DE2111603C3 - Verfahren und Anordnung zur Redundanzreduktion - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Redundanzreduktion redundanzbehafteter Signale.

Um bei der Übertragung von Informationen Übertragungskapazität zu sparen, ist es bekannt, eine Datenkompression durch Verminderung der in der Information enthaltenen Redundanz vorzunehmen. Diese Datenkompression kann bei digitalen Signalen z. B. durch geeignete Umcodierung erfolgen. Bei analogen Signalen ist es bekannt, daß eine Redundanzverminderung dann vorgenommen werden kann, wenn das Leistungsdichtespektrum der Information nicht konstant ist. In diesem Falle kann eine Dekorrelation in der Weise vorgenommen werden, daß mittels eines Minimalphasennetzwerks das Leistungsdichtespektrum bis zu einer Grenzfrequenz konstant gemacht wird, und daß das nun vorliegende Signal mit einer bestimmten Abtastfrequenz abgetastet wird, und zwar entspricht diese Abtastfrequenz den Abständen der Nulldurchgänge der Fouriertransformierten des Leistungsdichtespektrums.

Es wurde gefunden, daß eine weitere Redundanzverminderung durch lineare Transformation unter bestimmten Umständen möglich ist. Die Grundgedanken v/erden im folgenden erläutert.

Zunächst wird als Beispiel einer zu übertragenden (iformation angenommen, daß ein bestimmtes Bild durch Fernsehen übertragen werden soll. Bei Bildern für die Fernsehübertragung hat man festgestellt, daß bei Bekanntsein des Helligkeitswertes eines Bildpunktes mit einer relativ großen Wahrscheinlichkeit (etwa 0,9) auf die Helligkeit des nächstfolgenden Punktes geschlossen werden kann, und zwar hat die Helligkeit dieses benachbarten Punktes mit der oben erwähnten Wahrscheinlichkeit den gleichen Wert wie beim zuerst betrachteten BildpunkL Bei einer Bildvorlage, die eine durch Fernsehen zu übertragende Informaticnsmenge darstellen möge, ist es nun gleichgültig, in welcher Richtung man die Untersuchungen bezüglich der gegenseitigen Abhängigkeit der Helligkeiten einzelner Bildpunkte unternimmt; mit anderen Worten ist der Helligkeitswert eines Bildpunktes, der z. B. auf einer gedachten durch das Bild gelegten Linie liegt, sowohl von demjenigen Punkt, der auf seiner einen Seite liegt als auch von demjenigen Punkt, der auf seiner anderen Seite liegt, in gleicher Weise abhängig. Es liegt also eine gewisse Symmetrie in der Abhängigkeit der einzelnen Helligkeitswerte der Bildpunkte vor.

Auf dieser Tatsache baut die Erfindung auf. Es wird dabei davon ausgegangen, daß dann, wenn statistisch unabhängige Signale über einen Allpaß geleitet werden, die sich hieraus ergebenden Signale zwar unkorreliert bleiben (Wiener-Kintchine-Theorem), jedoch gewisse statistische Bindungen ähnlich den oben geschilderten auftreten. Kennzeichnend für diese Bindungen ist die zweiseitige Abhängigkeit der Signale von den zeitlich benachbarten Signalen. Eine Nachrichtenquelle, deren Signale vollständig oder teilweise derartige zweiseitige Abhängigkeiten besitzen, wird nun durch ein Ersatzbild dargestellt, das aus einer fiktiven Quelle mit angenähert statistisch unabhängigen Ausgangssignalen, einem Minimalphasennetzwerk und einem Allpaß besteht. Das Minimalphasennetzwerk bewirkt die Korrelation der Ausgangssignale und erzeugt ein ungleichmäßiges Leistungsdichtespektrum, und der Allpaß bewirkt gewisse symmetrische Bindungen der Ausgangssignale.

Hiervon ausgehend ist es nun möglich, eine

verbesserte Dekorrelation vorzunehmen, und zwar dadurch, daß sowohl die Wirkung des fiktiven Miniimlphasennetzwerks als auch die Wirkung des fiktiven Allpasses kompensiert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, bei dem zeitlich benachbarte, statistisch abhängige Signale verbessert dekorreliert werden können, wobei eine weitergehende Redundanz reduktion möglich wird, als es bisher bekannt war.

