DE2131083B2

DE2131083B2 - Nachrichtenübertragungssystem

Info

Publication number: DE2131083B2
Application number: DE2131083A
Authority: DE
Inventors: Hans Georg Prof. Dr.-Ing. 3327 Salzgitter-Bad Musmann
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Bosch Telecom GmbH
Priority date: 1971-06-23
Filing date: 1971-06-23
Publication date: 1980-08-28
Also published as: DE2131083C3; DE2131083A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Nachrichtenübertragungssystem, bei dem die Differenz AX zwischen dem bo Eingangssignal Xe und einem vorhergesagten Eingangssignal X' durch eine Quantisierer-Codierer-Kombination quantisiert und digital verschlüsselt, übertragen und empfangsseitig decodiert und ins ursprüngliche Signal zurückverwandelt wird.

Bei derartigen Systemen ist das vorhergesagte Eingangssignal meist dasjenige Signal, das sich aus der Summierung aller vorhergehenden quantisierten Signale ergibt Der Vorteil eines derartigen Systems besteht darin, daß die Nachrichtenübertragung mit verhältnismäßig wenig Redundanz behaftet ist, und mit geringerer Bitrate erfolgen kann, da nur die Differenzsignale codiert und übertragen werden müssen und da diese häufig eine kleinere Leistung als das Eingangssignal aufweisen. Der Quantisierer bei diesen Systemen ist so bemessen, daß er nur einen Teil des Aussteuerbereiches des ursprünglichen Eingangssignals Xe umfaßt, ein üblicher Wert ist hierbei z.B. 30%. Ein solches Nachrichtenübertragungssystem wird als Differenz-Pulscodemodulation bezeichnet und ist beispielsweise in der DE-OS 2041077 beschrieben. Ein Nachteil der bekannten Systeme besteht darin, daß dann, wenn sich das Eingangssignal nahe einem seiner möglichen Extremwerte befindet, ein relativ großer Sprung dieses Eingangssignals z.B. in die Nähe des anderen Extremwertes nicht in einem einzigen Quantisierungsschritt verarbeitet werden kann, da der Quantisierer und der ihm angeschlossene Codierer, der die Quantisierungsergebnisse in die zu übertragende digitale Form verschlüsselt, nicht für derartige große Sprünge ausgelegt sind. Diese Überlastung des Quantisierers wird auch als »Overload-Effekt« bezeichnet Infolge der dann auftretenden großen Quantisierungsfehler wird ein großer Sprung mit verminderter Ansiiegssteilheit wiedergegeben.

Es war Aufgabe der Erfindung, diesen Effekt zu verringern. Die in Anspruch 1 beschriebene Erfindung löst diese Aufgabe.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen

F i g. 1 in schematischer Darstellung die Quantisierungsstufen eines Quantisierers,

F i g. 2 den sendeseitigen Aufbau eines erfindungsgemäßen Systems,

Fig.3 den empfängerseitigen Aufbau eines erfindungsgemäßen Systems,

F i g. 4a und 4b zwei schematische Darstellung eines Prädiktors,

Fig.5 eine Ausführungsform eines steuerbaren Umcodierers,

Fig.6 ein Ausführungsbeispiel eines steuerbaren Decodierers.

Anhand von F i g. 1 wird zunächst das Prinzip der Erfindung erläutert. In F i g. 1 ist mit A der mögliche Aussteuerbereich einer Eingangsgröße Xe bezeichnet. Mit X'ist der Wert der erwarteten Eingangsgröße, also im speziellen Fall derjenige Wert bezeichnet, der sich durch Summieren bzw. Subtrahieren der zeitlich vorherliegenden Quantisierungsergebnisse bilden läßt. Der die Differenzen zwischen dem Eingangssignal und dem erwarteten Eingangssignal bewertende Quantisierer habe die Quantisierungsstufen 1 bis 8, deren Lage relativ zum erwarteten Eingangssignal in der F i g. 1 dargestellt ist. Tritt gegenüber dem Signal X' nur eine relativ kleine Änderung ein, so wird also z. B. die Quantisierungsstufe 4 oder 5 ansprechen. Tritt eine etwas größere Änderung ein, so wird z. B. die Quantisierungsstufe 6 oder 3 ansprechen. Aus der F i g. 1 ist ersichtlich, daß die Quantisierungsstufen 7 und 8 bei dem zugrundeliegenden Wert von X' nicht ansprechen können, da das Eingangssignal einen derartigen Wert nicht annehmen kann.

