DE3328111A1

DE3328111A1 - Quasi-momentanwert-kompander

Info

Publication number: DE3328111A1
Application number: DE3328111A
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl.-Ing. 3007 Gehrden Scholz
Original assignee: Telefunken Fernseh und Rundfunk GmbH
Current assignee: Deutsche Thomson oHG
Priority date: 1983-08-04
Filing date: 1983-08-04
Publication date: 1985-02-21

Description

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TELEFUNKEN Fernseh und Rundfunk GmbH Göttinger Chaussee 76

D-3000 Hannover 91

Hannover, den 22.07.83 PTL-Wö/gn

Quasi-Momentanwert-Kompander

Die Erfindung betrifft einen Quasi-Momentanwert-Kompander gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus "Rundfunktechnische Mitteilung", Jahrgang 27 (1983), Heft 1, S. 9 und 10 ist ein Quasi-Momentanwert-Kompander bekannt, der Abtastwerte mit einer Auflösung von 14 Bits codiert. Die Abtastwerte werden blockweise zu 32 Codeworten gespeichert. Sodann wird in Abhängigkeit vom höchstwertigen der gespeicherten Codeworte die feine Quantisierung entweder beibehalten oder um die Faktoren 2, 4, 8 bzw. 16 vergrößert. In der Praxis geschieht dies durch Weglassen von 4 Bits der ursprünglich 14 Bits. Je nach verwendeter Quantisierung werden die 4 Bits bei den höherwertigen und/oder den niederwertigen Bits unterdrückt, so daß nur Codeworte zu 10 Bits ausgesendet werden. Voraussetzung für dieses Verfahren ist die zusätzliche Übertragung eines Quantisierungsbereichswortes mit 3 Bits für jeden Block mit 32 codierten Abtastwerten, durch das die für den Block verwendete Quantisierung definiert wird. Der jeweilige Quantisierungsbereich wird auf

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Grund des maximalen Absolutwertes des Signals in einem bestimmten Zeitbereich gewählt. Er liegt stets symmetrisch zum Mittelwert des Gesamtsignals.

Εε ergibt sich eine unzureichende Ausnutzung der einzelnen Quantisierungsbereiche, wenn der Mittelwert eines Blocks zum F.ittelwert des Gesamtsignales verschoben ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Ausnutzung der einzelnen Quantisierungsbereiche zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 beschriebene Erfindung gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird an Hand der Zeichnung erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 einen Tonsignalverlauf,

Fig. 2 die Komprimierung eines 6-Bit-Datenwortes auf 3 Bits, Fig. 3 die Expandierung des komprimierten Signals,

Fig. 4a die Darstellung eines Bereichswortes für die Komprimierung von 14 auf 11 Bits,

Fig. 4b die Darstellung eines Bereichswortes für die Komprimierung von 14 Bits auf 9 Bits,

Fig. 5 einen Quasi-Momentanwert-Kompressor, Fig. 6 einen Quasi-Monnentanwert—Expander.

Ein Quasi-Momentanwert-Kompander, wie er z.B. in "Rundfunktechnische Mitteilungen", Jahrgang 27 (1983), Heft 1, S. 9 und 10 beschrieben ist, dient zur Herabsetzung der Bitrate, insbesondere bei der digitalen Tonübertragung. Die Arbeitsweise eines Quasi-Momentanwert-Kompanders wird an Hand von Fig. 5 (Senderseite) und Fig. 6 (Empfangsseite) beschrieben.

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Auf der Senderseite wird das NF-Signal mit z.B.
32 kHz abgetastet und in 14-Bit-PCFi-Worte gewandelt. Für
die Übertragung sollen jedoch z.B. nur 8 Bits je Abtastwert verwendet werden. Dazu werden die 14-Bit-Abtastwerte jeweils während eines bestimmten Zeitbereichs (von z.B. 1 m sek) mit Hilfe einer Logikschaltung beobachtet, um den in diesem Zeitbereich jeweils höchsten Absolutwert zu ermitteln. Auf Grund des ermittelten Höchstwertes wird dann der Quantisierungsbereich ausgewählt und der Abtastwert als 8-Bit-Wort übertragen. Die Auswahl des Quantisierungsbereiches erfolgt so, daß die Quantisierung der übertragenen Werte möglichst fein ist, der Höchstwert aber noch innerhalb des Quantisierungsbereiches liegt.

