DE2403597C3 - Übertragungssystem auf der Basis der Differential-Puls-Code-Modulation - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Übertragungssystem auf der Basis der Differential-Puls-Code-Modulation (DPCM) mit adaptiver Quantisierung, bei dem nach der Codierung ein aus der Differenz zwischen einem durch Proben der primären Nachricht gewonnenen Digitalsignal und einem auf Grund vorhergehender Signale vorausgesagten Signal bestehender Voraussagefehler übertragen wird und bei dem sender- und empfängerseitig Addierstufen, Filter, Decodierer und logische Kreise vorgesehen sind, welche die Quantisierungsstufengröße der Codierungskenngröße auf der Basis des Voraussagefehlers und nach einer für eine bewertete Mittelwertbildung charakteristischen Funktion ständig und selbsttätig ändern.

Ein Verfahren zur bewerteten Mittelwertbildung, durch die sich eine Dynamikpressung für die Übertragung ergibt, ist bei einem Nachrichtenübertragungssystem auf der Basis der Pulsdeltamodulation aus der DE-AS 12 77 913 bekannt. Das Prinzip der Pulsdeltamodulation und das hierbei angewendete Verfahren der Mittelwertbildung läßt sich jedoch nicht ohne weiteres für die Differential-Puls-Code-Modulation einsetzen, zumal bei der Pulsdeltamodulation jeder Abtastwert für die Codierung nur ein Bit benötigen.

Ein Übertragungssystem auf der Basis der Differential-Puls-Code-Modulation ist aus der DE-AS 21 35 193 bekannt. Es soll hiernach ein Schätzwertbildner geschaffen werden, bei dem der Schätzwert von einem vorhergehenden Signal abgezogen wird, um hierdurch das einen sogenannten Voraussagefehler repräsentierende Signal hervorzurufen. Die Stufengröße bei der Quantisierung des Voraussagefehlers ist bei diesem bekannten Übertragungssystem festgesetzt, da geberund empfängerseitig lediglich Voraussagefilter vorgesehen sind.

Im Vergleich zu dem bekannten PCM-Verfahren hat die Differential-Puls-Code-Modulation (DPCM) den Vorteil, daß auf einer Leitung Signale mit wesentlich geringerer Amplituden-Dynamik übertragen werden können, wobei die DPCM für die Codierung bei vergleichbaren Rauschbedingungen mit einer geringeren Anzahl von Binärziffern (Bits) auskommt.

Das DPCM-Übertragungssystem hat bereits breite Anwendung bei der Übertragung von Fernsehsignalen

gefunden, wo es auf eine hohe Übertragungs-Korrelation ankommt. Bei der Übertragung von Signalen mit niedriger Übertragungs-Korrelation, etwa bei der Übertragung von Sprachschwingungen, wie sie in der Fernsprechtechnik üblich sind, hat das DPCM-Verfahren noch keinen so großen Eingang gefunden, da die hiermit verbundenen Kosten verglichen mit den Vorteilen des üblichen PCM-Verfahrens zu hoch sind. Da die Dynamik von Sprachsignalen in der Fernsprech-

technik etwa 6OdB beträgt, muß ein wirtschaftlich arbeitendes Übertragungssystem einen ausreichend bemessenen Störabstand besitzen, um die Güte der Nachrichtenverbindung nicht zu beeinträchtigen.

Darüber hinaus muß das codierte Signa: hochwertig und proportional zur Amplitude des primären Signals und von diesem selbst unabhängig sein.

Um diese zwei Grundvoraussetzungen zu erfüllen, wird bei PCM-Übertragungssystemen eine beträchtlich hohe Anzahl der Bits verwendet (in Europa 8 Bits), wobei eine zusätzliche Kenngröße mit festen Quantisierungsstufen hinzukommt In der Fernsprechtechnik verwendete DPCM-Systeme benötigen ein Bit weniger, und dieser Vorteil rechtfertigt oft nicht die Verwendung der DPCM-Systeme.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Übertragungssystem zu schaffen, das unter Vermeidung dieser Nachteile mit nur 4 Binärziffern auskommt und hierbei die subjektiv zu beurteilende Übertragungsgüte besitzt, so daß auf einer Leitung eine Gesprächsverdoppelung bei gleicher Übertragungsgeschwindigkeit möglich ist

