-
-
Verfahren zur Redundanzredukion bei der Übertragung
-
digital codierter Analogsignale Die Erfindung bezieht sich auf ein
Verfahren zur Redundanzreduktion bei der Übertragung digital codierter Analogsignale,
bei dem die Signaldarstellung in einzelnen Datenblöcken durch binäre Impulsgruppen
und in Verbindung mit Hilfssignalen zur datenblockbezogenen Fehlerkennung erfolgt.
-
Bei der Übertragung und Speicherung digital codierter Signale besteht
bekanntlich die Gefahr, daß einzelne oder auch mehrere aufeinanderfolgende Impulse
verfälscht oder überhaupt nicht dargestellt werden. Damit diese Impulsfolgen aber
dennoch fehler- und störsignalfrei decodiert werden können, müssen dem Nutzsignal
in bekannter Weise redundante Hilfssignale zugeordnet werden, deren Anzahl umso
höher sein muB, Je höher die zu erwartende Fehlerquote bzw. Fehlerdichte ist. Ein
hoher prozentualer Anteil redundanter Signale am Gesamtaignalinhalt
bringt
deshalb entsprechend hohe Sicherheit in Bezug auf die Fehlererkennung und deren
Korrektur, bedeutet aber gleichzeitig auch einen entsprechend hohen Verlust an Übertragung-
bzw. Speicherkapazität für die eigentlichen Nutzsignale.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, für die
Übertragung digital codierter Signale mit Fehlerkorrektur eine möglichst optimale
Lösung in Bezug auf die notwendige Redundanz und Fehlericherheit anzugeben.
-
Ausgehend von einem Verfahren der eingangs näher bezeichneten Art
wird diese Aufgabe erfindungsmäß in der Weise gelöst, daß zur Übertragung sendeseitig
Datenblöcke gebildet werden, von denen jeder nach einer den Datenblockanfang markierenden
Synchronimpulsfolge neben einer vorgegebenen Anzahl von Signalimpulsgruppen, die
zeitlich aufeinanderfolgende Nutzsignalabtastwerte in binärer Form darstellen und
bei denen die für die eigentliche Übertragung dieser Abtastwerte jeweils nicht benötigten
Bitstellen unterdrückt werden, eine entsprechende Anzahl von diesen Signalimpulsgruppen
zugeordneten Hilfe informationsimpulsgruppen fest vorgegebener Bitzahl und ggf.
weitere auf den Datenblockinhalt und/oder den Signalinnalt und die Signalzuordnung
bezogene Hilfsinformationsimpulsgruppen sowie das Hilfssignal für die Fehlererkennung
aufweist und daß empfangsseitig die Hilfsinformationsimpulsgruppen zur Rekonstruktion
des ursprünglichen Signals verwendet werden.
-
Der besondere Vorteil dieses Verfahrens ergibt sich dadurch, daß die
einzelnen Abtastwerte nicht mit der åeweils maximalen, durch die Quantisierung vorgegebenen
Impulsanzahl, sondern, beginnend mit dem Bit geringster
Wertigkeit,
nur Jeweils bis zum letzten, eine binäre Eins darstellenden Bit übertragen werden.
Die nachfolgenden, Jeweils eine binäre Null darstellenden redundanten Bitstellen
fallen weg, so daß sich entsprechend verkürzte Impulsgruppen ergeben, deren Länge
durch die jeweils zugehörige Hilfsinformations-Impulsgruppe festgelegt wird.
-
Eine weitere Redundanzreduktion läßt sich in vorteilhafter Weise dadurch
erreicht, daß die mit Impulsgruppen variierender Impulsanzahl je Gruppe dargestellten
åeweiligen Signalabtastwerte durch jeweils binär codierte Differenz-Abtastwerte
dargestellt werden.
-
Dies kann zweckmäßig auch dadurch geschehen, daß die in einem Datenblock
enthaltenen Differenz-Abtastwertfolgen sich auf eine, den betreffenden Abtastwert
mit vollem Amplitudenwert darstellende Referenz-Abtastwert-Impulsgruppe beziehen,
die wahlweise im gleichem oder einem zugeordnet korrespondierenden Datenblock enthalten
ist.
-
Die Differenz-Pulscode-Modulation kann ferner auch für die Hilfsinformations-Impulsgruppen
mit dem Ziel einer weiteren Redundanzreduktion angewendet werden.
