DE2428574C3 - Verfahren und Vorrichtung zur Fehlerbeseitigung bei der Übertragung oder, Speicherung digitalisierter Analogsignale - Google Patents

Description

Bei der Übertragung und/oder Speicherung von Digitalsignalen muß man mit Auftreten von Fehlern rechnen. Bei den gebräuchlichen System wird ein erheblicher technischer Aufwand dafür verwendet, einerseits die Fehlerrate möglichst gering zu halten und andererseits fehlerhafte Stellen durch komplizierte Vorrichtungen zu korrigieren. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß bei digitalisierten Analogsignalen, die im allgemeinen eine hohe Redundanz aufweisen, ein derartiger Aufwand nicht notwendig ist, sondern die auftretenden Fehler durch ein verhältnismäßig einfaches Verfahren erkannt und beseitigt werden können. Es kommt lediglich darauf an, auftretende Fehler zu erkennen und zu markieren und deren Ausgabe zu sperren, dabei aber die zeitliche Zuordnung der Signale, die ja für den Verlauf des Analogsignals wesentlich ist, zu wahren.

Die Erfindung hat sich daher zur Aufgabe gestellt, ein Verfahren zur Übertragung und/oder Speicherung digitalisierter Analogsignale zu entwickeln, bei dem stark gestörte Übertragungswege oder einfache und daher preisgünstige Geräte und Speichermedien z. B. Heim-Tonbandgeräte und -Tonbänder verwendet werden können, die gegenüber den bisher verwendeten Geräten und Magnetbändern eine verhältnismäßig hohe Fehlerrate aufweisen, sei es durch Drop-Out, Magnetbandverunreinigung, Bandflattern usw.

Die Lösung der Aufgabe beruht auf der Tatsache, daß stetig verlaufende Analogsignale eine so hohe Redundanz aufweisen, daß einzelne kleine Lücken im Signalveriauf den Informationsgehalt des Gesamtsignals nicht wesentlich beeinträchtigen.

Erfindungsgemäß werden bei der Übertragung und/oder Speicherung digitalisierter Analogsignale mil hoher Redundanz über gestörte Übertragungswege und/oder in einfachen Speichermedien z. B. Magnetbän dem die digitalisierten Signale seriell geordnet unc Adressenbits zugefügt, welche die zeitliche Zuordnung der einzelnen Digitalworte kennzeichnen und dieser zusätzliche Informationen beigefügt, die bei auftreten den Fehlern die fehlerhaften Digitalworte markierer und deren Ausgabe sperren, bis das nächste fehlerfrei! Digitalwort erscheint, dessen zeitliche Zuordnung durcl die beigefügten Adressenbits bestimmt ist.

Bei einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfah rens wird zwischen den einzelnen Digitalwörtern, dii aus einer Anzahl Datenbits und zugefügten Adressen bits bestehen, eine Pause von mindestens einem Bi erzeugt, und die Digitalwörter einem zweikanaligei Speichermedium derart zugeführt, daß ein Kanal da Digitalwort und der andere dessen Komplementärer erhält und zur Wiedergabe das Digitalwort nach eine

"erienparallelumwandlung wortweise getaktet einem Lesespeicher zugeführt wird, und gleichzeitig eine Prüfschaltung vorgesehen ist, welche die durch Addition entstandene Impulsfolge aus dem Digitalwort und .«einem Komplementärwert überwacht und bei auftretenden Lücken die Taktung unterbricht und einen Hilfstaktgeber einschaltet, der einerseits das betreffende Digitalwort im Lesespeicher als fehlerhaft markiert und zur Ausgabe sperrt und andererseits die weitere Taktung übernimmt, bis das nächste fehlerfreie Digitalwort erscheint

