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"Nachrichtenübertragungssytem, insbesondere zur Übertragung von Videosignalen"
Die Erfindung betrifft ein Nachrichtenübertragungssystem, insbesondere zur Übertragung
von Videosignalen, bei den die Differenz d zwischen dem Eingangssignal XE und einem
Prädiktionssignal X1 durch eine Quantisierer-Codierer-Kombination quantisiert und
digital übertragen und empfansseitig decodiert und ins ursprüngliche Signal zurückverwandelt
wird.
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Der Übertragungsgewinn eines DPCM-Verfahrens beruht auf der Elitninierung
von Redundanzanteilen eines Signales, in dem statt
der Abtastwerte
(FCM-Verfahren) nur die Differenz des zu übertragenden Abtastwertes zu einem Prädiktionswert
an den Empfänger übermittelt wird. Zur tbertraguag müssen dazu eine gleiche Anzahl
an Codeworten zur Verfügung gestellt werden, wie Differenzwerte auftreten können
(NTZ, Vol. 24, Februar 1971, Seiten 114 - 116).
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Die Anzahl der Codeworte gegenüber der Anzahl der möglichen Differenzwerte
kann verringert werden, wenn wenigstens einem Codewort mehrere Differenswerte zugeordnet
werden können und der Empfänger einen Decodierer enthält, der Liit Hilfe von Steuerinformationen,
die aus bereits vorher übertragenen Xbtastwerten gewonnen werden und daher nicht
zusätzlich übertragen zu werden brauchen, eine eindeutige Rekonstruktion des Differenzwertes
durchführen kann. Die notwendige Steuerinformation wird mit Hilfe einer Schaltlogik
ermittelt und dem Decodierer mit dem übertragenen Codewort zugeführt (DOS 2 171
085).
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Die benötigte Schaltlogik muß jedoch auf der Sende- sowie auf der
Empfangsseite vorhanden sein, um ein synchrones Arbeiten der Schaltung zu gewährleisten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein I'ciirichtenübertragungssystem
der
eingangs genannten Art anzugeben, bei dem die Anzahl der übertragbaren Differenzwerte
größer ist als die Anzahl der Codeworte. Dabei soll die benötigte Schaltlogik eingespart
werden, sodaß der sende- und empfangsseitige Aufwand wesentlich reduziert wird.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sendeseitig die
quantisierten Differenzwerte q derart digital dargestellt werden, daß positive Differenzwerte
als diesen zugehörige n-stellige Binärzahl, negative Differenzwerte als nstellige
Binärzahl des 2n-Eoeplements von von q übertragen werden, wobei gilt q = 2n-q und
daß empfangsseitig die Umwandlung der übertragenen Binär zahlen in das ursprüngliche
Signal durch eine fotlaufende Addition der übertragenen Differenzwerte zu dem vorangegangenen
Summenwert (Prädiktionswert) mittels eines Hodtilo-2-Addierers erfolgt.
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Bei diesem System wird bei einer fest vorgegebenen Anzahl an Coceworten
in vorteilhafter Weise die Anzahl der übertragbaren Differenzwerte verdoppelt. Jedes
übertragene Codewort repräsentiert zwei unterschiedliche Differenzwerte, wobei die
eindeutige Zuordnung in Sender und BRpfänger allein durch den vorangegangenen
Abtastwert
gegeben ist. Eine Steuerung zur richtigen Zuordnung der Codeworte wird dadurch eingespart.
In einem gemäß der Erfindung aufgebauten DPCM-System ist die Übertragung großer
Amplitudenspaiige des Videosignals innerhalb eines Abtastintervalls möglich, sodaß
dadurch die bekannten Störeffekte wie "Overload" und "Edge business" verringert.sind,
Als weitere Verbesserung des erfindungsgemäßen Nachrichtensystems wird vorgeschlagen,
zur Irrelevanzreduktion einen Quantisierer mit nichtlinearer Kennlinie zu verwenden,
die zum Wert 0,5 - 2n smetrisch ist.
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Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels naher erläutert.
Es zeigen: Figur 1 Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Nachrichtenübertragungssystems.
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Figur 2 prinzipielle Darstellung der Quantisierungskennlinie.
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Figur 3 Quantisierungsfehler bei der DPCM-Übertragung.
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In Figur 1 ist ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Nachrichtensystems
zur DPCM-Übertragung dargestellt. Das analoge Videosignal wird von einem Analog/Digital-Wandler
abgetastet und in ein 8-Bit-Codewort umgewandelt. Falls es erforderlich erscheint,
kann der Codewortvorrat durch' einen nachfolgenden Begrenzer 2 eingeengt werden.
