DE1219972B

DE1219972B - Method for low-noise transmission of a signal

Info

Publication number: DE1219972B
Application number: DES80119A
Authority: DE
Inventors: Phil Nat H F Mayer Dr
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1962-06-28
Filing date: 1962-06-28
Publication date: 1966-06-30
Also published as: IT699938A

Description

Verfahren zur geräuscharmen Übertragung eines Signals Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verminderung des Kanalgeräusches bei der Übertragung eines Signals in Form von charakteristischen Zeichen, insbesondere puls-Code-Signalen, für in äquidistanten Zeitabständen dem Signal sendeseitig entnommene, gequantelte Amplitudenproben (Abtastwerte).Method for quiet transmission of a signal The invention refers to a method of reducing channel noise during transmission a signal in the form of characteristic characters, in particular pulse code signals, for quantized signals taken from the signal at equidistant time intervals on the transmission side Amplitude samples (samples).

Ein derartiges Übertragungsverfahren ist beispielsweise die Puls-Code-Modulation, bei der das Signal bzw. die Nachricht zeitlich äquidistant abgetastet und die beim Abtasten der Nachricht vorgefundenen Amphtudenwerte weder direkt noch durch eine andere ihnen proportionale Größe, sondern durch für bestimmte Amplitudenwerfie charakteristische Zeichen übertragen werden. Das erfordert eine sogenannte Quantisierung bei der Umwandlung der Abtastwerte in Codesignale. Dieser Vorgang läßt sich auch so beschreiben, daß man beispielsweise an Stelle einer Sinuskurve eine mehr oder weniger fein unterteilte Stufenkurve überträgt, die eine Annäherung an die ursprüngliche Nachricht darstellt und deren Differenz mit der ursprünglichen Nachricht das Quantisierungsgeräusch darstellt. Als Beispiel zeigt die Figur einen Ausschnitt aus einem Signal F (t) mit den zugehörigen Abtastordinaten. Die Abtast_ werte werden im Abstand entnommen, wobei B die Bandbreite - bei diesem Beispiel, genau genommen, die obere Bandgrenze; denn die untere soll bei Null liegen - des zu übertragenden Signals ist. Als wesentlicher Vorteil wird für die Puls-Code-Modulation erhalten, daß man fest vorgeschriebene Amplitudenwerte auf der Empfangsseite aus den übertragenen Codesignalen erhält. Es läßt sich somit empfangsseitig die gesendete Stufenkurve exakt rekonstruieren. Auch für beliebig hintereinandergeschaltete Übertragungsstrecken ist deshalb :oberhalb eines bestimmten Schwellwertes der Empfangsspannung das Quantisierungsgeräusch die einzige Störung. Dieses Quantisierungsgeräusch ist demzufolge um -so kleiner, je kleiner man die Stufenhöhe in der Quantisierung wählt. Läßt man die Codierungsvorrichtung doppelt so schnell arbeiten, so wird die Funktion F (t) zu Zeitpunkten abgetastet, die im Abstand aufeinanderfolgen. Um anzudeuten, daß man damit zwei Zahlenfolgen gewonnen hat, die jede für sich allein die Funktion F(t) vollständig bestimmen, ist jede zweite Abtastordinate in der F i g. 1 gestrichelt eingetragen. Es würde also genügen, die Zustandszahlen entweder der durchgezogenen oder -der gestrichelten Abtastordinaten allein zu übertragen, um das Signal - bis auf das Kanalgeräusch - am Empfangsort wiederherstellen zu können. Unter der Zustandszahl wird die »Nummer« des diskreten, d. h. quantisierten Amplitudenwertes verstanden. Durch diese Verdopplung der Abtastwerte würde bei vollständiger Übertragung beider Zahlenfolgen (gestrichelte Werte und ausgezogene Werte) zwar eine Verringerung des Kanalgeräusches eintreten, doch würde die für die Übertragung benötigte Bandbreite auf das Doppelte ansteigen. Gewöhnlich geht man deshalb so vor, daß an Stelle der beiden Zahlenfolgen nur eine genommen, für diese jedoch die Quantisierungsstufenzahl verdoppelt wird. Sowohl bei Codierungsröhren als auch bei Codierungseinrichtungen mit Festkörperschaltungen gibt es jedoch eine durch den jeweiligen Stand der Technikgegebene obere Grenze für die Stufenzahl.Such a transmission method is, for example, pulse code modulation, in which the signal or the message is sampled equidistantly in time and the amphetude values found when the message is sampled are transmitted neither directly nor by another variable proportional to them, but by characters characteristic of certain amplitudes . This requires what is known as quantization when converting the sample values into code signals. This process can also be described in such a way that, for example, instead of a sinusoidal curve, a more or less finely subdivided step curve is transmitted which represents an approximation of the original message and the difference between it and the original message represents the quantization noise. As an example, the figure shows a section from a signal F (t) with the associated scanning ordinates. The sampled values are taken at a distance, where B is the bandwidth - at in this example, strictly speaking, the upper band limit; because the lower one should be at zero - the signal to be transmitted is. An essential advantage of the pulse-code modulation is that fixed, prescribed amplitude values are obtained on the receiving side from the transmitted code signals. The transmitted step curve can thus be reconstructed exactly at the receiving end. Therefore, even for any number of cascading transmission paths: the quantization noise is the only disturbance above a certain threshold value for the received voltage. This quantization noise is therefore smaller, the smaller the step height in the quantization is chosen. If the coding device is allowed to work twice as fast, the function F (t) is scanned at points in time which are at a distance successive. In order to indicate that two sequences of numbers have been obtained, each of which completely determines the function F (t) for itself, every second scanning ordinate is shown in FIG. 1 entered with dashed lines. It would therefore suffice to transmit the status numbers of either the solid or dashed scanning ordinates alone in order to be able to restore the signal - except for the channel noise - at the receiving location. The state number is understood to be the "number" of the discrete, ie quantized, amplitude value. This doubling of the sample values would result in a reduction in the channel noise if both sequences of numbers (dashed values and solid values) were transmitted in full, but the bandwidth required for the transmission would double. The usual procedure is that instead of the two series of numbers only one is used, but for this the number of quantization levels is doubled. Both coding tubes and coding devices with solid-state circuits, however, have an upper limit for the number of stages given by the respective prior art.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem System der einleitend beschriebenen Art, insbesondere einem System mit Impuls-Code-Modulation, eine Qeräuschverminderung zu erreichen, unter Vermeidung einer wesentlichen Bandbreiteerhöhung und .Umgehung des bei höherer Quantisienxngsstufenzahl in der sendeseitigen Abtastung des zu übertragenden Signals auftretenden Schwierigkeiten.The invention is based on the object in a system of the introductory part described type, in particular a system with pulse-code modulation, a noise reduction to achieve, while avoiding a significant increase in bandwidth and bypassing with a higher number of quantization levels in the scanning of the transmission to be transmitted Signal difficulties.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe in der Weise gelöst, daß von den Amplitudenproben wenigstens je zwei aufeinanderfolgende addiert werden und @daß die .aus der Addition sich ergebenden Summenwerte zur Empfangsseite übertragen und dort demoduliert werden.According to the invention this object is achieved in such a way that of the Amplitude samples are added at least two consecutive times and @ that The sum values resulting from the addition are transmitted to the receiving end and be demodulated there.