Eine beispielsweise Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist im Blockschaltbild nach F i g. 1 dargestellt. Für die Datenaufbereitung und -aufzeichnung ist ein AD-Wandler 1 mit nachfolgendem Parallel-Serienumwandler 2 vorgesehen, wobei der Parallel-Serienumwandler 2 sowohl die vom AD-Wandler gelieferten Datenbits aJs auch über den Steuerteil 3 und den Hilfsadreßzähler 4 vier zusätzliche Adressenbits erhält und der Parallel-Serienumwandler 2 an seinem Ausgang 5 das komplette, aus Daten- und Adreßteil bestehende Wort serielle und ohne Gleichspannungsanteil liefert und am Ausgang 6 den komplementären Wert des Wortes vom Ausgang 5 liefert und beide an ein zweispuriges (Stereo) Magnethandgerät 7 übergibt, und für die Wiedergabe der aufgezeichneten Daten Impulsformer 8, 9 angeschlossen sind, die die vom Magnetbandgerät gelieferten Signale in digital verarbeitbare Pulse umwandeln und einer ODER-Schaltung 10 übergeben, und an die Vorrichtung 8 ein Schieberegister 11 zur Serien-Parallelumwandlung angeschlossen ist, an dessen Ausgängen sowohl die Datenbits 12 als auch die vier Hilfsadressenbits 13 anstehen, wobei die Datenbits dem Lesespeicher 16 zugeführt werden, und eine Schaltung 14 zur Taktüberwachung vorgesehen ist, die die von der ODER-Schaltung 10 kommenden Impulsfolgen überwacht und umformt, und bei fehlerfreien Wörtern über die Leitung 15 den Takt für den Lesespeicher 16 liefert. Im Falle eines auftretenden Wortfehlers werden über die Leitung 17 mittels des Hilfstaktgebers 18 zwei Signale erzeugt, wobei das eine über die Leitung 20 die Taktung des Lesespeichers 16 fortsetzt und das andere über die Leitung 19 im Lesespeicher 16 die Adressen mit fehlerhaften Wörtern markiert.

Der eingegebene analoge Signalverlauf wird in der Regel als eine stetige Funktion der Zeit vorliegen. Die folgende Beschreibung der Funktion des Ausführungsbeispiels bezieht sich auf solche zeitabhängigen Signale. Selbstverständlich gilt das Gesagte entsprechend, wenn die Abhängigkeit des Signals von einer anderen physikalischen Größe als der Zeit gegeben ist.

Die Digitalisierung und Speicherung des zu verarbeitenden analogen, zeitabhängigen Signals geschieht in bestimmten genau definierten Zeitabschnitten. Die Adressierung wird sequentiell vorgenommen, d. h. die Abspeicherung der Digitalwerte erfolgt in der Reihenfolge ihres Auftretens. In F i g. 2 sind die eingespeicherten Digitalwerte in Abhängigkeit von der Speicheradresse schematisch dargestellt. Als Abszisse ist der Wert der gespeicherten Digitalzahl aufgetragen.

Bei der Wiedergabe der gespeicherten Digitalwerte werden diese in der ursprünglichen Reihenfolge vom Magnetband abgerufen und stehen für die weitere Verarbeitung zur Verfugung. Sie können z. B. auf einem Plotter als Funktion der Speicheradresse in Form einer analogen Kurve wieder dargestellt werden (siehe Dunktierte Kurve in F i g. 2).

Es kann sein, daß die Aufzeichnung an einigen Stellen wegen des verwendeten einfachen Aufzeichnungsverfahrens gestört ist (Drop-outs, Magnetkopfverunreinigung, Bandflattern usw.). Treten solche Fehler auf, so werden die verstümmelten Digitalworte bei der Wiedergabe erkannt und für die Weiterverarbeitung gesperrt Durch eine besondere später beschriebene Codierung ist es möglich, die dem nächsten ungestörten Digitalwort zugehörige Speicheradresse zu rekonstruieren. Dadurch wird verhindert, daß der zeitliche Ablauf verzerrt wird, denn die einzelnen Adressen repräsentieren ja bestimmte Zeitpunkte des kontinuierlich ablaufenden Signals. In Fig.3 ist die Wirkung einer fehlerhaften Stelle (Ausfall von zwei Worten) zur besseren Verdeutlichung stark vergrößert herausgezeichnet Bei einer Darstellung in normalem Maßstab wäre die fehlerhafte Stelle praktisch unsichtbar (vergleiche hierzu auch die Originalschriebe in F i g. 4).