Selbstverständlich kann die Einengung des Codewortvorrates auch vor dem Analog/Digital-Wandler
durch Begrenzung des analogen Videosignals durchgeführt werden.
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Anschließend erfolgt die Differenzbildung benachbarter Abtastwerte
durch ein Subtrahierglied 3, dessen Differenzwerte d vorzeichenlos einem Quantisierer
4 zugeführt werden und dessen quantisierte Ausgangswerte q zum einen einem Codewandler
7 und zum anderen einem Pradiktor, bestehend aus einem Summierglied 5 und einem
Verzögerungsglied 6, zugeführt werden. Das Verzögerungsglied 6 verzögert den rekonstruierten
Abtastwert um die Dauer eines Bildpunktabstandes, so daß er für den zeitlich nachfolgenden
Eingangswert XE als neuer Prädiktionswert 11 zur Verfügung steht. Das Verzögerungsglied
ist zwischen Ausgang und einem Eingang des Addiergliedes 5 angeschlossen und liefert
an seinem Ausgang den Prädiktionswert X1, der außerdem dem zweiten Eingang des Subtrahiergliedes
3 zugeführt wird. Quantisierer 4 und Codewandler 7 werden weiter unten näher beschrieben.
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Die Datenbits des Codewandlers 7 werden über den Ubertraguagskanal
8 dem empfangsseitigen Decodierer übertragen.
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Der empfangsseitige Decodierer besteht aus einem Codewandler 9, der
die empfangsseitig in codierter Form gesendeten Differenzwerte zurückverwandelt
und einem Prädiktor, bestehend aus dem Addierglied 10 und dem Verzögerungsglied
11.
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Das Verzögerungsglied 11 ist genauso aufgebaut wie das Verzögerungsglied
6, es verzögert also um die Dauer eines Bildpunktabstandes und liefert an seinem
Ausgang den Prädiktionswert X. an den zweiten Eingang des Addiergliedes 10, dessen
oN erstem Eingang die Differenzwerte/des Codewandlers 9 zugeführt werden. Die Ausgangswerte
des Addiergliedes 10 gelangen zum einen zum Eingang des Verzögerungsgliedes 11 und
zum anderen zu einem Digital/Analog-Wandler, vom dem sie in ein analoges Videosignal
zurückverwandelt werden.
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Die Eliminierung des redundanten Anteils eines Videosignals erfolgt
also durch Differenzbildung des zu übertragenden Abtastwertes zu einem Prädiktionswert.
Diese Differenz wird an den Empfänger übermittelt, der durch Summation der Differenzen
zum Prädiktionswert das Signal rekonstruiert. Auf der Empfangsseite muß dabei das
Vorzeichen der Differenz bekannt sein.
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Im allgemeinen wird dazu bei der tbertragung ein spezielles Bit verwendet.
Aus der Theorie der binären Zahlendarstellung ist dagegen bekannt, daß eine Subtraktion
sich durch eine Addition der komplementären Zahl ersetzen läßt. Dabei wird eine
Komplementierung ebenfalls durch ein Vorzeichenbit angezeigt. Bei Vernachlässigung
dieses Vorzeichens wird die eindeutige Erkennbarkeit der binären Zahl zu einem positiven
oder komplementierten negativen Wert aufgehoben.
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Erfindungsgemäß wird hier die eindeutige Rekonstruktion durhc vorliegenden
den im Coder und Decoder/Prädiktionswert erreicht. Eine Vorzeichenkennung wird damit
überflüssig und das zugehörige Bit kann zur Codierung weiterer Differenzwerte verwendet
werden.
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Die Betrachtung eines allgemeinen Beispiels möge dies näher erläutern.
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Ein Videosignal kann Werte zwischen Null und einem Maximalwert, dem
im allgemeinen die größte Helligkeit zugeordnet ist, annehmen. Ein in 2n-Stufen
quantisiertes Videosignal, wobei n die Bitzahl je Abtastwert bedeutet, kann jede
Größe zwischen O und 2a-1 annehmen. Als Differenzen sind daher alle Werte zwischen
Null und + 2n-1 möglich. Für einen Prädiktionswert xl
der ja nur
zwischen den Werten Null und 2n-1 liegen kann, sind dagegen von den 2 # 2n theoretisch
möglichen Differenzwerten nur 2n sinnvoll. Dies sind die positiven Differenzwerte
Null bis 2n-1-X1 und die negativen Differenzwerte -1 bis -X1.