Der Quantisierer ist so aufgebaut, daß er für jede seiner Quantisierungsstufen 1 bis 8 an einem Ausgang einen definierten Spannungswert abgibt; der zur Verschlüsselung dienende Codierer ist so ausgebildet,

daß er jedem dieser Spannungswerte eines von acht Codeworten zuordnet Bei den beiden bekannten, so auch in der bereits oben erwähnten DE-OS 20 41 077, ist diese Zuordnung zwischen den Codewörtern und Quantisierungsstufen fest und nicht steuerbar.

Erfindungsgemäß ist nun die Kombination von Quantisierer und Codierer so ausgebildet, daß sie in Abhängigkeit entweder vom tatsächlichen Eingangssignal oder einem von diesem abhängigen Signal X", z. B. vom erwarteten Eingangssignal X', so steuerbar ist, daß den an und für sich überflussigen Quantisierungsergebnissen 7 und 8 von diesen abweichende Quantisierungsstufen T und 8' zugeordnet werden, d. h. also, daß in dem in F i g. 1 gezeigten Beispiel dann, wenn sich das Eingangssignal zwischen den Werten T und 8' befindet, entweder der Quantisierer ein Signal abgibt, das sich von dem üblichen Signal »8« nicht unterscheidet oder daß der dem Quantisierer nachgeschaltete Codierer einen Digitalwert ausgibt, der sich niciit von dem üblicherweise bei vorliegender Quantisierungsstufe »8« erscheinenden digitalen Ausgangswert unterscheidet Die Tatsache, daß dem ausgegebenen Wert »8« im Beispiel der F i g. 1 kein Sprung zu positiven Werten, sondern ein Sprung zu negativen Werten entspricht kann eindeutig darauf geschlossen werden, daß der Erwartungswert X' nahe der oberen Grenze des Aussteuerungsbereiches liegt Die durch Steue ung der Codewortzuordnung verfügbar gewordene Quantisierungsstufe 8' ermöglicht es, den im Beispiel dargestellten Eingangssignalwert Xe mit geringerem Quantisie- jo rungsfehler zu quantisieren, als es mit der Quantisierungsstufe 1 eines nicht steuerbaren Quantisierers möglich wäre.

In F i g. 2 wird nun ein konkretes Ausführungsbeispiel gezeigt. In einem Quantisierer 1 wird das Diffe.-enzsi- r> gnal X, das sich aus der Differenz des Eingangssignais Xe und des erwarteten Eingangssignals X' ergibt, quantisiert Das Quantisierungssignal wird zunächst einem Codierer 2 zugeführt, der einen Codewort-Vorrat hat, welcher der Anzahl der Quantisierungsstufen des Quantisierers entspricht. Der Quantisierer ist hierbei so ausgebildet, daß er eine unveränderliche Quantisierungskennlinie hat und einen relativ großen Bereich erfaßt. Die vom Codierer 2 gelieferten ersten Codewörter werden einem steuerbaren Umcodierer 3 zugeführt. Dieser Umcodierer ordnet den ersten Codewörtern in Abhängigkeit davon, in welchem Bereich jich gerade das erwartete 'Eingangssignal befindet, zweite Codewörter zu. Am Ausgang des Umcodierers steht das zu übertragende Signal zur Verfügung. Dieses Signal wird außerdem dem Eingang eines steuerbaren Decodierers 4 zugeführt. Dieser Decodierer wandelt das ihm zugeführte Eingangssignal in Abhängigkeit von einer ihm zugeführten Steuergröße u in ein Signal v'um, das wieder unmittelbar mit den übertragenen Differenzsi- v> gnalen vergleichbar ist. Das Signal v' wird einem Prädiktor 5 zugeführt, in dem die Differenzsignale wieder in die Eingangssignale oder eine diesen direkt entsprechende Größe umgewandelt werden. Im Beispiel ist angenommen, daß der Prädiktor 5 ein digitales ω) Ausgangssignal liefert, deswegen ist ihm zur Gewinnung des analogen erwarteten Eingangssignals noch ein Digital/Analog-Wandler 6 nachgeschaltet. Der Ausgang des Prädiktors ist außerdem mit einem Steuereingang des Codierers 3 und mit einem Steuereingang des t>5 Decodierers 4 verbunden, so daß diese letztgenannten Baugruppen in Abhängigkeit vom erwarteten Eingangssienal eesteuert werden können.