-
Schließlichkann, ausgehend von der im Hauptanspruch angegebenen Maßnahme,
wonach Jede Nutzsignal-Impulsfolge mit einer binären Eins endet, auch diese Eins
noch weggelassen werden, so daß pro Abtastwert nochmal ein Bit eingespart werden
kann.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind
in den Unteransprüchen 5 bis 13 angegeben.
-
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigen: Fig. 1 einen Datenblock mit vergleichender Gegenüberstellung eines
bekannten Impulsschemas mit konstanter Impulsgruppenlänge und eines erfindungsgemäßen
Impuls schemas mit variabler Impulsgruppenlänge, Fig. 2 ein Beispiel für einen Datenblock
gemäß der Erfindung, Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäß
aufgebauten Datenblock, Fig. 4 ein Prinzipschaltbild für eine Schaltungsanordnung
zur Durchführung des der Erfindung zugrundeliegenden Verfahrens.
-
Die Fig. 1 zeigt das Impulsschema für einen Datenblock bekannter Art,
dessen Blocklänge mit BL bezeichnet und dessen Anfang durch eine Synchronimpulsfolge
Sy mit z.B. 12 Bit markiert wird. Die sich daran anschließende Abtastertfolge AF
umfaßt insgesamt 12 Abtastwerte, deren zugeordnete Signalimpulsgruppen S1 ...S12
entsprechend der vorgegebenen Quantisierung Q z.B. durch je ein 16-stelliges Codewort
dargestellt sind. Das Datenblockende wird schließlich durch eine CRC genannte, z.B.
20 Bit lange Impulsreihe gebildet, die eine datenblockbezogene Fehlerreferenzgröße
darstellt.
-
Im Gegensatz zur bekannten Abtastwert-Darstellung durch Signalimpulsgruppen
S1 ...S12 mit Jeweils gleicher Impulsanzahl besteht der erfindungsgemäße Datenblock
aus Signalimpulsgruppen S1 ...S12 mit variabler Impulsgruppenlänge. Jede Signalimpulsgruppe
reicht dabei von der Stelle geringster Wertigkeit bis zur letzten, eine binäre Eins
darstellenden Binärziffer, wahrend die Jeweils n O n n l, o / n Z
nachfolgenden
Nullen wegfallen bzw. unterdrückt werden.
-
Oberhalb dieser Jeweils höchsten Eins, die den sogenannten "Meist-Signifikaten-Bit"
MSB darstellt, verläuft eine MSB-Hüllkurve, die den unterhalb liegenden, redundanzreduziereenImpulsgruppenauSbau
abgrenzt. Da Jede dieser redundanzreduzierten Impulsgruppen nur bis zur letzten
Eins reicht, oder anders ausgedrückt, die letzte Bitstelle jeder Impulsgruppe zwangsläufig
immer eine Eins sein muß, kann im Wege einer weiteren Redundanzreduktion auch noch
diese "letzte Eins" weggelassen bzw. unterdrückt werden, was durch die gestrichelte
Hüllkurve angedeutet wird.
-
Ein aus der Impulsgruppenfolge gemäß Fig. 1 abgeleiteter Datenblock
mit einem gemäß der Erfindung ausgebildeten Impulsschema ist in Fig. 2 dargestellt
und wie folgt zusammengesetzt.
-
Der Datenblock beginnt mit einer Synchronimpulsfolge Sy mit insgesamt
12 Bit, an die sich zwei Kontrollbits CB anschließen. Diese Jeweils durch eine binäre
Eins dargestellten Kontrollbits enthalten jeweils eine eigene Codeimformation. Der
erste Kontrollbit CB1 - MSB bedeutet, daß in jeder übertragenen Signalimpulsgruppe
das "Meist-Signifikante-Bit"MSB nicht übertragen wird, mit Ausnahme der Signalimpulsgrv.ppe
S8fwo das MSB den niedrigsten Wert Q1 darstellt.