Die zu erwartende Fehlerhäufigkeit wurde in längeren Versuchsreihen ermittelt. Unter anderem wurde eine Aufzeichnung mit einem Umfang von 66 000 Digitalworten untersucht. Darin stellten sich 50 Worte als fehlerhaft heraus. Das entspricht einer durchschnittlichen Fehlerhäufigkeit von 7,5 · IO-⁴.

Der grundsätzliche Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in F i g. 1 beschrieben. Der links von der gestrichelten Linie gezeichnete Teil zeigt die Datenaufbereitung und -aufzeichnung, während der rechts dargestellte Teil die Wiedergabe der Daten, die Fehlererkennung und die Datenausgabe zeigt.

Zur Aufbereitung der anfallenden analogen Meßsignale wird ein schneller Analog/Digital-Wandler 1 verwendet. Die digitalisierten Analogwerte werden in der zeitlichen Reihenfolge ihres Auftretens weiterverarbeitet. Sie können zur Zeittransformation z. ß. in einem MOS-Schieberegister zwischengespeichert werden. Bei dem Ausführungsbeispiel haben die einzelnen Digitalworte ein Format von 10 Datenbits.

Für die folgende Magnetbandaufzeichnung der gespeicherten Daten muß die zeitliche Zuordnung der einzelnen Digitalworte genau festgelegt sein. Dazu wäre es erforderlich, daß neben dem Datenwort auch die Adresse, die ja die zeitliche Zuordnung beinhaltet, aufgezeichnet wird. Die praktische Erfahrung mit dieser Aufzeichnungsart hat gezeigt, daß es nicht notwendig ist, die komplette Adresseninformation zu registrieren, da die beobachteten Aufzeichnungsfehler sehr selten sind. Es wurde deswegen festgelegt, daß als Adressenanteil nur eine Hilfsadresse, die aus den vier am wenigsten bewerteten Adressenbits besteht, mitregistriert wird. Diese wird in einem Hilfsadreßzähler 4, der durch den Steuerteil 3 getaktet wird, erzeugt. Da größere Fehlerhäufungen praktisch nicht vorkommen, ist diese reduzierte Adresseninformation voll ausreichend, um bei fehlerhaften Stellen der Aufzeichnung die genaue zeitliche Zuordnung der Datenworte wieder herstellen zu können.

Vor der Aufzeichnung werden die parallel anfallenden Digitalworte in einem Parallel-Serienumwandler 2 seriell geordnet, um eine Aufnahme auf das Tonband 7 zu ermöglichen. Damit aus der gegebenen Information bei der späteren Wiedergabe neben dem Inhalt der aufgezeichneten Worte auch die serielle Taktung rekonstruiert werden kann, wird außer dem direkten digitalen Signal über die Leitung 5 auch sein komplementärer Wert über die Leitung 6 aufgezeichnet (siehe Fig.5, a und b). Werden die Inhalte beider Spuren später in einer ODER-Schaltung 10 addiert, so

erhält man eine fortlaufende ununterbrochene Reihe von 14 L-Bits (Fig.5i). Weist die Bitfolge Lücken auf, wird das vorliegende Wort in der Schaltung zur Taktüberwachung 14 als fehlerhaft erkannt.

Wegen des veränderlichen Gleichspannungsanteils der digitalen Signale ist es nicht möglich, die Aufzeichnung der in Fig.5a und 5b gezeigten Signalform auf einem für Tontechnik konstruierten Tonbandgerät vorzunehmen. Die Signale werden deshalb, wie in Fig.5c und 5d angegeben, umgeformt. Durch ein Differenzierglied im Paiallel-Serien-Umwandler 2 wird der Gleichspannungsanteil der Signale beseitigt. Ein anschließendes Tiefpaßglied schwächt die Steilheit der Impulsflanken ab, die sonst unerwünschtes Übersprechen zwischen den beiden Stereokanälen des Tonbandgerätes verursachen würden.

