DE19718635A1 - Verfahren für eine mehrwertige Stufencodierung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren für eine mehrwertige Stufencodierung.

Es sind bereits schon mehrere solcher Codierungen bekannt, wie z. B. die PSK und die QAM. Der Aufwand ist bei diesen sehr erheblich. Bei größeren Stufenzahlen nimmt die Störanfälligkeit sehr zu.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren aufzuzeigen, das die oben angeführten Mängel nicht aufweist. Dies wird durch das im Patentanspruch 1 aufgeführte Verfahren erreicht.

Zum Vergleich werden zuerst Verfahren aufgezeigt, die Phasensprünge durch Impulse, die durch die Zahl von Halbperioden bzw. Perioden eines Wechselstromes (auch Rechteckhalb- bzw. Perioden) gleicher Frequenz und Phasenlage dargestellt werden, zu erzeugen. Eine Phasenänderung wird dabei durch Verkleinerung oder Vergrößerung des nachfolgenden Impulses erreicht. Jeder folgende Impuls bzw. eine Änderung der Impulsphase/Impulsdauer wird durch eine Amplitudenänderung markiert. In der Fig. 1 ist das Prinzip dargestellt, und zwar für eine Bezugsphase. Mit B sind die Impulsdauern der Bezugsphase bezeichnet. Die Bezugsphase beinhaltet 4 Perioden eines Wechselstromes. Die beiden Amplitudengrößen sind A und A1. Der Codierimpuls I hat die Impulsdauer von B. Der folgende Codierimpuls II soll nacheilend phasenverschoben werden. Deshalb wird dieser um eine Periode vergrößert, d. h. dieser Impuls hat eine Phasennacheilung um n. Der Codierimpuls III hat wieder die Größe von 4 Perioden, also von B ist aber nacheilend und wird deshalb mit Bn bezeichnet. Der Codierimpuls IV hat wieder die Phasenlage von Bezugsimpuls B, deshalb wird dieser auf 3 Perioden reduziert. Der folgende Codierimpuls V hat die Phasenlage von B und deshalb auch dieselbe Impulsdauer. Der Codierimpuls VI soll eine voreilende Phasenlage erhalten. Deshalb wird die Dauer um eine Periode verkürzt. Der folgende Codierimpuls VII hat die Impuldsdauer vom Bezugsimpuls B, ist aber um v voreilend. Beim Beispiel wird jeder Impuls durch eine Amplitudenänderung markiert. Damit außer den Phasen noch Amplitudenstufen vorgesehen werden können, wird die Markieramplitude als Redundanzamplitude ausgebildet.

In der Fig. 2 ist das Prinzip der Pulsdauercodierung auf Bezugspulsbasis dargestellt. Fig. a zeigt die Bezugsimpulse B. Ein solcher Bezugsimpuls muß nur zu Beginn einer Zeile, eines Abschnittes usw. gegeben werden. Im Beispiel werden einer Bezugsdauer 4 Perioden eines Wechselstromes gleicher Frequenz und Phasenlage zugeordnet. Jeder folgende Puls wird durch eine Amplitudenänderung gekennzeichnet. Puls 1 hat 4 Perioden, Puls 2 5 Perioden zugeteilt. Die Änderung ist also +1 Periode. Puls 3 hat wieder 4 Perioden, also gegenüber dem Bezugsimpuls eine Periode, die Änderung von einer Periode bleibt also bestehen. Der Puls 4 hat 3 Perioden, gegenüber dem Bezugsimpuls liegt also keine Änderung vor. Der Puls 5 hat 4 Perioden, gegenüber dem Bezugsimpuls liegt keine Änderung vor usw. In Fig. 2 C1 sind die Änderungswerte eingetragen. Als Pulsdauerstufen können auch die Absolutwerte vorgesehen werden. In Fig. 2 C2 sind die Stufenwerte hierfür aufgezeichnet. Diese werden durch die Zahl der Perioden markiert. In den Fig. 2 C3 sind die Werte für eine Pulsdauerdifferenzcodierung dargestellt. Die Differenz zwischen Puls 1 und Puls 2 ist im Beispiel +1 Periode, zwischen Puls 2 und Puls 3 -1 Periode.