Es ist bereits bekannt, zwei und mehr voneinander unabhängige impulsförmige Signale zu Übertragungszwecken derart zusammenzufassen bzw. zusamnaenzucodieren, daß sie auf der Empfangsseite möglichst einfach wieder getrennt werden können. Während dieses Verfahren mit anderen Worten die Übertragung von zwei und mehr verschiedenen Signalen über einen einzigen Übertragungskanal zum Gegenstand hat, bezieht sich der Erfindungsgegenstand auf die Übertragung eines einzigen Signals in codierter Forn% bei dem eine Verbesserung des Amphtuden-Auflösungsvermögens der dabei erforderlichen Quantisierungseinrichtungen auf dem Umwege über eine Erhöhung des Zeit-Auflösungsveririögensder Abtasteinrichtung angestrebt wird: Dies geschieht wiederum unterschiedlich zum bekannten ;Verfahren nicht in einer Zusammenfassung bzw. Zusammencodierung verschiedener Signale, sondern'durch eine Addition von zwei und mehr aufeinanderfolgenden Amplitudenproben ein und desselben Signals.It is already known to have two and more independent pulse-shaped Combine or encode signals for transmission purposes in such a way that that they can be separated again as easily as possible on the receiving side. While this method in other words the transfer of two and more different ones Signals through a deals with a single transmission channel, the subject matter of the invention relates to the transmission of a single signal in coded form% in which an improvement in the amphtudic resolution of the necessary quantization devices by way of an increase the time resolution capability of the scanner is sought: This happens again different to the known; procedure not in a summary or coding different signals together, but rather by adding two and more successive amplitude samples of one and the same signal.