-
Die jeweilige Zuordnung der einzelnen Impulsgruppen im Datenblock
ergibt sich aus der in Fig. 2 am unteren Rand dargestellten und aus einzelnen Kreuzchen
x gebildeten Tabelle. Daraus geht hervor, daß jeder Signalimpulsgruppe S1 ...S12
eine Hilfsinformaticns-Imsulsgruppe SL1 .. .SL12 zugeordnet ist. Jede dieser Hilfe
informations-Impulsgruppen SL1 ...SL12 beinhaltet eine
binärcodierte
Zahl, die der Anzahl der Impulse in der jeweils zugeordneten Signalimpulsgruppe
Si ...S12 entspricht. Zur Darstellung eines maximal 16 Bit langen Impulsgruppe sind
daher wenigstens vier Bit erforderlich. Da, wie am Beispiel der Signalimpulsgruppe
S10 (siehe Fig. 18 ersichtlich, auch Signalwerte übertragen werden können, die über
eine durch die Quantisierung vorgegebene maximale Impulsgruppenlänge hinausragen,
sind in Fig. 2 für die Hilfsinformations-Impulsgruppen SL1 ...SL12 vorsorglich fünf
Bit vorgesehen.
-
In dargestelltem Beispiel sind die einzelnen Abtastwerte eine Differenz-Pulscodemodulation
unterworfen, weshalb jeder Signalimpulsgruppe S1 ...S12 ein Polaritätsbit PO zugeordnet
wird, wobei sich die Polarität jeweils auf eine die Redundanz reduzierende Impulsgruppenlängen-Größe
von Q beziehen kann.
-
Mit dem zweiten Kontrollbit CB2 - R soll schließlich gezeigt werden,
daß die mit der Codezahl der Hilfsinformations-Impulsgruppen SL1 ...SL12 festgelegten
variablen Impulsgruppenlangen von S1 ...S12 durch zusätzliche Codes datenblockweise
und signalabhängig weiterhin verkürzt werden können. Dies ist beispielsweise dann
der Fall, wenn - durch eine jeweils einer Hilfsinformations-Impulsgruppe SL1 ..
.SL12 folgende zusätzliche Impulsgruppe gleicher Länge gekennzeichnet -die variablen
Impulsgruppenlängen von S1 ...S12 um die Impulsgruppenlänge R signalabhängig verkürzt
übertragen werden, da ausgehend vom SlSB-Ende einer Impulsgruppe, dieJenigen zwischen
einer beliebigen Wertigkeitsstufe Q und dem WLetzt-Sigr,ifikanten-Bit" liegenden
Impulsinhalte nicht mit übertragen werden müssen, die sich einzeln oder in der Folge
auf das höher wertig übertragene Referenzbit R mit gleichen Inhalt beziehen
und
späterwor der Digital/Analogwandlung am Übertragungskettenende wieder hinzugefügt
werden.
-
Vergleicht man nun das bekannte Impulsschema gemäß Fig. 1 mit dem
erfindungsgemäßen Impulsschema gemäß Fig. 2 so ergeben sich für die jeweils zu übertragenden
Impulse folgende Zahlenwerte.
-
Datenblock gemäß Fig. 1: 12 Sy + (12 6)S + 20 CRC = 224 Bit Datenblock
gemäß Fig. 2: 12 Sy + 2 CB + (12 5)SL + 12 PO + 7 S1 + 15 S2 + 11 53 + 5 S4 5 g
+ 7 S6 + 1 S7 + 1 + 10 59 + 16 S10 + 15 S11 + 8 312 + 13 CRC -202 Bit Daraus ergibt
sich, daß im gewählten Beispiel bei einer Einsparung von 22 Bit und 10,78% der gleiche
Signalwert am Ubertragungs-Kettenende bei entsprechender Decodierung aus den übertragenen
Impulsgruppen mit ihrer zugeordneten Code-Information abgeleitet werden kann.
-
Die Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen gemäß
der Erfindung aufgebauten Datenblock. Den Anfang bildet wiederum eine Synchronimpulsgruppe
Sy mit 12 Bit, der, falls erforderlich, eine den Datenblock konbrollierende Impulsgruppe
CB mit insgesamt vier Bit folgt. Die unmittelbar darauffolgenden, blockweise zusammengefaßten
Hilfsinformations-Impulsgruppen SL1 ...SL32 zu je vier Bit beinhalten wiederum je
eine codierte Zahl, die der jeweiligen Impulsanzahl in der zugeordneten Signalimpulsgruppe
S1 ... S32 entspricht. Bei einer maximalen Impulslänge von 16 = 24 Bit sind für
die Hilfsinformations-Impulsgruppen SL1 ... SL32 maximal je vier Bit erforderlich.