Nachstehend wird noch ein Beispiel für die Anwendung beim Fernsehen beschrieben. Farbbilder können entweder durch die Farbauszüge z. B. mit den Farben grün, rot und blau oder wie es bei den Farbfernsehsystemen wegen der Kompatibilität mit Schwarz/Weiß-Empfängern ist, durch die Helligkeit, dem Farbton und der Sättigung dargestellt werden. Dabei erfolgt die Abtastung und die Übertragung immer zeilenweise. Neuerdings werden zur Minderung der Daten die Redundanz und die Irrelevanz mit einbezogen, d. h. überflüssige und vom Auge nicht wahrnehmbare Daten werden nicht übertragen. Das Bild wird umso besser, je größer die Auflösung ist, d. h. je höher die Abtastfolge ist. Die Übertragung aller Werte erfolgt auf der Analogbasis. Bei neueren Systemen ist die Sprache bzw. der Ton bereits digitalisiert.

Eine zeitmultiplexe Zusammenfassung mehrerer Kanäle ist nur bei einer analogen oder digitalen Codierung möglich. Beim Fernsehen wird z. Zt. die digitale Codierung erprobt. Digitale Codierungen wurden bereits beim Fernschreiben verwendet. Mit 5 Binärimpulsen hat man dabei 32 Zeichen verschlüsselt. Die 32 Kombinationen ergeben sich aus der Stufenzahl 2 und der Stellenzahl 5. Bei der digitalen Sprachübertragung wird die analoge Information mit 8 KHz abgegriffen und quantisiert. Zur Codierung dieser 256 Intervalle ist z. B. ein zweistufiger Code mit 8 Codeelementen erforderlich, 2 hoch 8 = 256. Beim Farbfernsehen werden 8 bit (entspricht 256 Kombinationen) für das Luminanzsignal und je 6 bit für die Farbsignale vorgesehen. Um die Fehler Cross Luminance, Cross Colour und die Nyquistflanke zu vermeiden, wird nur ein Träger und eine codemultiplexe Codierung verwendet. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird unmittelbar der Träger moduliert. Ein Beispiel für eine codemultiplexe Codierung wird an Hand der beigefügten Zeichnungen erläutert. 5 Luminanzabgriffen werden je ein Farbabgriff rot und blau zugeordnet. Jedem Luminanzabgriff I bis V werden weitere 3 bit 9, 10 und 11 hinzugefügt. Die an die Luminanzabgriffe I+II angehängten 3 bit werden z. B. für die 6 bit für den Rotabgriff und die an die Luminanzabgriffe III+IV angehängten 2×3 bit werden dem Blauabgriff zugeordnet. Die an den Luminanceabgriff V angehängten 3 bit sind für die digitale Sprache und für sonstige Signale vorgesehen. - Auch in der Austastlücke kann noch verschiedenes untergebracht werden. - Da die bits aus der binären Codierung entstanden sind, muß man mit anderen Codierungen einen Vergleich herstellen und zwar sind:
 8 bit = 256  Kombinationen,
 9 bit = 512  Kombinationen,
10 bit = 1024 Kombinationen,
11 bit = 2048 Kombinationen.