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Während ein positiver Differenzwert d durch die zugehörige Binärzahl
dargestellt wird, wird erfindungsgemäß ein negativer Differenzwert durch das 2n-Komplement
d dargestellt. Hierbei gilt d = 2n-d. Durch dieses Verfahren lassen sich die negativen
Differenzwerte -1 bis -X1 durch die Binärzahlen 2-1 bis 22-x1 darstellen.
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Da die positiven Differenzwerte durch die Binärzahlen Null bis 2n-1-X1
dargestellt werden, sind für einen beliebigen Prädiktnonswert somit alle möglichen
Differenzwerte durch die Binärzahlen Null bis 2n-1 gegeben.
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In diesem Ausführungsbeispiel erfolgt die Verarbeitung der Signale
in den Schaltungseinheiten 3 bis 6 mit 8 Bit. Der Codewandler 7 setzt die 8-stelligen
Binär zahlen auf 5-3it Coäeworte um.
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Der Subtrahierstufe 3 werden das 8 Bit Eingangssignal XE sowie der
Prädiktionswert X1 - ebenfalls in 8 Bit Darstellung -zugeführt. Das Differenzsignal
d besteht normalerweise aus 9 Bit, nämlich aus 8 Bit und einem Vorzeichenbit, wobei
negative Werte durch das 2n-Komplement dargestellt sind. Durch Vernachlässigung
des Vorzeichens wird jedoch hier die eindeutige Erkennbarkeit der Differenz d zu
einem positiven oder negativen Wert aufgehoben, also jeweils ein positiver und ein
negativer Wert durch nur eine Dualzahl dargestellt.
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Tabelle 1 gibt die doppeldeutigen Differenzwerte d am Ausgang der
Su7otrahiarstufe 3 mit der jeweils zugehörigen Binärzahl des Differenzwertes an.
Die eindeutige Wiedererkennbarkeit ist dabei durch den Prädiktionswert gegeben,
da bei einem vorgegebenen Aussteurbereich des Eingangssignals XE mit 0 # XE # 255
der Differenzwert +2 nur für die Prädiktionswerte 0 # XE # 253, dagegen der Differenzwert
-254 nur für die Prädiktionswerte 254 oder 255 auftreten kann.
| Binärzahl der |
| d Diffrenzwerte d |
| (n = 8) |
| +2n -1 LLLLLLLL -1 |
| +2n -2 LLLLLLLO -2 |
| +2n -3 LLLLLLOL -3 |
| " |
| # " # |
| " |
| " |
| +3 OOOOOOLL -253 = -2n -3 |
| +2 OOOOOOLO -254 = -2n -2 |
| +1 OOOOOOOL -255 = -2n -1 |
| 0 OOOOOOOO -256 = -2n |
Tabelle 1
Am Eingang des Quantisierers 4 stehen also bereits doppeldeutige
Binärwerte an, derart, daß alle möglichen Differenzwerte durch die Dualzahlen von
Null bis 255 repräsentiert werden. Der Quantisierer 4 braucht daher nur für diese
Werte ausgelegt zu werden, da sie auf Grund der Doppeldeutigkeit ebenfalls die negativen
Differenzwerte enthalten. Aufgabe des Quantisierers ist die Zusammenfassung mehrerer
Eingangswerte d zu jeweils einem Ausgangswert q, beispielsweise gemäß Tabelle 2
(Irrelevanzreduktion). Eingangswerte d sowie Ausgangswerte q weisen dabei noch 8
Bit auf.
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9 q q + 0 + 59 + 205 + 2 + 71 + 213 5 5 + 87 + 221 + 9 + 103 + 229
+ 13 + 119 + 235 + 17 - + 137 + 239 + 21 + 153 + 243 + 27 + 169 + 247 + 35 + 185
+ 251 + 43 + 197 + 254 + 51 Tabelle 2
Aufgabe des Codewandlers
7 ist die Umcodierung seiner 8 Bit Eingangswerte q in 5 Bit ausgangswerte y1 beispielsweise
gemäß Tabelle 3. Der Codewandler 9 führt empfangsseitig die inverse Operation durch.
Das Signal LLLLL wird hier zur Synchronisation des Empfängers verwendet.