Die Erfindung besteht darin, daß durch erste Filterungsmittel minimaler Phase einerseits eine Amplitudenver?errung in der Weise vorgenommen wird, daß wenigstens angenähert eine Amplitudengleichverteilung (bezüglich des Leistungsdichtespektrums) erreicht wird, und durch zweite Filterungsmittel eine Verzerrung in der Weise vorgenommen wird, daß die Wirkung eines im Ersatzschaltbild der Signalquelle vorhandenen Allpasses wenigstens annähernd kompensiert wird, wobei das Ersatzschaltbild eine Quelle statistisch unabhängiger Signale, ein nachgeschaltetes Minimalphasenfilter und einen Allpaß enthält.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung in einem Ausführungsbeispiel erläutert.

In der Zeichnung ist mit 1 die Nachrichtenquelle dargestellt, deren Signale eine gewisse symmetrische Abhängigkeit aufweisen. Diese Nachrichtenquelle ist durch ein Ersatzschaltbild aus fiktiven Elementen ersetzt, und zwar ist eine Quelle statistisch unabhängiger Signale 2 vorhanden, der ein Minimalphasenfilter 3, das eine Amplitudenverzerrung bewirkt, sowie ein Allpaß 4, der eine weitere Phasenverzerrung bewirkt,

nachgeschaltet. Der Nachrichtenquelle 1 ist die Serienschaltung eines Filters 5 und eines Filters 6 nachgeschaltet Der Ausgang des Filters 6 ist mit dem Eingang eines Quantisierers 7 verbunden. Von dem Ausgang des Quantisierers 7 möge die Nachricht in nicht näher dargestellter Weise zu einer Empfangsstation übertragen werden, in der durch in Serie geschaltete Filter 8 und 9 die ursprüngliche Nachricht wiedergewonnen wird.

Das F'lter 5 ist als Minimalphasenfilter aufgebaut und so ausgelegt, daß es in seinem Ausgang ein konstantes Leistungsdichtespektrum liefert Das Filter 6 ist ein Allpaß, der so ausgebildet ist, daß er die vom fiktiven Allpaß bewirkten Phasenverzerrungen in der Weise kompensiert, daß der Allpaß 4 und das Filter 6 zusammen, wenigstens angenähert, nur noch eine Erhöhung der Gruppenlaufzeit bewirken. Am Ausgang des Filters 6 steht nun eine Nachricht zur Verfügung, die dann, wenn sie in geeigneter Weise abgetastet wird, in gegenüber dem Stand der Technik stark verbesserter Weise von Redundanz befreit ist Die Abtastfrequenz muß so gewählt werden, daß sie den zeitlichen Abständen der Nulldurchgänge der Fouriertransformierten des am Ausgang des Filters 6 vorhandenen Signals entspricht Die Abtastwerte werden über den Quantisierer 7 in digitale Signale verwandelt, die in nicht dargestellter Weise in geeigneter Weise codiert zu einer Empfangseinrichtung übertragen und dort wieder decodiert werden. Auf der Empfangsseite wird durch das Minimalphasenfilter 8 die ursprüngliche Leistungsdichteverteilung des Signals wieder hergestellt, außerdem wird durch den Allpaß 9, der in seinen Werten möglichst genau dem fiktiven Allpaß 4 entsprechen soll, wenigstens angenähert die ursprüngliche Phasenverteilung wieder hergestellt Am Ausgang des Allpasses 9 steht also die ursprüngliche Nachricht wieder zur Verfügung.