In Fig.3 ist schematisch ein Empfänger für die übertragenen Signale dargestellt; dieser besteht aus einem steuerbaren Decodierer 4', einen Prädiktor 5' und. da im Beispiel von einer digitalen Darstellung des Ausgangswertes des Prädiktors ausgegangen wird, aus einem Digital/Analog-Wandler 6'. Die Elemente 4', 5' und 6' können genauso aufgebaut sein wie die entsprechenden Elemente 4,5 und 6 von F i g. 2.

Die erwähnten Prädiktoren können z.B. gemäß Fig.4a oder 4b aus einer Summierschaltung 9 für analoge Größen und aus einem Verzögerungsglied 8 aufgebaut sein, oder sie können, falls digitale Signale vorliegen, als digital arbeitende Rechenschaltung, die Additionen und Subtraktionen vornehmen kann, ausgebildet sein.

Die in F i g. 2 und 3 dargestellte erfindungsgemäße Anordnung wird nun im folgenden anhand eines speziellen Beispiels erläutert:

Der Quantisierer 1 soll sechs Quantisierungsstufen haben, die in dem ihm unmittelbar nachgeschalteten Codierer in Codewärter mit 3 Bit Länge in folgender Weise verschlüsselt werden:

Quantisierungsstufe	Codewort	L	L
+ 6	0	0	L
+ 3	0	0	0
+ 1	0	0	0
-1	L	0	L
-3	L	L	L
-6	L

vv ν 1 ν 0

Der Wertbereich der erwarteten Eingangsgröße X' möge 16 positive Werte umfassen, die am Ausgang des Prädiktors 5 in der folgenden Weise in digitaler Form erscheinen:

Bereich 3

15	L	L	L	L
14	L	L	L	O
13	L	L	O	L
12	L	L	0	O
11	L	0	L	L
10	L	0	L	O
9	L	0	0	L
8	L	0	0	O
7	0	L	L	L
6	0	L	L	O
5	0	L	0	L
4	0	L	0	O
3	0	0	L	L
2	0	0	L	O
1	0	0	0	L
0	0	0	0	O
	iv3	ul	Hl	«Ο

Bereich 2

Bereich 1

Im Umcodierer 3 wird nun eine Umcodierung der vom Codierer 2 gelieferten sechs möglichen ersten Codewörter in vier zweite Codewörter mit je zwei Stellen vorgenommen, wobei diese Umcodierung, je nachdem in welchem von drei Bereichen sich die erwartete Eingangsgröße A"befindet, auf drei verschiedene Arten erfolgt.

im Bereich

L

1:

5

-t 6

A"

21

Ll

31

083

a +3

A"

6

L

3:

O

^ +1

L

- L

+ 3

O

l)

a +1

O

T

A"

O

L a

+ 1

O

im Bereich

O

2:

A -1

O

-O

O

A -1

O

- O

L =

O

L

O

im Bereich

O

L

a -3

O

1

O a

-1

L

O

M

-O

L

= -3

L

- L

L

a -6

O

L

—·■ L

L

O

- O

O

Wer-

L

O

L

- L

WO

Wer-

L

ν 0

O ^=

Wer-

L

O

vO

- L

O

L

O

vO

-O

L

vl

WX

VV

O

γ

I

VV

O

Wi

L

WO

L

-* L

L

O

VV

vl

WX WO

L

vl

tigkeit

tigkei

Befindet sich X' im ersten (niedrigsten) Bereich, so sind Sprünge der Eingangsgröße zu relativ höheren Werten sehr wahrscheinlich, während Sprünge zu relativ kleinen Werten von X' relativ wenig wahrscheinlich sind. Demgemäß werden die Quantisierungsstufen + 6, +3, +1 gesondert umcodiert, während die Wertigkeitsstufen — 1, —3, und —6 gemeinsam in ein einziges zweistelliges Codewort (LO) mit der Wertigkeit