Die Zahl der Kombinationen errechnet sich aus der Stufenzahl und der Stellenzahl der Codewörter. Die Zahl der Stufen ist dabei die Basis und die Stellenzahl ist der Exponent bzw. Hochzahl. Die vorliegende Erfindung kann z. B. auf der Basis von Pulsdauerstufen mit Absolutwerten verwendet werden. Als Stufen werden 4, 5, 6, 7 und 8 Perioden vorgesehen. Jeder Puls wird dabei durch eine Amplitudenänderung gekennzeichnet. Außer dieser Markieramplitude kann man noch eine Stufenamplitude entsprechend meinem Patent DE 43 26 997 vorsehen. Bei 4 Stellen erhält man 3125 Kombinationen. Bei einer Codier/Sendefrequenz von 180 MHz und im Durchschnitt 6 Perioden für ein Codeelement erhält man 30 Mbit. Werden 2 um 90° phasenverschobene Codierwechselströme vorgesehen und für die Codierung hergenommen, so erhält man 25 Stufen. Der für die Übertragung durch die Addition entstehende Summenwechselstrom ist leicht zu decodieren, da jeder nur eine Markieramplitudenstufe aufweist. In Fig. 10 ist eine codemultiplexe binäre Darstellung der Farbfernsehsignale aufgezeichnet. Im Beispiel kommen auf 5 Luminanzabgriffe je ein Rot- und Blauabgriff und ein Abgriff für Ton- und sonstige Signale. Das Luminanzsignal wird dabei mit 8 bit und die Farbsignale mit je 6 bit digitalisiert. Im Beispiel werden die 6 bit der Farbsignale auf die Abgriffe I/II und II/IV verteilt. Natürlich erfolgt eine Zwischenspeicherung. Am Abgriff V sind alle sonstigen Signalcodeelemente angehängt.

Diese Codiermethode läßt sich vorteilhaft auch bei HDTV anwenden.

Bei entsprechender Stufenzahl kann man auch gleichzeitig zwei Abgriffe codieren und senden, z. B. Fig. 10 I+II, III+IV, . . .

In der Fig. 4 ist ein Beispiel einer Periodenstufencodierung mit Abgriffssynchronisation, wobei als Stufen die Summe von Periodendauern vorgesehen werden. Hierfür können natürlich auch andere Codierungen wie z. B. eine Phasenstufencodierung hergenommen werden. Als Stufen sollen 2, 3, 4, 5 und 6 vorgesehen werden. Damit sollen Fernsehsignale entsprechend der Fig. 3 codiert und übertragen werden. Bei 5 Stufen sind dann 5 Stellen erforderlich. Man kann damit 3125 Kombinationen erzielen, die erforderlichen 11 bit benötigen 2048 Kombinationen. Die größte Zahl von Perioden für einen Abgriff sind 5×6=30 Perioden. Diese Kombination kommt nur einmal vor. Die übrigen Kombinationen haben also immer eine niedrigere Periodenzahl. Diese Differenz der Perioden wird besonders wie eine Stelle übertragen, so daß beim nächsten Abgriff wieder mit der 1. Codierstelle angefangen werden kann. In der Zeichnung sind diese Füllperioden mit FP bezeichnet. Bei einem Abgriff von 5 MHz wären also 150 MHz Sendefrequenz erforderlich. Man kann wie bereits beschrieben eine weitere Amplitudenstufe vorsehen, so daß eine kleinere Abgriffsfrequenz erforderlich ist. Eine weitere Variante ist, zwei um 90° phasenverschobene Wechselströme gleicher Frequenz zu verwenden. Bei 4 Stufen für jeden Codierwechselstrom erhält man 16 Stufen. Dann sind für das Beispiel der Fig. 3 nur 3 Stellen erforderlich, das sind dann 4096 Kombinationen. Wählt man die Stufen 3, 4 und 5 Perioden, so sind je Abgriff maximal 15 Perioden erforderlich. Bei einer 5-MHz-Abgriffsfrequenz ist dann ein Sendewechselstrom von 75 MHz erforderlich.

In der Fig. 5 ist das Prinzip einer Periodencodierung mit einem Wechselstrom dargestellt. Im Oszillator Osc wird der Codierwechselstrom erzeugt und dem Modulator Mo zugeführt. Die Werte der Abgriffe S werden einem Codierer Cod zugeführt, der Code wird dann im Modulator auf den Wechselstrom übertragen. Der Codierwechselstrom wird in der Folge auf den Übertragungsweg gegeben. Dieser kann z. B. ein Draht-, ein Funk- oder auch ein Lichtwellenleiter sein. Der Codierwechselstrom kann dabei gleich der Sendewechselstrom sein. Bei Funk ggf. unter Zwischenschaltung eines Endverstärkers und Antennenschaltungen. Auf der Empfangsseite ist ein Demodulator DMo und ein Decodierer DCod vorgesehen. Die decodierte Information S geht dann an die entsprechenden Schaltungen zur Weiterverarbeitung.