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen gelöst

Mit Hilfe dieser für die bewertete Mittelwertbildung charakteristischen Funktion wird es möglich, daß der Voraussagefehler, gleichgültig wie groß oder klein er ist, immer mit einer bestimmten Anzahl von Quantisierungsstufen codiert wird, ohne daß Störungen oder Veränderungen des Voraussagefehlers eintreten können, wie dies der Fall wäre, wenn fest vorgegebene Quantisierungsstufengrößen verwendet werden. Die Quantisierung des Voraussagefehlers erfolgt also in Anpassung an die Änderungen des Voraussagefehlers, d. h. die Quantisierungsstufen ändern sich von Zeitintervall zu Zeitintervall je nach Änderung des Voraussagefehlers. Insgesamt erhält man auf dem empfängerseitigen System ein Signal, das mit hoher Geschwindigkeit dem übertragenen Signal folgt. Dabei findet die Auswertung der Signalstärke des Ausgangssignals der Decodierer in einem Zeitabschnitt statt, sobald oder solange das Signal empfangen wird.

Durch eine derartige Einstellung der Quantisierungsstufengröße läßt sich eine Verringerung der Anzahl der für die Nachrichtenübertragung erforderlichen Binärziffern herbeiführen. Es ist daher möglich, lediglich vier, anstatt wie es beim PCM-Verfahren üblich ist, acht Binärziffern zu verwenden, so daß die doppelte Anzahl von Gesprächen auf einer Leitung übertragen werden kann. so

Die Regelung der Codierungskenngröße läßt ein multiplikatives Rauschen entstehen, das für die Übertragung von Sprechsignalen im Vergleich zum additiven Rauschen weniger Schwierigkeiten verursacht. So läßt sich bei einer Dynamik des Eingangssignals von mehr als 4OdB das Signal/Rauschspannungsverhältnis konstant und über 20 dB halten.

Durch die bewertete Mittelwertbildung, bei der die empfangenen Signale mit einem Koeffizienten behaftet sind, läßt sich schließlich eine Kanal-Fehlertoleranz von IO-⁴ einhalten.

An Hand eines Ausführungsbeispiels ist die Erfindung in der Zeichnung schematisch dargestellt und im nachfolgenden erläutert, wobei mathematische Formeln als Berechnungsgrundlage für die Wirkungsweise der Schaltungsfunktionen nur soweit angegeben sind, als sie zum Verständnis der Erfindung unbedingt notwendig sind; in der Zeichnung zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild der Geberseite des Übertragungssystems nach der Erfindung,

Fig.2 ein Blockschaltbild der Empfängerseite des Übertragungssystems,

F i g. 3 eine der möglichen Code-Kennlinien eines zu übertragenden Signalanteils.

Wie F i g. 1 wiedergibt, bildet eine Addierstufe A die Differenz zwischen den Bezugspunkten eines zu übertragenden Signals S_n in bezug auf die Zeit der entsprechenden Bezugspunkte des vorausgesagten Signals S_n, wobei der Ausgang dieser Addierstufe den Voraussagefehler e_n liefert CO ist ein besonderer Wandler mit einer Übertragungskennlinie gemäß F i g. 3, in der die Abszisse den Wert des Voraussagefehlers e„ und die Ordinate den Wert des codierten Signals I_n wiedergeben und worin q„ die sich aufbauende Quantisierungsstufe als Kennlinien-Parameter bedeuten.

Diese Kennlinie gemäß Fig.3 ist die graphische Darstellung der folgenden analytischen Funktion:

/„ = 0 mre„<- V_M+q„

I_n - Int {(e_n- q„l2 + V_KI)lq_n) für - V_H+ q„^e„^ K₁, (I), / =·)->»' fiire„>K_w

worin Vm durch die Beziehung Vm = ql"¹· gegeben ist, /?*, die Anzahl der für die Codierung bestimmten Binärziffern — im Ausführungsbeispiel 4 Binärziffern — und »Int« die Annäherung an die nächste ganze Zahl unterhalb des Klammerausdruckes bedeuten.

Aus diesen Gleichungen wird ersichtlich, daß die Kennlinie des Codierers CO nach Vorgabe des Wertes 734 sich verändert, sofern sich q„ verändert.