— 1 umcodiert werden. Befindet sich X' im mittleren Bereich (Bereich 2), so werden die Quantisierungsstufen -I-1 und — 1 unverändert umcodiert, während die Codierungsstufen +3 und +6 zu einem gemeinsamen Codewort (OL) und die Quantisierungsstufen —3 und

— 6 ebenfalls zu einem gemeinsamen Codewort (LL) umcodiert werden. Befindet sich X' im Bereich 3, so werden die Quantisierungsstufen — 1, —3, —6 in jeweils getrennte zweistellige Codewörter umcodiert, während die Quantisierungsstufen +1, +3, +6 zu einem gemeinsamen Codewort (00) umcodiert werden. Bei Betrachtung der oben dargestellten Tabelle, die diese Verhältnisse wiedergibt, zeigt sich, daß dem zweistelligen Codewort LL entweder die Quantisierungsstufe + 6 oder — 3 zugeordnet sein kann, während dem Codewort OL entweder die Quantisierungsstufe +3 oder —6 zugeordne t sein kann.

Eine rein digitale Realisierungsform für den steuerbaren Umcodierer 3 ist in F i g. 5 dargestellt. Dort ist eine Schaltungsanordnung mit sieben UND-Gattern, die teilweise negierte Eingänge haben, und zwei ODER-Gattern dargestellt. Diese Gatter sind untereinander und mit Eingangsleitungen w, vl, vO, u3, υ2 so verknüpft, daß sich die Ausgangsgrößen w\ bzw. w0, die die Werte 0 bzw. 1 annehmen können, aufgrund der folgenden Gleichungen ergeben: (das Zeichen + bedeutet die ODER-Funktion, der Multiplikationspunkt die Konjunktion)

wl = (ü3 · Ü2 ■ vl) + (ö3 · w)

-t-(ü2 · w)+(w - vl)
wQ = (03 · vv· vO)+(u3 · Π2 ■ vO)

+(u2· w- vO) ^3D

Die Größen w usw. entsprechen den Stellen der Codewörter, die für die Werte von X' bzw. für die UmcodierungstabeUe weiter oben angegeben sind. Da sich die drei Bereiche der Größe X' aufgrund ihrer beiden ersten Stellen i/3 und u2 eindeutig unterscheiden lassen, müssen der Anordnung in F i g. 5 nur diese Werte zugeführt werden. Wird z. B. der Anordnung in F i g. 5 an den Eingängen ν das Codewort OLL zugeführt, so ergeben sich ausgangsseitig die Werte wl = l, iv0=l, wenn die Anordnung in Fig.; gleichzeitig die Werte u 3 = 0, u 2 = 0, zugeführt werden Werden in der Anordnung nach Fig.5 dagegen di( Werte u3 = L,u2 = L zugeführt, so liefert sie unter sons gleichen Umständen Ausgangsgrößen w\ =0, wO = O.

Der steuerbare Decodierer 4, der die soeber beschriebene Umcodierung des Umcodierers 3 rück gängig machen muß, kann z. B. durch eine Anordnung gemäß Fig.6 realisiert werden. Die Anordnung ir Fig.6 besteht aus sechs UND-Gatter mit teilweis« negierten Eingängen und zwei ODER-Gattern, die untereinander und mit Eingangsleitungen w\, tvO, u3 ü 2 so verknüpft sind, daß sich die Ausgangsgrößen vv ν 1, ν0 gemäß den folgenden Gleichungen ergeben:

vv = (u3 · u2 · w0)+(wl ■ WO)

+(u2 ■ wl)+(u3 ■ wi)

vl = (Ü3 ■ ü2 ■ wl ■ tvO)+(u3 · u2 ■ Wl ■ w0)
vO = wO

Im beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde eine reine digitale Lösung für die Baugruppen 3 und * beschrieben. Diese Baugruppen können jedoch ohne Schwierigkeiten auch so ausgebildet werden, daß sie die Codierung bzw. die steuerbare Decodierung in Abhän gigkeit von einem analogen Eingangssignal vornehmen wobei eine Änderung der Umcodierung bzw. Decodie rung jeweils dann erfolgt, wenn das Steuersignal eine bestimmte Schwelle überschreitet.