Zur Veranschaulichung sind in Fig. 2 links die Ausgangswerte eines 6-Bit-A/D-Wandlers in Zweier-Komplement-Code dargestellt. Es sollen 3-Bit-Worte übertragen werden. Dazu werden die vier angegebenen Quantisierungsbereiche A, B, C, D festgelegt. Das Kennzeichen für den ausgewählten Quantisierungsbereich muß
mit übertragen werden.

Fig. 5 zeigt einen bekannten Quasi-Momentanwert-Kompressor. Das am Eingang eines A/D-Wandlers 9 anliegende Ni-Signal 27 wird z.B. in 14-Bit-Worte umgewandelt. Der Ausgang des
A/D-VJandlers 9 ist mit einem Speicher 10 und einer Logik 13 verbunden. Am Ausgang der Logik 13 liegt ein Kennzeichen-Wort für den ausgewählten Quantisierungsbereich an. Nachdem der Höchstwert für die Abtastwerte, die sich im Speicher befinden, ermittelt worden ist, erfolgt in einer Bitreduzierschaltung 11 die Umwandlung in Code-Wörter mit verminderter Bitzahl. Die Ausgänge der Bitreduzierschaltung 11 und der
Logik 13 führen auf einen Kanalcoder 12. Dieser Kanalcoder hat die Aufgabe, jeweils eine bestimmte Anzahl von Datenwörtern, z.B. 8, in Blöcke zusammenzufassen, die für eine
Übertragung geeignet sind. Dabei werden auch Fehlererkennungsund Korrekturwörter sowie das für den Quantisierungsbereich

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gültige Bereichswort angehängt. Muß auf dem Übertragungskanal mit Bündelfehlern gerechnet werden, wird auch ein Interleaving durchgeführt. Am Ausgang des Kanalcoders 12 liegt ein NRZ-Signal an, das über einen Modulator 16 einer Übertragungsstrecke 18 zugeführt wird.

Fig. 6 zeigt einen empfangsseitigen Quasi-Momentanwert-Expander. Auf der Empfangsseite erfolgt zunächst in einem Demodulator 19 die Demodulation des in einem Übertragungscode ankommenden Signals. Das am Ausgang des Demodulators 19 anliegende NRZ-Signal wird einem Kanaldecoder 20 zugeführt, in dem ein eventuell erforderliches Deinterleaving und eine Fehlerkorrektur stattfindet. Danach werden die 8-Bit-Worte wieder in 14-Bit-Worte umgewandelt. Das ermittelte Bereichswort wird einer Logikschaltung 22 zugeführt, die eine Bit-Expandierungsschaltung 23 steuert. Am Eingang der Bit-Expandierungsschaltung 23 liegen die vom Kanaldecoder kommenden 8-Bit-Worte an. Vom Ausgang der Bit-Expandierungsschaltung 23 werden die 14-Bit-Worte einem D/A-Wandler 25 zugeführt, der die PCM-Worte in analoge Abtastwerte umwandelt.

Fig. 1 zeigt den Verlauf eines Tonsignals, das in acht zeitliche Abschnitte 31-38 aufgeteilt ist. Auf der linken Seite sind die bekannten, symmetrisch zum Mittelwert liegenden Quantisierungsbereiche Q=A...D eingetragen. ^Aufgrund der ermittelten Höchstwerte ergeben sich bei einem Quasi-Momentanwert-Kompander die in der Fig. 1 unter NIC (near instantaneous compression) angegebenen Quantisierungsbereiche Q für die einzelnen Zeitbereiche 31-38. Wie dem Signalverlauf zu entnehmen ist, muß der Quantisierungsbereich in einigen Zeitbereichen 31-38 unnötig groß gewählt werden. Um eine daraus entstehende zu grobe Quantisierung zu vermeiden, wird erfindungsgemäß für die einzelnen Signalabschnitte 31-38 eine Verschiebung V des Quantisierungsbereiches vom Mittelwert des gesamten Signales vorgenommen. Auf der rechte Seite der Fig. 1 sind mögliche Bereichsverschiebungen V=O...4 des Quantisierungsbereiches Q zum Mittelwert einge-