Vorteilhaft ist es hierbei, wenn die einzelnen Abtastwerte zunächst in eine Zustandszahl im Binärcode umgesetzt werden und dann die Addition der Abtastwerte im Binärcode vorgenommen wird. Iüerdurch gestalten sich nämlich die Additionsvorrichtungen besonders einfach.It is advantageous here if the individual sampled values are initially are converted into a state number in binary code and then the addition of the samples is made in binary code. This is because the addition devices are designed through this particularly easy.

Bei jeweils zwei zusammengefaßten Abtastwerten empfiehlt es sich weiterhin, das Signal phasenmäßig und/oder dämpfungsmäßig vor- und/oder nachzuentzerren. . - "- ` Werden je drei Abtastwerte zusammengefaßt, so ist es in vorteilhaft-einfacher Weise zulässig, nur dämpfungsmäßig vor- 'und/oder nachzuentzerren.In the case of two combined samples, it is also advisable to Pre-equalize and / or post-equalize the signal in terms of phase and / or attenuation. . - "-" If three sampled values are combined, it is advantageously simpler Way permissible to pre-equalize and / or post-equalize only in terms of attenuation.

Bei der Erfindung wird von der Überlegung ausgegangen, daß sich z. B. bei Puls-Code-Modulation die Quantisierungsstüfenzahl und die Abtastgeschwindigkeit, die beide durch die Codierungsvorrichtung und die zugehörige Schaltung nach oben hin begrenzt sind, gegenseitig innerhalb gewisser Grenzen austauschen lassen. Wird- somit bei Puls-Code-Modulation die Abtastfrequenz auf das doppelte der notwendigen Mindestfrequenz erhöht, so läßt sich die damit zusätzlich gewonnene Information zur Reduktion des Kanalgeräusches ausnutzen, und die Wirkung ist qualitativ die gleiche wie bei einer Erhöhung der Quantisierungsstufenzahl. Wenn also die Übertragung in der Weise -erfolgt, das jeweils die Summe der Zustandszahl beispielsweise zweier aufeinanderfolgender Abtastwerte in Form einer Pulsgruppe gesendet wird, so vermindert sich die - Bandbreite wieder auf den Mindestwert, und man erhält sozusagen trotz der bei der Abtastung geringen Stufenzahl für die Übertragung eine Quantisierung mit praktisch der doppelten Stufenzahl. -An Hand von zwei besonders vorteilhaften Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.The invention is based on the consideration that z. B. in the case of pulse code modulation, the number of quantization levels and the scanning speed, both of which go up through the coding device and associated circuitry are limited, can be exchanged within certain limits. Will- thus with pulse code modulation the sampling frequency to twice the necessary If the minimum frequency is increased, the additional information thus obtained can be used to reduce the channel noise, and the effect is qualitative same as with an increase in the number of quantization levels. So if the transfer in such a way that each is the sum of the state number, for example two successive sampled values is sent in the form of a pulse group, so reduced the - bandwidth again to the minimum value, and you get in spite of it, so to speak the small number of stages for the transmission during sampling with practically twice the number of stages. -Two particularly advantageous ones Embodiments of the method according to the invention the invention is hereinafter explained in more detail.

Bei dem ersten der beiden Verfahren wird das Signal der Bandbreite B gemäß der F i g. 1 im Abstand abgetastet, quantisiert und binär codiert.In the first of the two methods, the signal of bandwidth B according to FIG. 1 in distance sampled, quantized and binary coded.