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Eingangswert q Differenzwerte Ausgangswert y O O O O O O L O -254;
+2 L L L L 0 O O O O O L O L -251; +5 L L L O L ' -247; +9 L L L O O ' -243; +13
L L O L L -239; +17 L L 0 L 0 -235; +21 L L O O L -229; +27 L L O O O -221; +35
L O L L L -213; +43 L 0 L L 0 -205; +51 L 0 L 0 L -197; +59 L 0 L O 0 -185; +71
L O O L L -169; +87 L O O L O -153; +103 L O O O L -137; +119 L O 0 0 0 -119; +137
O L L L L -103; +153 O L L L O - 87; +169 0 L L O L -71; +185 O L L O O - 56; +197
0 L 0 OLL -51; +205 O L O L O - 43; +213 O L O O L - 35; +221 0 L 0 0 0 - - 27;
+225 O O L L L -21; +235 O O L L O - 17; +239 0 O L O L ' - - 13; +243 0 O L O 0
* - 9; +247 0 0 O L L L L L L L O L L - 5; +251 O O O L O L L L L L L L O - 2; +254
O O O O L 0 0 0 0 0 O O O 0; O O O 0 0 Synchronisation : L L L L L Tabelle 3
Durch
diese erfindungsgemäße Codierung negativer Differenzwerte ist auf der Empfängerseite
nur noch eine Addition notwendig. Ein positiver Differenzwert zwischen Null und
2n-1-g zum Prädiktionswert X1 addiert, ergibt einen neuen Wert I1 der zwischen dem
ursprünglichen Wert X1' und 2n-1 liegt. Für negative Differenzwerte zwischen 2n-X1'
und 2n-1 erhält man aber jetzt Werte x10, die zwischen 2n und 2nS + X1 liegen.
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Hierbei bedeutet 2n aber nur ein Uberlauf eines Modulo-n-Addierers,
denn ein Überlauf eines Modulo-n-Addierers ist gleichbedeutend mit einer Subtraktion
von 22. Dadurch ergeben Die Umwandlung der über den Kanal 8 (Figur 1) übertragenen
Codeworte y in das ursprüngliche Signal erfolgt also nach Rückwandlung der Codeworte
y in Differenzwerte qu durch Codewandler 9 durch eine fortlaufende Addition der
übertragenen Differenzwerte q' zu dem vorangegangenen Summenwert (Prädiktionswert
X1) mittels eines Modulo-n-Addierers 10.
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Sämtliche in Figur 1 dargestellten Schaltungseinheiten 2 - 11 arbeiten
digital. Die hierzu erforderlichen Steuerleitungen wurden aus Gründen der tSbersicht
hier nicht mit eingezeichnet.
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Zur weiteren Verbesserung der Erfindung hat der Quantisierer 4 eine
nichtlineare Kennlinie, die zum Wert 0,5 # 2n symmetrisch ist. Dies soll im folgenden
näher erläutert werden.
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Das Videosignal der Kamera wird mit Hilfe des Analog/Digital-Wandlers
1 in 8 Bit quantisiert. Das am Ausgang des Subtrahiergliedes 3 entstehende Differenzsignal
d kann dadurch nur 256 unterschiedliche Werte aufnehmen, die aufgrund ihrer Doppeldeutigkeit
aber alle möglichen Differenzen zwischen Null und + 255 repräsentieren. Im nachfolgenden
Quantisierer 4 werden die Differenzwerte einer weiteren Irrelevanzreduktion unterworfen
(Nachrichtentechnische Fachberichte, Vol. *0, 1971, S¢46 - 55) und die Anzahl der
doppeldeutigen Differenzwerte
auf 31 begrenzt. Der Codewandler
7 ordnet den einzelnen Ausgangszuständen des Quantisierers 4 Codeworte y; von je
fünf (abelle 3) Bit zu / . Die ungerade Anzahl der Codeworte ergibt sich durch Verwendung
einer Quantisierungsstufe für den Differenzwert Null. Das verbleibende zweiunddreißigste
Codewort wird in vorteilhafter Weise zur Übertragung von Synchronisationssignalen
verwendet.
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Durch die Doppeldeutigkeit einer jeden Binärstufe ist für die Auswahl
der Quantisierungskennlinie des Quantisierers 4 bereits eine erste Festlegung getroffen.
Eine Zusammenfassung mehrerer Differenzwerte zu einem Repräsentationswert, zum Beispiel
der Werte +2 und +3 in Tabelle 1, bedingt bei einer zum Differenzwert Null symmetrischen
Kennlinie ebenfalls die Zusammenfassung der entsprechenden negativen Dlfferenzwerte
-2 und -3. Aufgrund der Zweideutigkeit werden damit erfindungsgemaß die Werte +2n-2
und +2n,3 sowie 2n2 2 und -2n-3 ebenfalls zusammengefaßt. Große Differenzwerte werden
auf diese Weise mit der gleichen Genauigkeit wiedergegeben wie kleine Differenzen,
und die gesamte Quantisierungskennlinie ist erfindungsgemäß symmetrisch zum Wert
0,5 . 22.
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In Figur 2 ist der prinzipielle Aufbau der gesamten tuantisierungskennlinie
dargestellt. Tabelle 2 gibt die verwendeten Zahlenwerte an.