In der Fig. 6 ist das Prinzip der Periodencodierung mit 2 um 90° phasenverschobenen Wechselströmen gleicher Frequenz dargestellt. Im Oszillator Osc wird wieder der Wechselstrom erzeugt und den Modulatoren Mo1 und Mo2 zugeführt. Dem Modulator Mo2 ist noch ein 90°-Phasenschieber vorgeschaltet. Über S werden dem Codierer die Abgriffswerte zugeführt. In diesem wird der jeweilige Abgriffswert quantisiert und der Periodenstufencode ermittelt und je zur Hälfte der Codeelemente auf die 2 Modulatoren Mo1 und Mo2 verteilt. Die codierten Wechselströme A und B werden dann addiert (Ad) und mittelbar oder unmittelbar auf den Übertragungsweg gegeben. Der Summenwechselstrom SU kann auch direkt als Sendewechselstrom verwendet werden. Der mittelbar oder unmittelbar in der Gegenstelle empfangene Summenwechselstrom wird dem Demodulator zugeführt und in die beiden Codierwechselströme A/B aufgeteilt und dem Decodierer zugeführt. Am Ausgang des Decodierers erhält man wieder die Information S. In der Fig. 7 ist das Prinzip der QAM dargestellt. A und B sind die um 90° phasenverschobenen Wechselströme. SU ist der Additions- bzw. Summenwechselstrom, der dieselbe Frequenz wie die beiden Codierwechselströme hat. Die Nulldurchgänge und die Amplituden sind immer 90° auseinander. Mit Hilfe einer Bezugsphase, dies kann auch die Phase eines der beiden Codierwechselströme sein, die am Anfang oder Ende einer Sendung übermittelt wird, erfolgt dann in bekannter Weise, z. B. wie beim Burst im Fernsehen die Trennung des Summenwechselstromes.

Was die Füllperioden anbelangt, so wird man die Redundanzkombinationen so wählen, daß das Codeelement der Füllperioden eine ähnliche Größe wie die der Nutzcodeelemente enthält. Bei einem großen Überschuß an Redundanzkombinationen kann man die Nutzkombinationen für die Codewörter so wählen, daß in der Zahl der Perioden bei den Codeelementen keine große Abweichungen entstehen. U. U. ist es dann oft günstiger, die Stufen- und/oder die Stellenzahl größer als erforderlich zu wählen, so daß man noch mehr Redundanzkombinationen erhält. Werden Sende- und Empfangsspeicher vorgesehen, so kann man eine Übertragung ohne Füllperioden vornehmen. Bei der Wiedergabe auf der Empfangsseite ist dann eine Synchronisation mit dem Abgriff der Sendeseite erforderlich.

Hat man einen Wechselstrom von 1 MHz für die Übertragung von Sprachkanälen zur Verfügung, so kann man bei einer Abgriffsfrequenz von 8 kHz mehrere Sprachkanäle unterbringen. Die Abgriffszeit ist 0,125 ms. Die in dieser Zeit fallenden Sprachkanäle müssen dann parallel abgegriffen werden und in der Folge seriell codiert werden.

Wird auf die Übertragungssicherheit nicht so großen Wert gelegt, so kann man auch nur eine Amplitudencodierung vornehmen, dann fallen keine Füllperioden an. Werden z. B. 2 Perioden duobinär seriell als Stufen vorgesehen, so erhält man 9 Stufen und wird ein um 90° phasenverschobener Wechselstrom verwendet, so erhält man 81 Stufen. Für die Übertragung werden beide addiert.