Die -Zustandszahl jeder gestrichelt dargestellten Ordinate wird jeweils über-dieZeit gespeichert und dann in einem Binäraddierer zur Zustandszahl der folgenden Ordinate addiert und das Ergebnis als Pulsgruppe gesendet. Diese Pulsgruppen folgen im Abstand z, und haben je um ein-bit mehr, als sie es bei normaler Abtastung mit dem Abstand -c. ,hätten. Das nun zugrunde liegende Signal ist mit der annähernd doppelten Stufenzahl quantisiert. - Hat die Codierungsröhre z. B. acht Stufen (Züständszahlen 0 ... 7), so ist das Summensignal mit-vierzehn Stufen (2 - 7), d. h. fast doppelt so fein quantisiert. Hierbei handelt es sich um eine in--gewisser `Beziehung »echte« Verdopplung, da bei genügend feinstufiger Quantisierung die Wahrscheinlichkeit für -das Auftreten von geradzähligen und ungeradzahligen Summenzustandszahlen gleich ist. Würde man die Zustäiridsfählen einfach verdoppeln, so ergäbe sich nur eine scheinbare Verdopplung der Stufenzahl, doch keine feinere Stufung, da das resultierende -Signal- nur- geradzahlige Zustandszahlen -annehmen könnte.The status number of each ordinate represented by dashed lines is stored over time and then in a binary adder to form the status number of the following ordinate is added and the result is sent as a pulse group. These pulse groups follow at a distance z, and each have one-bit more than they would with normal scanning with the distance -c. , had. The signal on which it is now based is quantized with approximately twice the number of stages. - Has the coding tube z. B. eight levels (Züstands- numbers 0 ... 7), the sum signal is quantized with fourteen levels (2 - 7), ie almost twice as finely. This is a - to a certain extent, "real" doubling, since with sufficiently fine-level quantization the probability of the occurrence of even-numbered and odd-numbered sum state numbers is the same. If one were to simply double the number of states, the result would only be an apparent doubling of the number of stages, but not a finer gradation, since the resulting signal could only accept even-numbered state numbers.

Die Verbesserung des Geräuschabstandes ließe sich grob wie folgt abschätzen: Durch die Verdopplung des Wertebereiches der Zustandszahlen ergibt sich nach Demodulation mit gleicher Stufenbreite eine Verdopplung der Signalspannung, d. h. eine Vervierfachung der Leistung. Die Quantisierungsfehler sind bei genügend feiner- Stufung bei den im Abstand z, aufeinanderfolgenden Abtastordinaten nicht korreliert. Daraus resultiert eine Verdopplung der Geräuschleistung. Der Gewinn an Geräuschabstand wäre somit 3 db. Wie eine genauere -Betrachtung zeigt, ist die zweite Annahme gerechtfertigt, die erste bedarf jedoch einer Korrektur. Im Abstand von aufeinanderfolgende Signalwerte sind nur mehr teilweise korreliert, so daß eine Vervierfachung der Signalleistung nicht erreicht wird. Nimmt man als Signal weißes Rauschen der Bandbreite an, so ergibt eine genauere Rechnung nur eine Erhöhung-der Signalleistung auf das 3,27fache. Der Gewinn an Signal-Geräusch-Abstand beträgt demnach - 2,1:4 db für den Grenzfall unendlich feiner Stufung.The improvement in the signal-to-noise ratio can be roughly estimated as follows: By doubling the value range of the state numbers, after demodulation with the same step width, the signal voltage is doubled, ie the power is quadrupled. If the graduation is sufficiently fine, the quantization errors are not correlated with the consecutive scanning ordinates at a distance z. This results in a doubling of the noise output. The gain in signal-to-noise ratio would thus be 3 db. As a closer examination shows, the second assumption is justified, but the first one needs to be corrected. In the distance of successive signal values are only partially correlated, so that a quadrupling of the signal power is not achieved. If one assumes white noise of the bandwidth as the signal, a more precise calculation only results in one Increase in signal power to 3.27 times. The gain in signal-to-noise ratio is therefore - 2.1: 4 db for the borderline case of infinitely fine gradations.