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Die Eingangswerte d des Quantisierers sind die binären Zahlenwerte
Null bis 255. Diese repräsentieren aber alle Differenzwerte zwischen -255 und +
255.
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Da sich die Doppeldeutigkeit dieser Eingangswerte zeichnerisch schlecht
darstellen läßt, ist in Figur 2 eine vollständige Kennlinie für Eingangswerte von
-255 bis + 255 dargestellt. Damit verdoppelt sich die Zahl der gezeichneten Ausgangswerte
q ebenfalls, wobei allerdings jeweils zwei Ausgangswerte einem gemeinsamen Codewort
entsprechen. Gleiche Buchstaben (A bis E) an der Achse der Ausgangswerte q bedeuten
gleiche Codeworte.
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Es sei nochmals darauf hingewiesen, daß Figur 2 nur eine prinzipielle
Darstellung ist, eine vollständige Kennlinie muß natürlich 61 Ausgangswerte q aufweisen
(30 doppeldeutige Differenzwerte plus Null).
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Aus dieser Kennlinie für Eingangnswerte zwischen -255 und +255 wird
für jeden Prädiktionswert nur der Teil ausgewählt, in dem
auch
Differenzwerte realistisch sind. Dies sollen in Fig. 2 die Prädiktionswerte x1 bis
X3 andeuten. Der angegebene Be-3 reich zu den einzelnen Prädiktionswerten zeigt
ebenfalls, daß damit alle Ausgangswerte q eindeutig sind. Beispielsweise kann für
den Bereich von x1 nur der Ausgangswert A der positiven q-Achse auftreten, nicht
aber derjenige der negativen q-Achse.
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Diese Auswahl aus der gesamten Kennlinie in Abhängigkeit vom Prädiktionswert
kann aber -auch als eine Auswahl von verschiedenen Teilkennlinien angesehen werden.
Entsprechend der gewählten Anzahl von 61 Ausgangszuständen der gesamten Kennlinie
von -255 bis + 255 und bei Verwendung von jeweils 31 möglichen Busgangswerten für
einen Prädiktionswert können somit je nach Prädiktionswert 31 unterschiedliche Teilkennlinien
erfaßt werden.
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Tabelle 4 zeigt ein Ubertragungsbeispiel für zwei verschiedene Differenzsignale
d, die im 1.Fall ohne Quantisierungsfehler, im 2.Fall mit Quantisierungsfehler übertragen
werden.
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Übertragungsbeispiel 1) Ohne Quantisierungsfehler durch Quantisierer
4 Signal Wert Binärzahl XE 27 O O O L L O L L X1 32 0 O L O 0 0 0 0 d -5 # L L L
L L O L L q -5 L L L L L O L L y O O O L O q' -5 L L L L L O L L X1' 27 # O O O
L L O L L 2) Mit Quantisierungsfehler durch Quantisierer 4 Signal Wert Binärzahl
XE 32 O O L O O O O O X1 28 O O O L L L O O d +4 # O O O O O L O O q +5 O O O O
O L O L y L L L O L q' +5 O O O O O L O L X1' 33 # O O L O O O O L Tabelle 4
Eine
Zusammenfassung mehrerer Eingangswerte d im Quantisierer zu einem Ausgangswert q
verursacht einen weiteren Quantisierungs fehler (d-q), der in die Summation zur
Bestimmung des neuen Prädiktionswertes I1 auf der Codier- und Decodierseite einhergeht.
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Durch die Addition eines quantisierten Differenzwertes q ist eine
Überschreitung des vorgegebenen Aussteuerbereiches um den maximalen Quantisierungsfehler
möglich. Zur Übertragung des nachfolgenden Abtastwertes kann damit ein Differenzwert
außerhalb des vorgegebenen Bereiches von + 255 auftreten, der mit der verwendeten
Kennlinie nicht erfaßt wird und eine verfälschte Wiedergabe des übertragenen Abtastwertes
hervorruft.
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Um diesen Fehler zu vermeiden, ist es von Vorteil, eine Begrenzung
des Eingangssignals XE an beiden Aussteuergrenzen vorzusehen. Beim Auftreten des
maximalen Quantisierungsfehlers wird dadurch das Auftreten eines Prädiktionswertes
ausserhalb des Signalbereiches vermieden. Der maximale Quantisierungsfehler beträgt
bei der gewählten Kennlinie + 8/256.
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Damit wird der Aussteuerbereich an den Grenzen um jeweils ca.
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3% verkleinert. Für den Betrachter tritt diese Herabsetzung der Gesamtstufenzahl
subjektiv nicht in Erscheinung.