DE2855395C2 - Nachrichtenübertragungssystem - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein System zur Übertragung von Sprach- und/oder Bildsignalen in digitalisierter Form, bei dem zur Reduktion der an sich benötigten Bandbreite das zu übertragende Signal sendeseitig geeignet quellcodiert und empfangsseitig entsprechend decodiert wird.

Bei der digitalen Übertragung von Bild- oder Sprachsignalen wird für die am Ausgang des sendeseitigen Codierers auftretenden Codewörter in der Regel ein Datenkanal mit vorgegebener Bitrate zur Verfügung gestellt. Bei komplexen Kommunikationssystemen wird ■■■ dieser Kanal meist zur Übertragung verschiedener Dienste gleichzeitig ausgenutzt Neben Sprachsignalen kommen hier Bild- oder Textdienste in Frage. Je nach der Priorität eines solchen Dienstes stehen den übrigen Diensten Bitraten zur Verfügung, die sehr unterschiedlich sein können. Da bei guten Codierern die Qualität der übertragenen Signale mit wachsender Bitrate steigt, ist es sinnvoll, die jeweils zur Verfügung stehende Bitrate möglichst voll auszuschöpfen.

Bei digitaler Signalübertragung mit Bitraten ab ca. 12 kbit/s kommen Quellcodierer, wie Pulscodemodulatoren, Deltamodulatoren und adaptive Differenz-Pulscodemodulatoren zur Anwendung. Bei digitaler Signalübertragung in einem Bitratenbereich zwischen 4 und 12 kbit/s kann von sogenannten Semivocodern Gebrauch gemacht werden, wie sie beispielsweise vom James L Flanagan: »Speech Analyses Synthesis and Perception«, 2. Auflage, Springer Verlag Berlin-Heidelberg-New York, 1972, S. 339-348 beschrieben sind. Für den Bereich von zwei bis vier kbit/s eignen sich ■ Vollvocoder, wie z. B. Kanalvocoder und Vocoder, die das sogenannte LPC-Prinzip zur Anwendung bringen. Mit anderen Worten wird also je nach der zur Verfügung stehenden Bitrate für das zu übertragende Signal, insbesondere ein Sprachsignal, ein anderer Typ von Codierer benötigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für ein Übertragungssystem der einleitend beschriebenen Art. Eine weitere Lösung für die sendeseitige Codierung und die empfangsseitige Decodierung der zu übertragenden Digitalsignale abzugeben, mit der in weiten Grenzen eine Anpassung an die systembedingten zur Verfügung stehenden unterschiedlichen Bi traten der zu übertragenden Signale gegeben ist

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß sendeseitig dem Quellcodierer ein Quelldecodierer und diesem wiederum ein adaptives Filter mit einem Koeffizientencodierer nachgeschaltet ist, daß ferner ein Veigleicher vorgesehen ist, an dessen beiden Eingängen das Ausgangssignal des adaptiven Filters und das Eingangssignal des Quellcodierers anstehen und dessen Ausgangssignal die Koeffizienten des adaptiven Filters steuert und daß empfangsseitig dem Decodierer ein in seinen Koeffizienten einstellbares Filter nachgeschaltet ist, dessen Koeffizienten-Einstelleingängen die ■ · mit übertragenen Koeffizientensignale über einen Koeffizientendecodierer hinweg zugeführt sind.

Der Erfindung liegt die wesentliche Erkenntnis zugrunde, ein zu übertragendes Sprachsignal oder Bildsignal durch einen einfachen Codierer mit niedrigen ■^i; Bitraten zu verschlechtern und das codierte Signal anschließend durch Filterung mit einem adaptiven Filter wieder zu verbessern. Die signaloptimierten Filterkoeffizienten werden dabei sendeseitig ermittelt und zur Empfangsseite hin für die Einstellung eines entsprechenden Filters mitübertragen.

Ein solches System eignet sich in außerordentlich vorteilhafter Weise zur digitalen Signalübertragung mit variabler Bitrate dadurch, daß sendeseitig der Quellco-

dierer und der Quelldecodierer und empfangsseitig der Quelldecodierer in ihrer Bitrate mittels eines sendeseitig generierten und zur Empfangsseite mit übertragenen Bitraten-Steuersignals steuerbar ausgeführt werden. Mit anderen Worten kann die sendeseitige Quellcodierung und die entsprechende empfangsseitige Decodierung jederzeit an unterschiedliche Bitratenverhältnisse angepaßt werden, da mit Hilfe der mit übertragenden, jeweils hinsichtlich des übertragenen quellcodierten Signals optimierten Koeffizienten für die Steuerung des empfangsseitigen einstellbaren Filters 2utomatisch die Signalübertragung in Abhängigkeit der zur Verfügung stehenden Bitrate optimiert wird.