Nachstehend wird die Erfindung im einzelnen erläutert. Werden z. B. die Stufen aus je einer Periode mit großer und kleiner Amplitude in jedem Codierwechselstrom gebildet, so erhält man 2×2=4 Stufen. Werden je 2 Perioden vorgesehen, so erhält man 4×4=16 Stufen, bei je 2 Stellen bei den Codierwechselströmen ergibt dies 16×16=256 Kombinationen, was 8 bit entspricht, also einem Sprachsignalabgriff. Es sind also für einen Abgriff 4 Perioden je Codierwechselstrom erforderlich. Bei einer Abgriffsfrequenz von 8 kHz ist eine Codierwechselstromfrequenz von 32 kHz erforderlich.

Ordnet man der Halbwelle oder Periode oder dem Rechteckimpuls 3 Amplitudenstufen zu, so erhält man bei einer Periode je Codierwechselstrom 9 Stufen und wenn man 2 Perioden je Codierwechselstrom vorsieht, so erhält man 9×9=81 Stufen. Man kann z. B. nicht nur einzelne Kanäle gleichzeitig codieren, sondern je nach der vorgesehenen Kombinationszahl 2 und mehrere zusammenfassen, also codemultiplex behandeln. Eine zeitmultiplexe Zusammenfassung von Kanälen ist auch möglich.

Weiterhin kann man natürlich bei der Datenübertragung und beim Fernsehen anwenden. Bei einer codemultiplexen Codierung der Fernsehsignale entsprechend der Fig. 3 sind 11 bit = 2048 Kombinationen erforderlich. Nimmt man z. B. 2 Perioden je Codierwechselstrom, dann erhält man bei 3 Stellen 4096 Kombinationen, das sind 12 bit. 3 Stellen sind 6 Perioden je Codierwechselstrom. Für die Übertragung werden dann beide Codierwechselströme addiert - bei Rechteckimpulscodeelementen die Trägerwechselströme -. Der Summenwechselstrom kann dann auch zugleich als Sendewechselstrom verwendet werden. Bei 5 MHz Abgriffsfrequenz wäre dann mindestens ein Sendewechselstrom von 30 MHz erforderlich. Bei höherer Sendefrequenz kann man multiplex mehrere Sender zusammenfassen oder den Codeelementen mehr Perioden zuordnen.

Da für jedes Codewort immer dieselbe Zahl von Perioden vorhanden ist, ist durch Abzählung die Synchronisierung gewährleistet. Der Beginn der Übertragung muß gekennzeichnet werden.

In der Fig. 8 sind um 90° phasenverschobene Codierwechselströme, bei denen Halbwellen als Codeelemente mit 3 Amplitudenstufen (0), (1) und (2) vorgesehen werden. aP1, aP2 . . . sind die Halbwellen des 1. und aP11, aP12 . . . solche des 2. Codierwechselstromes.

In Fig. 9 sind duobinäre Rechteckimpulse J unter Berücksichtigung von 1/6 Rauschpegel dargestellt. Man kann auch Treppensignale oder Rechteckimpulse in einer Folge vorsehen.

Claims (2)

1. Verfahren für eine mehrwertige Stufencodierung, dadurch gekennzeichnet, daß hierfür 2 um 90° phasenverschobene Wechselströme gleicher Frequenz unmittelbar als Codierwechselströme vorgesehen werden oder 2 Rechteckimpulsfolgen die 2 um 90° phasenverschobenen Trägern aufmoduliert werden, vorgesehen werden, wobei die Stufen aus seriell und parallel aus den Amplituden von Halbwellen oder Perioden oder Rechteckimpulsen bestehenden Codeelementen bestehen, die jeweils aus einer oder mehreren Halbwellen, Perioden oder Rechteckimpulsen bzw. gleichwertigen Impulsen bestehen können, wobei jedem Codewort dieselbe Halbwellen-Perioden oder Rechtimpulszahl zugeordnet wird. Die Stufen werden dabei aus einer oder mehreren Halbwellen, Perioden oder Rechteckimpulsen der beiden Codierwechselströme oder der in den beiden Trägern aufmodulierten Rechteckimpulse gebildet.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Synchronisierung durch ein Beginnzeichen und in der Folge durch Abzählung der Halbwellen oder Perioden oder Rechteckimpulse erfolgt.