Wird eine Grundzahl für eine Signalimpulsgruppen
-Längendarstellung
angenommen und/oder setzt der Signalinhalt bei einer DPCM-Signalcodierung eine niedrige
Impulsgruppendifferenz je Abtastwert voraus, sind für SL1 ... SL32 auch jeweils
3 Bit ausreichend.
-
Der den Signalimpulsgruppen S1 "'S32 zugeordnete Impuls PO stellt
die für die DPCM-Signalcodierung erforderliche Polaritätsinformation dar. Das in
den Hilfsinformations-Impulsgruppen SL1 ...so17 zusätzlich vorgesehene Bezugszeichen
R soll anzeigen, daß mit einer bestimmten vorausgesetzten Lage einer Impulsgruppe,
beispielsweise durch RSL1 eine zusammengehörige, aktuelle Abtastwerte darstellende
Signalimpulsgruppenfolge S1 ...S16 und durch RSL17 eine zusammengehörende redundant
übertragene, codierte Signalimpulsgruppenfolge S17 ...SX2 adressiert werden kann,
wobei Jeweils S1 und S17 die Referenzwerte für die darauffolgenden Abtastwerte-Impulsgruppensequenzen
bilden können. Es ist je nach Anwendungsfall für eine DPCM-Codierung mit Nutz signal-Soll-Pegeldarstellung
durch codierte Referenzabtastwerte möglich, daß, in teilweise redundanzreduzierender
Weise, der Nutzsignal-Referenzabtastwert sich wiederum auf eine bestimmte vorausgesetzte
Impulsgruppenlänge bzw. Wertigkeit oder auf eine kompandierte Darstellung bezieht.
-
Das Ende eines Datenblockinhfits ist durch die Summe aus den Impulsgruppen
Sy, CB, SL1 ...SL32 und CRC und einer Add.ition der durch SL1 ...SL32 binär dargestellten
Summanden definiert. Die Impulsfolge CRC mit 16 Bit stellt eine datenblockweise
bertragungsfehlerreferenz dar und kann aus einer binären Addition von Datenblockinhaltsabschnitten
gleicher Länge und dem variablen Ende gebildet werden. Mit der L/O-Darstellung der
Synchronimpulsfolge Sy soll angedeutet werden, daß zur Redundanzreduktion der Sy-Impulsgruppenlänge
eine vom Datenblockinhalt abhängige Sy-Wortbildung vorgenommen werden kann.
-
Für eine beispielsweise aus 32 Abtastwert-Impulsgruppen bestehende
DPCM-codierte Folge kann bei einem zur Fehlerkorrektur angenommenen Verhältnis:Nutzsignal/Paritätsimpulsanzahl
= 2/1 errechnet werden, daß sich für eine (Signalvariations-)Pausen- bzw. Gleichspannungsfestwertübertragung,
abhängig von einer Nutzsignalreferenzwertimpulsgruppe RS mit z.B. vier Bit eine
Impulsgruppe mit 12 Sy + 4 CB + (32 . 4) SL + 32 (x + 1PO) S + 4RS + 16 CRC = 196
Bit/je >= 21 Abtastwerte am Ende einer Übertragungskette nach entsprechender
Decodierung ergibt. Im Vergleich dazu ergäbe sich bei einer 16 Bit gleichförmig
quantisierten Nutzsignalübertragung eine Impulslänge von 12 Sy + (32 s 16) S + 22
CRC = 546 Bit.
-
Werden im DPCM-Beispiel für die Signalimpulsgruppen S als mittlere
erforderliche Länge 5 Bit angenommen, ergibt sich ein entsprechendes Impulsanzahlverhältnis
von 546 = 1,565 bzw. eine 348 Redundanzreduktion von = 36 %. Bereits 49 % Redundanzreduktion
sind bei 3 Bit Impulsgruppenlänge erzielbar.
-
Aufgrund dieser Einsparung kann nun bei gleicher Fehlerkorrekturfähigkeit
und aus dem übertragenen Signal abgeleiteter gleichförmig quantisierter utzsignalübertragungscharakteristik
die Fehleranfälligkeit der Übertragungskette durch zusätzliche Redundanz noch weiter
reduziert und/oder eine gegebene Signalträger-Speicherkapazität vergrößert werden.
-
Mit den Vorteilen einer reinen DPCM-Signal-Decodierung ohne Fehlerkorrektur-Redundanz-Impulsgruppen
und Impulsintegrationsschaltungen am Ausgang der Übertragungskette läßt sich gegenüber
bekannten Lösungen eine gemittelte Impulsreduktion von mindestens 25/17 Bit erreichen.