In F i g. 1 ist mit DE ein besonderer Decodierer angedeutet, der eine in bezug auf den Codierer CO komplementäre Kennlinie aufweist und eine in bezug auf die zuvor durch den Codierer CO codierten Signale im wesentlichen inverse Operation ausführt und am Ausgang ein Signal ö_n entstehen läßt, welches mit dem Voraussagefehler e„ koinzidiert ist, sich hiervon jedoch lediglich durch den Quantisierungsfehler unterscheidet.

Diese Operation läßt sich analytisch durch die Gleichung

O_n = I_n(I_n - ^VM⁺

(Π)

darstellen, wobei den Werten q„ und Vm die zuvor erläuterten Bedeutungen zukommen.

In F i g. 1 ist weiterhin eine normale Addierstufe B vorgesehen, welche ein im nachfolgenden als Voraussagesignal bezeichnetes Signal r„ abgibt, das sich aus dem Signal O_n und den Bezugspunkten des Signals S_n zusammensetzt.

Mit FP ist ein Voraussagefilter bezeichnet, das auf Grund des Wertes des die Addierstufe B verlassenden Signals r„ die Bezugspunkte des Signals S_n aussiebt, wobei S_n dem vorausgesagten Wert von S_n entspricht und sich nach der Formel

l- 1

(III)

berechnet, worin N die Anzahl der in Betracht gezogenen Bezugspunkte von r_n bedeutet und üblicher-

weise mit dem »Grad der Voraussagefilter« bezeichnet wird; «; sind auf Grund der sich ergebenden Korrelationsfunktionen abzuschätzende Koeffizienten, und r„_/ ist das Ausgangssignal der Addierstufe B bezogen auf die zuvor durchgegangenen »i« Bezugspunktintervalle.

Mit AQ ist ein logischer Kreis bezeichnet, mit dessen Hilfe die Stufengröße für die Quantisierung auf Grund einer reellen Zeitgleichung der Signalstärke der Ausgangssignale des Decodierers DE eingestellt werden kann, wobei diese Einstellung durch die Gleichung

(IVa)

erreicht wird, worin q„ die Stufengröße und C eine auf Grund von Kurzzeitstatistiken des Voraussagefehlers gewonnene charakteristische Konstante bedeuten und wobei F_n durch die Gleichung

(IVb)

20

gegeben ist; hierin bedeuten k eine für den Kreis charakteristische Zeitkonstante und O_n das Ausgangssignal des Decodierers.

Mit 77? ist die sich anschließende Übertragungseinheit der Geberseite bezeichnet.

In Fi g. 2 ist mit R die Eingangsstufe der Empfängerseite angedeutet; mit DER ist ein Decodierer bezeichnet, der an den empfangenen Signalen die gleiche Operation ausführt wie der Decodierer DE der Geberseite. Mit diesem Decodierer DER ist ein logischer Schaltkreis AQR gekoppelt, mit dessen Hilfe die Einstellung der Stufengrößen für die Quantisierung auf Grund einer reellen Zeitgleichung der Signalstärke der Ausgangssignale des Decodierers DER vorgenommen werden kann. Dieser logische Schaltkreis AQR arbeitet in der gleichen Weise wie der logische Kreis AQ auf der Geberseite. Weiterhin ist im Blockschaltbild der F i g. 2 eine Addierstufe C vorgesehen, welche die decodierten Ausgangssignale des Decodierers DER zu den Bezugspunkten der Voraussagesignale s_n aufsummiert.

Mit FPR ist ein dem Filter FP auf der Geberseite entsprechendes Voraussagefilter bezeichnet, das auf Grund der Werte des die Addierstufe C verlassende Signal r„ die Bezugspunkte eines Signals S_n aussiebt, wobei i„ dem vorausgesagten Wert von S_n entspricht

Die Geberseite der Schaltungsanordnung arbeitet wie folgt:

Unter Ruhebedingungen hat naturgemäß das vorausgesagte Signal s, den Wert 0. Infolgedessen bleibt der erste Bezugspunkt Si des auf der Leitung 1 (Fig. 1) eintreffenden Sprechsignale durch die Differenzbildung in der Addierstufe A unverändert An der Ausgangsleitung 2 entsteht ein dem Signal si identischer Voraussagefehler ei.