Soll das Übertragungssystem für einen großen Bitratenvariationsbereich beispielsweise im Verhältnis 1 :4 arbeiten, so ist es sinnvoll, auch den sendeseitigen Koeffizientencodierer und den empfangsseitigen Koeffizientendecodierer in ihrer Bitrate mittels des Bitraten-Steuersignals steuerbar auszuführen.

Besonders günstig gestalten sich die Verhältnisse hinsichtlich des unempfindlichen Verhaltens gegenüber Übertragungsstörungen, wenn das adaptive Filter ein nicht rekursives Filter, beispielsweise ein Transversalfilter ist. Adaptive Transversalfilter sind beispielsweise in der Literaturstelle IEEE Transactions on Acoustics, Speech and Signal Processing.« Vol. ASSP-24, Nr. 6, Dez. 1976, Seiten 494 - 507, beschrieben.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das sendeseitige Eingangssignal des Queiicodierers über ein Verzögerungsglied dem einen Eingang des Vergleichers zugeführt Auf diese Weise wird erreicht, daß das Ausgangssignal des adaptiven Filters über die Koeffizienteneinstellung sowohl aus zukünftigen als auch aus vergangenen Abtastwerten des dem adaptiven Filter eingangsseitig zugeführten Signals geschätzt werden. Zweckmäßig wird eine wahlweise Reduzierung der Bitrate durch sendeseitiges Auslassen zu codierender Signalabtastwerte oder durch Fortfall von niedrigwertigen Bits der codierten Signalabtastwerte vorgenommen. Ebenso kann eine Reduzierung der Bitrate durch Methoden der adaptiven PCM, wie sie in der Literaturstelle »Bei' System Technical Journal, Sept. 1973, Seiten 1120 bk 1144 beschrieben werden, erzielt werden.

Besondere Bedeutung kommt dem Erfindungsgegenstand für ein System mit einem für ein erstes und ein zweites zu übertragendes Signal vorgesehenen gemeinsamen Übertragungskanal fest vorgegebener Summenbitrate zu, also einem System das gleichzeitig für zwei verschiedene Dienste zur Verfügung steht. Bei der Übertragung von Sprache und stehenden Bildern beispielsweise wird der Übertragungskanal für das Bildsignal nur in gewissen Zeitabständen, in denen ein Bildwechsel gewünscht wird, übertragen. In der übrigen Zeit steht der Übertragungskanal dem übertragenen Sprachsignal voll zur Verfügung und es ist daher sinnvoll, wenigstens in den Zeitabschnitten, in denen kein Bildsignal übertragen wird, die Bitrate zur Optimierung der übertragenen Sprachqualität zu erhöhen. Es sind natürlich auch Anwendungsfälle denkbar, in denen das Sprachsignal gegenüber dem Bildsignal die Bitratenpriorität hat. Dies kann in vorteilhafter Weise dadurch geschehen, daß das Bitraten-Steuersigrial die Bitratenpriorität hat. Dies kann in vorteilhafter Weise dadurch geschehen, daß das Bitraten-Steuersignal für das erste Signal abhängig von den Zeitintervallen, in deren das zweite Signal den Übertragungskanal mit vorgegebener Bitrate belegt bzw. nicht belegt, das erste Signal in seiner Bitrate so steuert, daß der gemeinsame Übertragungskanal in seiner Nutzbandbreite über der Zeit möglichst optimal ausgenutzt wird.

Anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen soll die Erfindung im folgenden noch näher erläutert werden. In der Zeichnung bedeuten:

F i g. 1 das Blockschaltbild der Sende- und Empfangsseite eines Übertragungssystems nach der Erfindung,

Fig. 2 das Blockschaltbild einer sendeseitigen Codiereinrichtung nach F i g. 1,

Fig.3 das Blockschaltbild einer empfangsseitigen Decodiereinrichtung nach F i g. 1,

F i g. 4 eine erste Ausführangsform eines sendeseitigen Queiicodierers nach F i g. 2,

F i g. 5 eine erste Ausführungsform eines empfangsseitigen Quelldecodierers nach F i g. 3,

F i g. 6 ein zweites Ausführungsbeispiel eines sendeseitigen Queiicodierers nach F i g. 2

Fig. 7 ein zweites Ausführungsbeispiei eines eropfangsseitigen Quelldecodierers nach F i g. 3,

Fig.8 ein Ausführungsbeispiel eines sendeseitigen Koeffizientencodierers nach F i g. 2,

Fig.9 ein Ausführungsbeispiei eines empfangsseitigen Koeffizientendecodierers nach F i g. 3.

Das in F i g. 1 dargestellte System weist die Sendeseite SS_ und die Empfangsseite £Sauf. Sendeseite und Empfangsseite sind über eine, einen Übertragungskanal für beispielsweise 64 kbit ausgelegte Leitung L miteinander verbunden. Die Sendeseite SS hat zwei Eingänge e 1 und e 2, denen die zu übertragenden Signale y\ und y2 zugeführt sind. Im Ausführungsbeispiel soll das Signal y 1 ein Sprachsignal und das Signal y2 ein Bildsignal sein. Für das Sprachsignal weist die Sendeseite die Codiereinrichtung COD/S und für das Bildsignal die Codiereinrichtung COD/B auf. Beide Codiereinrichtungen liefern an den ihnen nachgeschalteten Multiplexer MUXi zwei codierte Signale, nämlich ein quellcodiertes Sprach- bzw. Bildsignal es 1 bzw. es 2, sowie ein digitales Koeffizientensignal ks 1 bzw. ks 2 für die Empfangsseite. Das Ausgangssignal des sendeseitigen Multiplexers MUX1 wird dem Multiplexer MUX 2 zugeführt, der die Verschachtelung des Ausgangssignals des Multiplexers MUXl mit dem Ausgangssignal der Synchronisiereinrichtung SYN und einem Steuersignal q bezüglich der sendeseitig über die Zeitsteuereinrichtung ZST eingestellten Bitraten der sendeseitigen Codiereinrichtungen zu einem gemeinsamen digitalen Signal vornimmt. Anschließend erfolgt seine Übertragung über die Leitung L zur Empfangsseite.

Die Zeitsteuereinrichtung ZST wird, wie auch die Synchronisiereinrichtung SYN mit der Schwingung des Grundtaktgenerators GT versorgt. Die Zeitsteuereinrichtung ZST liefert Bitratensteuersignale rs an die Codiereinrichtungen COD/S und COD/B und empfängt auch von diesen beiden Codiereinrichtungen Signale i, die über den jeweiligen Betriebszustand der zugehörigen Codiereinrichtung Aufschluß geben und von der Zeitsteuereinrichtung ZST füi die Generierung der Bitraten-Steuersignale rs ausgewertet werden. Auf der Empfangsseite ES wird das ankommende Digitalsignal dem Demultiplexer DE-MUX 2 und einem in seiner Frequenz steuerbaren Taktoszülator VCO zugeführt, der sich mittels einer nicht näher dargestellten Phasenregelschleife auf die Bitfolgefrequenz des ankommenden Signals synchronisiert Der in seiner Frequenz steuerbare Oszillator VCO steuert die

empfangsseitige Synchronisiereinrichtung SYN, deren Aiisgangssignal dem Demultiplexer DE-MUX2 und dem diesem Demultiplexer nachgeschalteten Demultiplexer DE-MUX1 zugeführt wird. Der zweite Ausgang des Demultiplexers DE-MUX2 liefert das für die empfangsseitige Zeitsteuereinrichtung ZST erforderliche Steuersignal q, die ihrerseits den der Sendeseite entsprechenden Decodierern DEC/S und DECB für das Sprach- und das Bildsignal die Bitratensignale rs zuführt. Die an den Ausgängen des Demultiplexers DE-MUXi anstehenden quellcodierten Signale des übertragenen Sprachsignals es 1 und des übertragenen Bildsignals es 2 sowie deren zugehörige Koeffizientensignale ks 1 und ks 2. liefern an den Ausgängen a I und a 2 der Decodiereinrichtung die rekonstruierten analogen Signale y 1 undy2.