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zeichnet. Für den erfindungsgemäßen Quasi-Mornentanwert-Differenz-Kompander (near instantaneous difference compression) sind die Quantisierungsbereiche Q in Fig. 1 in der Zeile NIDC aufgetragen. Der Buchstabe gibt jeweils den Quantisierungsbereich (Q), die Ziffer die Verschiebung (V), entsprechend Fig. 1 rechts vom Signalverlauf, an.

Außer für die Größe des Quantisierungsbereiches (Q=A-D) muß nun auch für die Verschiebung des Bereiches ein Kennzeichen übertragen werden (V=0-4). Urn den Signalverlauf in einem bestimmten Zeitbereich (Bereich 3^-38) einen Quantisierungsbereich zuzuordnen, muß sowohl der minimale als auch der maximale Abtastwert in diesem Zeitbereich ermittelt werden. Dann wird der Quantisierungsbereich so gewählt, daß beide Extremwerte innerhalb dieses Bereiches liegen. Bei dem Signal nach Fig. 1 kann dann bei dieser Differenz-Kompandierung der Quantisierungsbereich fast in jedem Zeitbereich eine Stufe kleiner gewählt werden als bei dem bekannten Quasi-Momentanwert-Kompander, bei dem der absolute Extremwert des Signals in einem Zeitbereich den Quantisierungsbereich bestimmt. Dies ist verdeutlicht in der Fig. 1 durch die gestrichelte Eingrenzung der Signalverläufe. Bei einem idealen Differenz-Kompander wäre der Quantisierungsbereich gleich der Differenz zwischen dem oberen und dem unteren Extremwert des betreffenden Zeitbereichs.

Um den Schaltungsaufwand und die Länge des Datenwortes für die Kennzeichnung des Quantisierungsbereichs möglichst klein zu halten, ist eine begrenzte Anzahl von Bereichsgrößen und Bereichsverschiebungen zweckmäßig. Durch die zusätzliche Maßnahme der Bereichsverschiebung ist eine Halbierung der Größe des Quantisierungsbereiches in vielen Zeitbereichen möglich. Die damit verbundene Halbierung der Quantisierungsstufengröße bedeutet 6 dB Gewinn für den Quantisierungsgeräuschabstand in dem betreffenden Zeitbereich.

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Die Signalverarbeitung auf der Sender- und Empfangsseite wird besonders einfach, wenn sie gemäß dem in Fig. 2 und 3 dargestellten Schema durchgeführt wird. Die Darstellung gilt für 6-Bit-Datenworte im Zweierkomplement-Code, die auf 3-Bit verkürzt werden (Fig. 2) und auf 6 Bit im Zweierkomplement-Code wieder erweitert werden (Fig. 3). Dieses Schema ist auf beliebige Bitzahlen übertragbar. In Fig. 2 wird gezeigt, daß die durch Bitreduktion aus den vollständigen Datenworten erzeugten Ausschnitte in unveränderter Form übertragen werden.

Bei der Erweiterung entsprechend Fig. 3 werden zur Erzeugung der Bitmuster mit den ursprünglichen Stellenzahlen die verkürzten Bitmuster entsprechend ihrem ursprünglichen Stellenwert eingesetzt. Fehlende niederwertige Bits erhalten den Wert Null. Fehlende höherwertige Bits erhalten folgenden Wert:

Verschiebung	Wert
3	0
1	1, sofern beide MSB's des ver kürzten B.itmusters 1, sonst 0
0	gleich MSB des verkürzten Bit musters
2	0, sofern beide MSB's des ver kürzten Bitmusters 0, sonst 1
4	1

In Fig. 4 sind zwei Beispiele angegeben, die zeigen, wie der jeweilig gewählte Quantisierungsbereich die Bereichsverschiebung durch ein 4-Bit-Bereichswort gekennzeichnet werden kann.