Über eine Leitung 6 erhält der auf der Geberseite vorgesehene Codierer CO das den Anfangswert qo der Quantisierungs-Kennlinie kennzeichnende Signal, dessen Größe sich empirisch aus den Rauscheigenschaften des logischen Kreises AQ unter der Voraussetzung ableiten läßt, daß während der Sprechpausen die Übertragungsleitung rauschfrei ist

Beim Eintreffen des Voraussagefehlers ei bewirkt der Codierer CO an diesem Signal auf Grund des Wertes von qo die zuvor geschilderte Codierfunktion entsprechend der Formel I und gibt am Ausgang das Signal I\ ab.

Dieses Signal gelangt über eine Leitung 3 zur Übertragung und gleichzeitig über eine Leitung 4 an den Decodierer DE, aus dem der Voraussageprozeß, also der Wert S₂ gewonnen wird.

Dieser Voraussageprozeß wird nicht unmittelbar am Signal e„ ausgeführt, damit die Operationen auf der Geber- und auf der Empfängerseite gleichzeitig verrichtet werden und damit sich nicht die Summe der Quantisierungsfehler aufsummiert.

Der Decodierer DE erhält gleichzeitig über eine Leitung 5 das Signal go und gibt an seinem Ausgang das Signal ö\ entsprechend der Formel II ab. Dieses Signal wird einmal über eine Leitung 7 der Addierstufe B und zum anderen über eine Leitung 8 dem logischen Kreis Λ <? zugeführt.

In der Addierstufe B wird das Signal <5i zu dem von der Leitung 9 kommenden und unter den Ruhebedingungen den Wert 0 aufweisenden vorausgesagten Signal s\ aufaddiert. Das auf der Leitung 10 liegende Ausgangssignal λ hat demnach den gleichen Wert 0 wie das Signal Oi und gelangt zum Voraussagefilter FP, welches es entsprechend der Formel III verarbeitet, wodurch am Ausgang 11 dieses Filters das vorausgesagte Signal & gebildet wird. Dieses Signal wird von dem nachfolgenden, auf der Leitung 1 an der Addierstufe A eintreffenden Signal S₂ subtrahiert, und die dadurch gewonnene Differenz e^ wird auf Grund des Wertes von <7i verschlüsselt. Der Wert von q\ wurde in der Zwischenzeit vom logischen Kreis AQ ermittelt, der nach dem Vorliegen des Signals öi auf Grund der Gleichungen (IVa) und (IVb) eine entsprechende Umformung vorgenommen hat.

Die Empfängerseite der Schaltungsanordnung arbeitet wie folgt

Der erste über die Leitung 12 (Fig.2) eintreffende Wert /1 von bedeutsamer Signalstärke wird durch den Decodierer DER nach der Gleichung (II) decodiert. Der Decodierer erhält dabei über eine Leitung 13 das dem Wert qo entsprechende Signal zugeordnet Dieser Wert, dessen Größe stets vom logischen Schaltkreis AQR bestimmt wird, entspricht dem Wert qo, mit dem das Signal ei auf der Geberseite codiert worden ist

Ebenso entspricht die Decodierung in ihrem Ablauf der Decodierung durch den Decodierer DE auf der Geberseite. Daher erhält man in bezug auf den gleichen Bezugspunkt am Ausgang 14 des Decodierers DER ein Signal du welches dem äquivalenten Signal auf der Leitung 7 der Geberseite entspricht

Dieses Signal Oi wird über die Leitung 15 dem logischen Schaltkreis AQR zurückgeführt, wobei es entsprechend der genannten Gleichungen (IVa) und (IVb) den Nachfolgewert q\ bestimmt

Das auf der Leitung 14 liegende Signal öi wird sodann durch die Addierstufe C dem vom Filter FPR kommenden vorausgesagten Signal S_n zuaddiert welches wie auf der Geberseite den Wert 0 hat Die Addierstufe C erzeugt das Signal n, das den Wert wie <5i hat und auf einer Ausgangsleitung 16 einem Tonfrequenzwandler zugeführt wird. Eine Rückkopplungsleitung 17 führt dieses Signal an das Voraussagefilter FPR, welches auf Grund der Gleichung (III) den Wert S₂ ermittelt Das auf der Leitung 12 eintreffende Signal I₂ wird in gleicher Weise verarbeitet, mit dem Unterschied, daß nunmehr durch die stufenweise Quantisierung auf Grund des ermittelten Wertes öi der schon auf der Geberseite gegebene Wert q\ berücksichtigt werden muß.