Wie F i g. 1 noch zeigt, ist der sendeseitige Multiplexer MUX1 und der empfangsseitige Demultiplexer DE-MUXX von einem Adressengeber AR gesteuert, der seinerseits in Abhängigkeit des Steuersignals q von der Zeitsteuereinrichtung ZST gesteuert wird. Empfangsseitig erhält der Adressengeber AR das Steuersignal q vom zweiten Ausgang des Demultiplexers DE-MUX2, der dieses aus dem ankommenden Signal ausgliedert Die Adressensteuerung des sendeseitigen Multiplexers und des empfangsseitigen Demultiplexers ist so ausgeführt, daß die eingangsseitig anfallenden digitalen Signale in Abhängigkeit der Bitraten-Steuersignale rs sendeseitig zur gewünschten Rahmenstruktur miteinander verschachtelt und empfangsseitig die ankommenden Rahmen wiederum in die gewünschten Signalanteile aufgespalten werden.

Eine in Fig.2 dargestellte sendeseitige Codiereinrichtung COD weist den Quellcodierer QC auf, dessen Eingang e das zu codierende analoge Signal y zugeführt wird. Dem Ausgang des Quellcodierers QC ist der Quellcodierer QD nachgeschaltet, an dessen Ausgang das mit einem Quantisierungsfehler behaftete analoge Signal yq auftritt Das am Ausgang des Quellcodierers QC anstehende codierte Signal es wird dem Multiplexer MUX1 nach F i g. 1 zugeführt Dem Quelldecodierer QD ist das adaptive Filter AFl nachgeschaltet, dessen Ausgangssignal yam ersten Eingang des Vergleichers V ansteht Dem zweiten Eingang wird das Eingangssignal y über das Verzögerungsglied ν zugeführt, das somit gegenüber dem Eingangssignal um die Zeit t-v verzögert ist Am Ausgang des Vergleichers V tritt das Fehlersignal t(t-r) auf, das dem adaptiven Filter AFI zur Koeffizientensteuerung zugeführt wird und so wirkt, daß das Filterausgangssignal γ im Vergleich mit dem zeitverzögerten Eingangssignal y(t-v) eine minimale Leistung des Fehlersignals e (t—τ) bewirkt Mittels des dem Quellcodierer QC und dem Quelldecodierer QD zugeführten Bitraten-Steuersignals rs läßt sich die Bitrate der Codiereinrichtung GOD in der gewünschten und bereits beschriebenen Weise variieren. In gleicher Weise kann das Bitraten-Steuersignal rs, wie die unterbrochene Linie andeutet, den Koeffizientencodierer KC steuern, der die Koeffizientensignale dei adaptiven Filters AFIm geeigneter Weise codiert und ir zusammengefaßter Form als Koeffizientensignal k. ebenfalls dem Multiplexer MUX1 nach F i g. 1 zuführt.

Die empfangsseitige Decodiereinrichtung DEC nach F i g. 3 weist einen Quelldecodierer QD auf, derr eingangsseitig das codierte Signal es zugeführt wird Das ausgangsseitig auftretende analoge Signal yq wire über das einstellbare Filter EFI geleitet und steht an Ausgang a als Signal /zur Verfügung. Das einstellbar« Filter EFI erhält die übertragenen Koeffizientensignalc A-s über den Koeffizientendecodierer KD der gegebe nenfalls, wie die unterbrochene Linie anzeigt, auch von Bitraten-Steuersigna! rs gesteuert sein kann.

Der Quellcodierer QC kann, wie F i g. 4 zeigt, eir Deltamodulator AMOD sein. Die Bitratenvariation läßi sich hier in einfacher Weise dadurch herbeiführen, daO das Bitraten-Steuersignal rs das diesem Modulatoi sowieso zuzuführende Taktsignal ist Mit der Änderung des Bittaktes ändert sich in gleicher Weise dann auch die Bitfrequenz des am Ausgang auftretenden Codesignali es. Ein entsprechender Quelldecodierer QD in Gestall eines Delta-Demodulators ADEMOD zeigt Fig.5 Auch hier ist das Bitraten-Steuersignal rs durch der Bittakt realisiert

Fig.6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel füi einen sendeseitigen Quellcodierer QC in Form eine« Pulscodemodulators. Der Pulscodemodulator PCh, liefert hier die Codeworte zeitparallel an den Multiplexer MUX, der seinerseits von einem Adressengebei AR' gesteuert ist. Die Adressenwahl und damit die Bitfrequenz des codierten Signals es am Ausgang de; Multiplexers wird durch das Bitraten-Steuersignal rs arr Steuereingang des Adressengebers AR¹ bestimmt.