-
Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahren erlaubt u.a. durch seine
Unabhängigkeit von starren Codierungsformaten, daß z.B. eine digitalisierte Audio-Signal-Übertragung,
mit der für eine evtl. Transcodierung vorteilhafte Abtast-Frequenz-Standardisierung,
keine Berücksichtung von Fernsehzeilennormen benötigt, da entweder die Datenblocklängen
variabel sind bzw. das erfindungsgemäße Verfahren auch Anwendung für den digitalisierten
Analoginhalt einer Fernsehzeile finden kann oder eine Anpassung verschiedener Normen
auch durch eine von den Datenblocklängenvariation abgeleitete Modulations-Impulsbreiten-Anderung
erfolgen kann.
-
Die Fig. 4 zeigt das Blockschaltbild für eine Schaltungsanordnung
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Den Eingang der Schaltung bildet
ein A/D-Wandler 1, dem ein Analogsignal zugeführt wird. Das Ausgangssignal dieses
durch eine bestimmte Abtastfrequenz gesteuerten A/D-Wandlers 1 gelangt einerseits
in einem DPCM-Codierer 2 und andererseits in einen Referenzsignal-Codierer 3. Mit
Hilfe der Detektorschaltung 4 wird die jeweils notwendige Impulsgruppenlänge für
die DPCM-Signale S1 ...S32 festgelegt, wahrend in der nachfolgenden Zwischenspeicherstufe
5 die jeweils zugehörige Hilfsinformations-Impulsgruppe SL1 ... 5L32 codiert wird.
-
Die einzelnen DPCM-Signalimpulsgruppen gelangen schließlich zusammen
mit dem Hilfsinformations-Impulsgruppen SL1 ...SLD2 und gegebenenfalls mit Referenzsignalgruppen
in einen Blockformat-Codierer 7, der die einzelnen
Impulsgruppen
in der in den Figuren 2 und 3 gezeigten Reihenfolge aneinanderfügt. Die Schaltung
enthält ferner einen vom A/D-Wandler-Ausgangssignal gesteuerten Kontrollbit-Codierer
6 sowie eine Funktionseinheit 201 in der eine CRC-Fehlerprüf-Impulsgruppe aus einem
sich aufbauenden Datenblockinhalt bzw. Zeitabschnitt zusammengestellt wird. Die
redundante CRC-Impulsgruppe und ggf. die Kontrollbits werden nun in einer weiteren
Codierstufe 8 mit den Nutz- und Hilfssignalen zu einem Datenblock zusammengefaßt,
der in dieser Form auf einem Signalträger bzw. eine Übertragungsleitung 10 übertragen
wird. Signalträger bzw. Übertragungsleitung 10 werden dabei durch eine datenblooklängenabhängige
Träger- bzw. Modulationsfrequenz Regelstufe 9 beeinflußt. Auf der Empfangsseite
wird der Datenblock im Decoder 11 demoduliert und formatdecodiert sowie anschließend
mit Hilfe der Fehlerkorrekturstufe 12 korrigiert. In der nachfolgenden Funktionseinheit
13 werden die DPCM-Impulsgruppen entsprechend dem aus der Schaltstufe 14 gewonnenen
Polaritätsbit PO mit dem Referenzsignalinhalt in eine gleichförmig quantisierte
binäre Nutzsignalimpulsfolge umgeformt. Mit Hilfe des D/A-Wandlers 17 werden diese
Impulsfolgen schließlich in Analogsignale zurückverwandelt.
-
ueber einen zweiten Signalweg gelangen die decodierten Ausgangssignale
11 ferner an eine Funktionseinheit 16.
-
Mit hilfe dieser Funktionseinheit 16 werden, einem Delta-Demadulationsverfahren
entsprechend, die mit hoher Impulsrate am Anfang des Impulsgenerators 15 stehenden
Impulsfolgen über eine Torschaltung 19 auf die Integratorschaltung 18 in der Weise
Ergeben, daß die vom jeweiligen DPCM-Signalinhalt abgeleitete Impulsanzahl je Zeiteinheit
gleichmäßig auf diese Zeiteinheit verteilt wird.
-
13 Patentansprüche 4 Figuren n Ç n n 1 9 Z fl q
L
e e r s e i t e