Die vom Magnetbandgerät 7 kommenden digitalen Impulse weisen selbstverständlich nicht die für die Verarbeitung in TTL-Systemen notwendige Form auf (F i g. 5e und 5f) und müssen entsprechend aufbereitet werden. Sie werden daher zunächst für beide Spuren getrennt den Impulsformern 8 und 9, die jeweils aus einer Komparatorschaltung mit anschließendem Schmitt-Trigger bestehen, zugeführt. Die Impulsformer 8 und 9 liefern digital weiterverarbettbare Ausgangsimpulse (Fig.5g und 5h). Danach erfolgt in der ODER-Schaltung 10 eine Summenbildung dieser Signale (F i g. 5i), die unter anderem für die Taktung des Schieberegisters 11 zur Serien-Parallel-Umwandlung verwendet wird. ,₀

Die gespeicherte Information steht jetzt zur weiteren parallelen Verarbeitung an den Leitungen 12 bereit. Die Schaltung zur Taktüberwachung 14 liefert für jedes als fehlerfrei erkannte Wort über die Leitung 15 einen Taktimpuls an den Lesespeicher 16. Bei fehlerhaften _3S Wörtern fällt dieser Takt aus. In diesem Fall wird über die Leitung 17 eine Schaltung zur Hilfstakt-Erzeugung 18 angesteuert, die über die Leitung 20 den Lesespeicher 16 um soviel Adressen weiterschaltet, wie fehlerhafte Wörter vorhanden sind. Dieser Vorgang wird von der _i(0 — dem Datenwort beigegebenen — Hilfsadresse 13 gesteuert und bewirkt eine zwangsweise Synchronisierung mit dem sequentiellen Adressenablauf des Lesespeichers 16. Gleichzeitig wird im Lesespeicher das Fehlermarkierungssignal über die Leitung 19 abgespeichert und kennzeichnet die Adressen mit fehlerhaften Wörtern.

Da jede Hilfsadresse aus Vereinfachungsgründen lediglich vier Bits enthält, ist eine Rekonstruktion fehlender Adressen nur dann möglich, wenn weniger als 16 fehlerhafte Wörter hintereinander auftreten. Die praktische Erfahrung zeigt, daß diese Vereinfachung gerechtfertigt ist.

Der Lesespeicher 16 besteht aus einem Schieberegister in dem z.B. 2048 Worte zu je elf Bit parallel abgespeichert werden können. Die Adressierung erfolgt einem Schieberegister entsprechend sequentiell.

Die im Lesespeicher 16 abgespeicherten Digitalwörter stehen für eine beliebige weitere Verarbeitung zur Verfügung. Soll eine Wiedergabe des ursprünglich analogen Signals als analoge Kurve erfolgen, so kann ein Plotter angeschlossen werden. Die X-Ablenkung kann dann von einem Adreßzähler des sequentiell adressierten Lesespeichers 16 erfolgen; die abgespeicherten Datenwörter liefern die Y-Ablenkung. Das mitgespeicherte Fehlermarkierungssignal hat dabei die Aufgabe, den Plotter an fehlerhaften Stellen anzuhalten und erst mit neuer von einem fehlerfreien Wort besetzten Adresse zu starten.

Anstelle eines Plotters kann auch ein X-Y-Schreiber verwendet werden, wenn entsprechende Digital/Analog-Wandler für Adressen und Daten eingesetzt werden.

Ein Beispiel praktischer Fehlerbeseitigung ist in Fig.4 dargestellt. Hierbei wurden einem fehlerfrei aufgenommenen Signal (Fig.4a) künstliche Fehler zugesetzt. In Fig.4c ist der Verlauf des mit Fehlern behafteten unkorrigierten Signals zu sehen. Fig.4b zeigt dasselbe fehlerbehaftete Signal nach Fehlerkorrektur mit dem hier beschriebenen Verfahren.