Fig. 4a zeigt die Darstellung eines Bereichswortes für die Komprimierung von 14 Bits auf 11 Bits. Die Spalte V gibt dabei den Verschlebungsbereich, die Spalte Q den Quantisierungsbereich an. Außer dem Bereich größter Quantisierung - in

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Fig. 4a der Bereich D - sind für jeden Quantisierungsbereich fünf verschiedene Verschiebungsbereiche vorgesehen.

Die Fig. 4b zeigt die Darstellung eines Bereichswortes zur Komprimierung von 14 Bits auf 9 Bits. Hier sind für jeden Quantisierungsbereich, außer Bereich F, nur drei Verschiebungsbereiche vorgesehen.

Für eine feine Quantisierung sind möglichst kurze Zeitbereiche günstig. Bei zunehmender Verkürzung der Zeitbereiche werden schließlich die durch die Verkürzung der Datenworte eingesparten Bits durch die zusätzlichen Daten für die jeweilige Quantisierungseinstellung wieder zugeführt. Wenn also eine merkliche Verminderung der Bitrate erzielt werden soll, dürfen die Zeitbereich nicht zu klein gewählt werden.

Wie bei jedem Tonfrequenzkompander kann auch hier der Überdeckungseffekt des Tonsignals ausgenutzt werden. Es ist nicht notwendig, daß steile (hochfrequente) Signalperioden durch die Zeitbereiche unterteilt werden, da hier der Überdeckungseffekt für das Quantisierungsrauschen gut ist.

Für die langen Grundwellen des Signals ist jedoch eine Unterteilung günstig. Dadurch kann sich die Lage eines verhältnismäßig kleinen Quantisierungsbereichs an den Signalverlauf anpassen. Das Quantisierungsrauschen wird dadurch vermindert. Das kommt dem geringen Überdeckungseffekt im Zeitbereich mit flachen Signalverlauf entgegen.

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Claims

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Patentansprüche

Quasi-Momentanwert-Kompander mit einem Quantisierungsbereich (Q), der aufgrund des maximalen Absolutwertes eines Signals (Fig. 1) in einem bestimmten Zeitbereich (31-38) gewählt wird und der symmetrisch zum Mittelwert des Gesamtsignals liegt, dadurch gekennzeichnet, daß der Quantisierungsbereich (Q) in seiner Lage verschiebbar ist und in einem Zeitbereich (31-38) die Größe und Lage des Quantisierungsbereichs (Q) in Abhängigkeit von den Extremwerten des Signals in dem betreffenden Zeitbereich gewählt wird.
2. Quasi-Momentanwert-Kompander nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage des Quantisierungsbereichs (Q) aus dem Mittelwert eines Signalabschnittes ermittelt wird.
3. Quasi-Momentanwert-Kompander nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage des Quantisierungsbereichs (Q) durch eine Verschiebung (V) gekennzeichnet wird.
4. Quasi-Momentanwert-Kompander nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die maximalen als auch die minimalen Abtastwerte eines Zeitbereichs ermittelt werden.
5. Quasi-Momentanwert-Kompander nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Quantisierungsbereich (Q) so gewählt ist, daß beide Extremwerte innerhalb dieses Bereiches (Q) liegen.
6· Quasi-Momentanwert-Kompander nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß eine begrenzte Anzahl von Verschiebungsbereichen (V) verwendet wird.

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7. Quasi-Momentanwert-Kompander nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Daten für die jeweilige Quantisierungseinstellung (Fig. 4a, 4b) den Datenworten des Signals zugeführt werden.
8. Quasi-Momentanwert-Kompander nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Daten für die jeweilige Quantisierungseinstellung den Quantisierungsbereich (Q) und den Verschiebungsbereich (V) beinhalten.
9. Quasi-Momentanwert-Kompander nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Codierung der Abtastwerte der Zweierkomplement-Code verwendet wird und die zwecks Bitreduktion aus den vollständigen Datenworten erzeugten Ausschnitte in unveränderter Form übertragen werden (Fig. 2, Fig. 3).