Der empfangsseitige Quelldecodierer QD nach F i g. 7 weist einen zum Quellcodierer nach F i g. f entsprechenden Aufbau auf. Das ankommende codierte Signal es wird über den Demultiplexer DE-MUX hinsichtlich seiner Codeworte bitparallel in der Pulscodedemodulator PCD eingespeist Der Demultiplexer wird seinerseits durch den Adressengeber AR' abhängig von dem seinem Steuereingang zugeführter Bitraten-Steuersignal rs gesteuert

Der Vollständigkeit halber sind in den F i g. 8 und 9 noch jeweils ein Ausführungsbeispiel für einen sendeseitigen Koeffizientencodierer KCund einen empfangsseitigen Koeffizientendecodierer KD angegeben. Die vom adaptiven Filter AFInach Fig.8 für jeden Koeffizienten gelieferten Stellsignale werden getrennt in dem Koeffizientencodierer ATCl, KC2...KCn codiert und im sich daran anschließenden Multiplexer MUX' zum Koeffizientensignal ks zusammengefaßt Auf der Empfangsseite wird das Koeffizientensignal Ars über den Demultiplexer DE-MUX' auf die den einzelnen Koeffizienten zugehörigen Koeffizientendecodierer KDX, KD2...KDn aufgeteilt und an die Koeffizienten-Stelleingänge des einstellbaren Filters EFI abgegeben.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. System zur Übertragung von Sprach- und/oder Bildsignalen in digitalisierter Form, bei dem zur Reduktion der an sich benötigten Bandbreite das zu übertragende Signal sendeseitig geeignet quellcodiert und empfangsseitig entsprechend decodiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß sendeseitig dem Quellcodierer (QC) ein Quelldecodierer (QD') und diesem wiederum ein adaptives Filter (AFI) mit einem Kceffizientencodierer (KC) nachgeschaltet ist, daß ferner ein Vergleicher (V) vorgesehen ist, an dessen beiden Eingängen das Ausgangssignal (y) des adaptiven Filters und das Eingangssignal (y) des Quellcodierers anstehen und dessen Ausgangssignal (ε) die Koeffizienten des adaptiven Filters, steuert und daß empfangsseitig dem Quellcodierer (QD) ein in seinen Koeffizienten einstellbares Filter (EFI) nachgeschaltet ist, dessen Koeffizienten-Einstelleingängen die mit übertragenen Koeffizientensignale (ks) über einen Koeffizientendecodierer (KD) hinweg zugeführt sind.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sendeseitig der Quellcodierer (QC) und der Quellcodierer (QD') und empfangsseitig der Quellcodierer (QD) in ihrer Bitrate mittels eines sendeseitig generierten und zur Empfangsseite mit übertragenen Bitraten-Steuersignals (rs) steuerbar ausgeführt sind.

3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auch der sendeseitige Koeffizientencodierer (KC) und der empfangsseitige Koeffizientendecodierer (KD) in ihrer Bitraie mittels des Bitraten-Steuersignals ^steuerbar ausgeführt sind.

4. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das adaptive Filter (AFI) ein nicht rekursives Filter, beispielsweise ein Transversalfilter ist.

5. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sendeseitig das Eingangssignal (y) des Quellcodierers (QC) über ein Verzögerungsglied (τ) dem einen Eingang des Vergleichers (V) zugeführt ist.

6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine wahlweise Reduzierung der Bitrate durch sendeseitiges Auslassen zu kodierender Signalabtastwerte bzw. durch Fortfall von niedrigwertigen Bits der kodierten Signalabtastwerte vorgenommen ist.

7. System mit einem für ein erstes und ein zweites zu übertragendes Signal gemeinsamen Übertragungskanal fest vorgegebener Summenbitrate nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Bitraten-Steuersignal (rs) für das erste Signal, z. B. ein Sprachsignal, abhängig von den Zeitintervallen, in denen das zweite Signal, z. B. ein Bildsignal, den Übertragungskanal mit vorgegebener Bitrate belegt bzw. nicht belegt, das erste Signal in seiner Bitrate so steuert, daß der gemeinsame Übertragungskanal in seiner Nutzbandbreite über der Zeit möglichst optimal ausgenutzt ist.