Wie man sieht, arbeitet die eingebaute Fehlerkorrektur sehr wirkungsvoll, zumal die künstlichen Fehler aus Gründen einer deutlicheren Darstellung in unverhältnis mäßig großer Zahl erzeugt wurden. Die Aufzeichnung Fig.4c enthält auf die fünf Fehlerstellen verteil insgesamt 17 fehlerhafte Wörter.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   .1. Verfahren zur Fehlerbeseitigung (Fehlerunterdrückung) bei der Übertragung und/oder Wiedergabe gespeicherter, digitalisierter Analogsignale mit hoher Redundanz über gestörte (Störeinflüssen ausgesetzte) Übertragungsleitungen und/oder von einfachen Speichermedien, z. B. Magnetbänder, dadurch gekennzeichnet, daß den digitalisierten Analogsignalen Adressenbits hinzugefügt >o werden, welche die zeitliche Zuordnung der einzelnen Digitalwörter festlegen, daß nach einer seriellen Umsetzung dieser Information eine L'mcodierung in eine übliche Darstellungsart, die eine Fehlererkennung zuläßt, anschließt und daß eine solche auf den Übertragungsweg gegebene bzw. gespeicherte Information bei der Auswertung/ Wiedergabe, bei auftretenden Fehlern, die fehlerhaften Digitalworte markiert und ihre Ausgabe gesperrt wird, bis das nächste fehlerfreie Digitalwort erscheint, dessen zeitliche Zuordnung durch die hinzugefügte Adresse erhalten bleibt.
2. 2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den einzelnen Digitalwörtern, die aus einer Anzahl Datenbits und zugefügten Adressenbits bestehen, eine Zwischenpause von mindestens einem Bit erzeugt wird und diese zweikanäligen Speichermedien derart zugeführt werden, daß ein Kanal das Digitalwort und. der andere dessen Komplementärwert erhält und zur Wiedergabe das Digitalwort nach einer Serien-Parallelumwandlung wortweise getaktet einem Lesespeicher zugeführt wird und gleichzeitig eine Prüfschaltung vorgesehen ist, welche die durch Addition entstandene Impulsfolge aus dem Digitalwort und seinem Komplementärwert überwacht und bei auftretenden Lücken die Taktung unterbricht und einen Hilfstaktgeber einschaltet, der einerseits das betreffende Digitalwort im Lesespeicher als fehlerhaft markiert und zur Ausgabe sperrt und andererseits die Weitertaktung übernimmt, bis das nächste fehlerfreie Digitalwort erscheint.
3. 3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Datenaufbereitung und -aufzeichnung ein A/D-Wandler (1) mit nachfolgendem Parallel-Serienumwandler (2) vorgesehen ist, wobei der Parallel-Serienumwandler (2) sowohl die vom A/D-Wandler gelieferten Datenbits als auch über den Steuerteil (3) und den Hilfsadressenzähler (4) vier zusätzliche Adressenbits erhält, und daß der Parallel-Serienumwandlfcr (2) an seinem Ausgang (5) das komplette, aus Daten- und Adreßteil bestehende Wort, seriell und ohne Gleichspannungsanteil liefert und am Ausgang (6) den komplementären Wert des Wortes vom Ausgang (5) liefert und beide an ein zweispuriges (Stereo) Magnetbandgerät (7) übergibt, und daß für die Wiedergabe der aufgezeichneten Daten Impulsformer (8, 9) angeschlossen sind, die die vom Magnetband gelieferten Signale in digital verarbeitbare Pulse umwandeln und einer ODER-Schaltung (10) übergeben, und daß an die Vorrichtung (8) ein Schieberegister (11) zur Serien-Parallelumwandlung angeschlossen ist, an dessen Ausgängen sowohl die Datenbits (12) als auch die vier Hilfsadressenbits (13) anstehen, wobei die Datenbits dem Lesespeicher (16) zugeführt werden, und daß eine Schaltung (14) zur Taktüberwachung vorgesehen ist, die die von der ODER-Schaltung (10) kommenden Impulsfolgen überwacht und umformt, und bei fehlerfreien Wörtern über die Leitung (15) den Takt für den Lesespeicher (16) liefert und eine unvollständige Taktfolge über die Leitung (17) den Hilfstaktgeber (18) zur Abgabe zweier Signale (19) und (20) veranlaßt, wobei das eine über die Leitung (20) die Taktung des Lesespeichers (16) fortsetzt und das andere über die Leitung (19) im Lesespeicher (16) die Adressen mit fehlerhaften Wörtern markiert