Der Empfänger, der aus den ihm zugeführter verschlüsselten Differenzsignalen das erwartete Ein gangssignal wieder bildet und aus dessen Kenntni; einzelnen an sich mehrdeutigen zweiten Codewörtern ir eindeutiger Weise die diesen entsprechenden Quantisie rungsstufen zuordnen kann, könnte auch durch einer anderen Empfänger ersetzt werden, der die Kenntnis der Steuergröße υ nicht aufgrund einer in ihn enthaltenen Schaltungsanordnung auswertet, sonderr diese Kenntnis aus Signalen bezieht, die zusätzlich zi den codierten Differenzsignalen vom Sender übertra gen werden.

Bei der Festlegung, in welcher Weise die Umcodierei 4 die ihm zugeführten codierten Quantisierungsstufer umcodieren soll, kann es u. U. auch zweckmäßig sein selbst dann, wenn z. B. positive Differenzen noch relath wahrscheinlich sind, die unverfälschte Übertragunj derartiger Differenzen einzuschränken zugunsten einei genaueren Übertragung stark negativer Differenzen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Nachrichtenübertragungssystem, bei dem die Differenz AX zwischen dem Eingangssignal Xe und s einem vorhergesagten Eingangssignal X' durch eine Quantisierer-Codierer-Kombination quantisiert und digital verschlüsselt, übertragen und empfangsseitig decodiert und ins ursprüngliche Signal zurückverwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Quantisierer-Codierer-Kombination (1,2,3) einen Codewortvorrat von m Codeworten hat und in Abhängigkeit vom Eingangssignal Xe oder einer von diesem abhängigen Größe X" so steuerbar ist, daß mindestens einem der Codeworte je nach dem Wert von Xe bzw. X" jeweils e'ne von mehreren unterschiedlichen Quantisierungsstufen zugeordnet ist, wobei die Zahl η der insgesamt möglichen Quantisierungsstufen größer als m ist, und daß empfangsseitig ein Decodierer (4', 5') vorgesehen ist, der in Abhängigkeit von Xe oder X" oder diesen empfangsseitig nachgebildeten Signalen so steuerbar ist, daß er die empfangenen Codeworte in die diesen Codeworten jeweils zugeordneten Quantisierungsstufen umsetzt.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Quantisierungsstufen adaptiv, zumindest annähernd den bedingten Wahrscheinlichkeitsdichten ρ (AXZX") angepaßt werden.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sendeseitig der Ausgang eines Quantisierers (1) mit dem Eingang eines Codierers (2) verbunden ist, dessen Ausgang mit einem Eingang eines steuerbaren Umcodierers (3) verüunden ist, daß der Ausgang des Umcodierers (3) einerseits den Ausgang des Senders bildet, andererseits mit einem Eingang eines steuerbaren Decodierers (4) verbunden ist, dessen Ausgang mit dem Eingang eines Prädiktors (5) verbunden ist, daß der Ausgang des Prädiktors mit dem anderen Eingang des Umcodierers und des Decodierers und, falls erforderlich über einen D/A-Wandler, mit dem Subtraktionseingang einer Subtraktionsschaltung (7) verbunden ist, deren anderem Eingang das Eingangssignal zuführbar ist und deren Ausgang mit 4^r> dem Eingang des Quantisierers verbunden ist.

4. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger einen steuerbaren Decodierer (4') enthält, dessen einem Eingang die codierten übertragenen Signale zugeführt ^r>n werden, daß der Ausgang des Decodierers (4') mit dem Eingang eines Prädiktors (5') verbunden ist, dessen Ausgang mit dem anderen Eingang des Decodierers verbunden ist.