In ihrem Aufbau entsprechen die Schaltungselemente DER, AQR, C FPR auf der Empfängerseite den

Schaltungselemnten DE, AQ, B, FPauf der Geberseite, wobei alle Operationen zum gleichen Startsignal /„ ausgeführt werden, damit zwischen den Signalen auf der Geberseite und den auf der Empfängerseite rekonstruierten Signalen — abgesehen von unterschiedlichen Quantisierungsfehlern — Übereinstimmung besteht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Übertragungssystem auf der Basis der Differential-Puls-Code-Modulation (DPCM) mit adaptiver Quantisierung, bei dem nach der Codierung ein aus der Differenz zwischen einem durch Proben der primären Nachricht gewonnenen Digitalsignal und einem auf Grund vorhergehender Signale vorausgesagten Signal bestehender Voraussagefehler übertragen wird und bei dem sender- und empfängerseitig Addierstufen, Filter, Decodierer und logische Kreise vorgesehen sind, welche die Quantisierungsstufengröße der Codierungskenngröße auf der Basis des Voraussagefehlers und nach einer für eine bewertete Mittelwertbildung charakteristischen Funktion ständig und selbsttätig ändern, dadurch gekennzeichnet, daß für die bewertete Mittelwertbildung die Signalstärke (P_n) des zu codierenden Signals auf Grund einer Abschätzung der Signalstärke (P„-i) des vorausgehenden Signals und des decodierten übertragenen Signals (δ_η) ermittelt wird nach der Gleichung P_n = (1 -2-^) P_n.,+ 2-^k<5„-', worin k eine für den Kreis charakteristische Zeitkonstante bedeutet, und daß sich der neue Wert q„ der Quantisierungsstufengröße aus dem Effektivwert der so ermittelten Signalstärke (P_n) nach der Gleichung q_n = QP_n ergibt, worin C eine auf Grund von Kurzzeitstatistiken des Voraussagefehlers gewonnene charakteristische Konstante bedeutet.

2. Übertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Quantisierungsstufengröße (q_n) durch Auswertung der Größe des Voraussagefehlers in bezug auf das unmittelbar vorhergehende decodierte Signal U_n. \) gewonnen wird.

3. Übertragungssystem nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß im geberseitigen System der Voraussagefehler (e_n) mittels einer Addierstufe (A) durch Vergleich mit einem ersten vorausgesagten Signal (S_n-1) isoliert ermittelt und durch einen Codierer (CO) mittels einsr eine erste (q_n-\) enthaltende Kenngröße codiert wird, daß das darauffolgende vorausgesagte Signal (s„) in einem Filter (FP) verarbeitet wird, wobei zuvor der Voraussagefehler fe_n>/mittels eines Decodierers (DE) an Hand der die erste Quantisierungsstufengröße (q„ _ i) enthaltenden Kenngröße decodiert und in einer Addierstufe (B) dem ersten vorausgesagten Signal (s„-\) aufaddiert wird, und daß die nachfolgende Quantisierungsstufengröße (q„) nach Decodierung des Voraussagefehlers (e_n) in einem logischen Kreis (AQ) an Hand der die erste Quantisierungsstufengröße (q_n-\) enthaltende Kenngröße aufbereitet wird.

4. Übertragungssystem nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß im empfängerseitigen System der zuerst empfangene Voraussagefehler (e_n)'m einem Decodierer (DER)an Hand einer eine erste Quantisierungsstufengröße (q_n~ ι) enthaltende Kenngröße deccdiert wird, daß die Quantisierungsgröße (q„) zum Decodieren des nachfolgenden codierten Voraussagefehlers (e_n+ 1) in einem logischen Schaltkreis (AQR) auf Grund des ersten decodierten Voraussagefehlers (ö_n) aufbereitet wird, und daß dieser erste decodierte Voraussagefehler (ö_n)\n einer Addierstufe (C)dem ersten vorausgesagten Signal (S_n) aufaddiert wird, wobei das nächstfolgende vorausgesagte Signal (s_n+i) auf Grund des

sich aus dieser Aufaddierung ergebenden Signals durch ein Filter (FPR) aufbereitet wird.

5. Übertragungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Charakteristik des Codierers (CO) eine momentane Funktion der Quantisierungsstufengröße (q_n)ist.

6. Übertragungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Charakteristik der Decodierer (DE; DER) eine momentane Funktion der Quantisierungsstufengröße (q_B)'v5t