Bei dieser Betrachtung ist außer acht gelassen, daß durch die Addition des verzögerten Signals zum unverzögerten eine lineare Verzerrung bewirkt wird. Der Verzögerung um entspricht bei der Frequenz f eine Phasenänderung um den Winkel . ,Somit ist die Bildung von dem Durchgang durch ein lineares Netzwerk mit dem Übertragungsfaktor äquivalent. r-Sieht man von der Phasenverzerrung ab, die auch für verschiedene Zwecke belanglos wäre - sie kann durch Vorentzerrung und/oder Nachentzerrung behoben werden -, so bleibt eine Dämpfungsverzerrung mit dem Faktor zu berücksichtigen. Dieser bedeutet eine relative Dämpfung der höchsten Frequenz f = B von -3 db gegenüber der Frequenz 0. Da sich das Kanalgeräusch über das Frequenzband B gleichmäßig verteilt, wären also im Falle der Trägerfrequenztelephonie die oberen Kanäle stärker gestört als die unteren. Um- das zu vermeiden, -wird eine Präeinphasis (Vorentzerrung der Dämpfung) vor der Quantisierung mit dem Faktor vorgeschlagen. Allerdings verringert man durch die Anhebung der hohen Frequenzen die Korrelation zwischen den im Abstand aufeinanderfolgenden Signalwerten. Die durch die Addition jeweils zweier aufeinanderfolgender Abtastordinaten bewirkte Leistungserhöhung macht im Falle des linear vorverzerrten weißen Rauschens nur mehr einen Faktor aus. Daraus ergibt sich der Gewinn an Störabstand zu 1,96 db.This consideration ignores the fact that the addition of the delayed signal to the undelayed signal causes linear distortion. The delay at corresponds to a phase change by the angle at the frequency f. , Thus the formation of the passage through a linear network with the transfer factor equivalent to. r-If one disregards the phase distortion, which would also be irrelevant for various purposes - it can be eliminated by pre-equalization and / or post-equalization - then there remains an attenuation distortion with the factor to consider. This means a relative attenuation of the highest frequency f = B of -3 db compared to frequency 0. Since the channel noise is evenly distributed over frequency band B, the upper channels would be more disturbed than the lower ones in the case of carrier frequency telephony. In order to avoid this, a pre-phase (pre-equalization of the attenuation) is carried out before the quantization with the factor suggested. However, increasing the high frequencies reduces the correlation between the distances successive signal values. The increase in power brought about by adding two consecutive scanning ordinates is only one factor in the case of linearly pre-distorted white noise. This results in a gain in signal-to-noise ratio of 1.96 db.

Bei dem zweiten der beiden Verfahren werden die Zustandszahlen jeweils dreier aufeinanderfolgender Ordinaten mit den Gewichten 1, 2, 1 summiert. Sieht man von der Quantisierung ab, so bedeutet dies für das Signal die Bildung von Die Pulsgruppen für das codierte Summensignal werden im Abstand -c, gesendet. (Wie beim Verfahren 1 ist dazu eine binäre Speicher- und Addiereinrichtung erforderlich.) Das resultierende Quantisierungsgeräusch setzt sich wie folgt zusammen: Die erste und dritte Ordinate geben leistungsmäßig je den Beitrag eins (die Quantisierungsfehler sind nicht korreliert), die mittlere Ordinate bringt wegen der Spannungsverkopplung den Beitrag vier (der Quantisierungsfehler ist mit sich selbst natürlich voll korreliert). Durch die Addition der drei Zustandszahlen steigt also die Leistung des Kanalgeräusches auf das Sechsfache.In the second of the two methods, the status numbers of three consecutive ordinates are summed up with the weights 1, 2, 1. If one disregards the quantization, this means the formation of for the signal The pulse groups for the coded sum signal are sent at a distance of -c. (As with method 1, a binary storage and adding device is required for this.) The resulting quantization noise is composed as follows: The first and third ordinates each give the contribution one in terms of performance (the quantization errors are not correlated) Voltage coupling contributes four (the quantization error is of course fully correlated with itself). By adding the three state numbers, the power of the channel noise increases sixfold.