Da der Alipaß 4 im Ersatzschaltbild nur eine fiktive Größe ist, ist es nicht direkt möglich, seine Eigenschaften generell zu bestimmen. Wenn jedoch, wie es z. B. bei der Bildübertragung der Fall ist, bekannt ist, in welcher Weise ein Nachrichtenelement sowohl mit den vorherliegenden als auch mit den nachfolgenden Nachrichtenelementen verknüpft ist läßt sich hieraus bestimmen, welche Kennwerte der Allpaß 4 haben muß. Hieraus wiederum kann der Aufbau des Allpasses 6 abgeleitet werden, der ja sämtliche Phasenverzerrungen, die der Allpaß bewirkt hat kompensieren muß, so daß nur noch eine Gruppenlaufzeiterhöhung verbleibt So zeigt eine Analyse im Fall des Fernsehsignals, daß eine Quelle für Fernsehsignale näherungsweise im Ersatzbild dargestellt werden kann als eine statistische unabhängige Signalquelle, dessen Ausgangssignale linear verkoppelt werden über ein Vorhersagenetzwerk, dessen Impulsantwort eine »gerade« Funktion ist Ein derartiges Vorhersagenetzwerk verknüpft die statistisch unabhängigen Signale in der Zeitachse zweiseitig gleichmäßig und erzeugt die oben beschriebene symmetrische Abhängigkeit der Bildsignale. Während der minimalphasige Anteil 3 des Vorhersagenetzwerks in bekannter Weise mit Hilfe des Wiener-Kintchine-Theorems ermittelt wird, hat der Allpaßanteil 4 gerade die Gruppenlaufzeit des Filters 3 zu einer konstanten Gesamtgruppenlaufzeit zu ergänzen, denn nur in diesem Fall ist die Impulsantwort des Vorhersagefilters aus 3 und 4 eine gerade Funktion. Die Filter 8 und 9 entsprechen in ihren Parametern gerade den Filtern 3 und 4 des Ersatzschaltbildes.

Es ist nicht unbedingt notwendig, daß für die Filter 5 und 6 bzw. 8 und 9 jeweils getrennte Filteranordnungen verwendet werden; es ist auch möglich, die Filter 5 und 6 bzw. 8 und 9 jeweils in einem einzigen Filter zu realisieren. Die Filter können sowohl mit Induktivitäten und Kapazitäten aufgebaut werden, als auch z. B. als Transversalfilter oder als digitales Filter aufgebaut sein, bei denen einem Laufzeitglied ein Signal zugeführt wird, und an verschiedenen Punkten des Laufzeitgliedes Signale ausgekoppelt, mit unterschiedlichen Faktoren bewertet und anschließend durch Summierung zum Ausgangssignal zusammengefaßt werden.

Die Erfindung ist nicht auf die Redundanzreduktion bei Fernsehsignalen beschränkt, sondern kann allgemein angewendet werden, wenn eine gewisse zweiseitige Abhängigkeit der Signale vorliegt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren und Anordnung zur Redundanzreduktion redundanzbehafteter Signale, dadurch gekennzeichnet, daß durch erste Filterungsmittel (5, 6) minimaler Phase einerseits eine Amplitudenbewertung in der Weise vorgenommen wird, daß bezüglich des Leistungsdichtespektrums wenigstens angenähert eine Amplitudengleichverteilung erreicht wird, und andererseits eine Phasenverzerrung in der Weise vorgenommen wird, daß die Wirkung eines im Ersatzschaltbild der Signalquelle vorhandenen Allpasses wenigstens annähernd kompensiert wird, wobei das Ersatzschaltbild eine Quelle mit unkorrelierten Signalen, ohne durch einen Allpaß reduzierbare Redundanz, ein nachgeschaltetes Minimalphasenfilter und einen Allpaß tnthält.

2. Verfahren und Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zweck der Datenkompression die linear transformierten Signale durch einen Quantisierer mit vorbestimmter Abtastfrequenz abgestastet und quantisiert werden.

3. Verfahren und Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Wiedergewinnung der ursprünglichen Signale die vom Quantisierer gelieferten Werte über zweite Filterungsmittel (8,9) geleitet werden, die die Wirkung der ersten Filterungsmittel (bis auf eine Erhöhung der Gruppenlaufzeit) mindestens annähernd kompensieren.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die Kompression von Fernsehsignalen die Kettenschaltungen der Filter 5 und 6 und der Filter 8 und 9 Systeme mit gerader Impulsantwort sind.