proportional manner, so that a low Dynamics to a high gain leads and vice versa.

Device for carrying out the method according to one of claims 11 to 15, characterized ge indicates that it has two additional D / A converters that drive the reference voltage inputs of the A / D converter, thus automatically adjusting the operating range of the A / D converter to the prevailing dynamics without the need for a controllable amplifier.

Device for carrying out the method according to one the claims 11 to 16, characterized in that they are used to produce a unified digital information (representation) consisting of the digital components DAT and DYN.

Device for carrying out the method according to claim 17, characterized in that, for the purpose of further processing, those according to claim 17 generated uniform digital information back into the disassembled digital components DAT and DYN.

Device for carrying out the method according to one the claims 11 to 18, characterized in that they convert one of the DAT values D / A converter and a digitally controllable amplifier / attenuator controlled by the digital DYN information is, so that the analog output signal again the same dynamics has like the original signal.

Device for carrying out the method according to claim 19, characterized in that it additionally contains a further D / A converter, the by means of the DYN information controls the now analog controllable amplifier / attenuator.

Device for carrying out the method according to one the claims 11 to 20, characterized in that they next to one of the DAT values implementing D / A converter contains two more D / A converters which, driven by the digital DYN signal or its inversion, the reference voltage inputs of the the DAT values convert the D / A converter so that the analog output signal has the same dynamics as the original signal.

Device for carrying out the method according to one the claims 11 to 21, characterized in that the unit consisting of the analog origin signal generates the dynamic information DYN, from an A / D converter with one of these digital values processing Microprocessor consists of the mean and thus the dynamic information DYN according to a suitable mean value-forming method (algorithm) generated by suitable software (firmware).

Device for carrying out the method according to one the claims 11 to 22, characterized in that these from an A / D converter, the For this Case usefully a higher one (e.g., 24bit) resolution as the required system resolution (e.g. 16bit) and one that processes these digital values Microprocessor or a PC, by means of suitable software (Firmware) using appropriate algorithms the best possible expression of digital information DAT and DYN calculated and then if necessary. it produces a uniform digital information.

Device for carrying out the method according to one the claims 11 to 23, characterized in that the DYN information for the purpose of reconstruction of the original signal not by the function DYN-Out = DYN-In, but by Any other function will be replaced, reducing the original dynamics depending on the field of application replaced by a more suitable dynamics can be.