Die Stufenzahl des Summensignals steigt (bei den üblichen größeren Stufenzahlen) annähernd auf das Vierfache, je Summenordinate sind somit zwei zusätzliche bit erforderlich. Wie beim erstgenannten Verfahren sind weder gerade noch ungerade Zustandszahlen ausgezeichnet. Die Leistung des Summensignals erhöht sich bei gleicher Stufenbreite des Demodulators wegen der Teilkorrelation aufeinanderfolgender Ordinaten nicht auf das 16fache, sondern nur auf das 11,1fache. Die Verbesserung des Signal-Geräusch-Abstandes ergibt sich damit zu Es bleibt noch die durch die Summierung bewirkte lineare Verzerrung zu berücksichtigen. Bezieht man auf die mittlere Ordinate, so wird ein um vorlaufendes und ein um nachlaufendes Echo addiert. Unter Beachtung der Gewichte ergibt das im Spektralbereich den Übertragungsfaktor Es ist der Vorzug dieses Verfahrens, daß der Übertragungsfaktor reell, d. h. ein Phasenausgleich in keinem Fall erforderlich ist. Sieht man eine Vorverzerrung mit vor, so werden dadurch die höheren Frequenzen stark angehoben (die Frequenz f = B um 6 db gegenüber der Frequenz Null) und damit die Autokorrelationsverhältnisse geändert. Für weißes Rauschen als ursprüngliches Signal wird die Signalleistung durch die Addition der Echos nur auf das 3z-fache erhöht. Der Signal-Geräusch-Abstand wird somit um log verbessert, genau wie beim erstgenannten Verfahren mit Präemphasis. Das letztgenannte Verfahren hat gegenüber dem erstgenannten Verfahren den Vorteil, daß mit der Präemphasis keine Phasenverzerrung verbunden ist. Allerdings ist im Vergleich zum erstgenannten Verfahren das für die Übertragung zusätzlich gegenüber dem normalen Verfahren (Abtastung im Abstand ao, gleiche Stufenzahl) erforderliche Frequenzband doppelt so breit.The number of levels of the sum signal increases (with the usual larger number of levels) approximately fourfold, so two additional bits are required for each sum ordinate. As in the first-mentioned procedure, neither even nor odd numbers of states are marked. With the same step width of the demodulator, the power of the sum signal does not increase to 16 times, but only to 11.1 times, because of the partial correlation of consecutive ordinates. The improvement in the signal-to-noise ratio results from this The linear distortion caused by the summation still remains to be taken into account. If one refers to the mean ordinate, a becomes um leading and an around trailing echo added. Taking the weights into account, this results in the transmission factor in the spectral range The advantage of this method is that the transfer factor is real, ie phase compensation is never required. If you see a pre-distortion before, the higher frequencies are thereby increased significantly (the frequency f = B by 6 db compared to the frequency zero) and thus the autocorrelation ratios are changed. For white noise as the original signal, the signal power is only increased 3 times by adding the echoes. The signal-to-noise ratio is thus log improved, just as with the first-mentioned procedure with pre-emphasis. The last-mentioned method has the advantage over the first-mentioned method that no phase distortion is associated with the pre-emphasis. However, in comparison to the first-mentioned method, the frequency band additionally required for the transmission compared to the normal method (scanning at a distance ao, same number of steps) is twice as wide.

Claims

Claims: 1. Method for reducing the channel noise when transmitting a signal in the form of characteristic characters, in particular Pulse code signals, for at equidistant time intervals taken from the signal on the transmitter side, quantized amplitude samples, d u r c h ek e n n n e i c h n e t that of at least two consecutive samples are added to the amphitheater samples and that the sum values resulting from the addition are transmitted to the receiving end and be demodulated there.

2. The method according to claim 1, characterized in that the individual amplitude samples are first converted into a state number in binary code and then the addition of the samples is carried out in binary code.

3. Procedure according to claim 1 and 2, characterized in that two combined Amphetude samples pre-equalized and / or post-equalized the signal in terms of phase and / or attenuation will.

4. The method according to claim 1 or 2, characterized in that at three summarized amplitude samples, the signal is pre-equalized and / or post-equalized in terms of attenuation will. Publications considered: Telecommunications Journal (NTZ), 1956, No. 9, pp. 403 to 407.