-
Die Eigenschaften eines gegebenen Übertragungsweges für digitale
Signale sind vor allem durch seine Bandbreite und seinen Störabstand festgelegt.
Daraus ergibt sich eine obere Grenze der Übertragungskapazität für digitale Signale,
d. h. eine obere Grenze für die Anzahl der übertragbaren Bits pro Sekunde. Im Falle
von
Tonsignalen ist daher die Anzahl der Abtastwerte pro Zeiteinheit und insbesondere
auch die Anzahl der Bits pro Abtastwert begrenzt. Ein für Rundfunkübertragungsstrecken
unerläßliche qualitativ hochwertige Übertragung erfordert eine Auflösung von 14
Bit und eine Abtastfrequenz von 32 kein, folglich eine Datenrate von mehr als 400
kBit/s. Andererseits ist eine Auflösung von 14 Bit zwar hinreichend, aber für Super-Hifi-Anwendungen
noch nicht groß genug.
-
Ähnliche Probleme existieren nicht nur bei der Übertragung von digitalen
Signalen über Rundfunkstrecken, sondern auch bei der Speicherung solcher Signale,
da auch dort die Bandbreite bzw. die verfügbare Bitrate begrenzt ist. Unter »Übertragung«
wird daher im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung auch die Speicherung digitaler
Signale verstanden.
-
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren der eingangs
erwähnten Art dahingehend zu verbessern, daß entweder bei vorgegebener Bandbreite
und damit vorgegebener Übertragungskapazität eine höhere Tonsignalauflösung erzielt
oder bei vorgegebener Auflösung die für das Tonsignal erforderliche bertragungskapazität
verringert werden kann, mit der Möglichkeit, Zusatzsignale ohne erhöhten Bandbreitenbedarf
zu übertragen.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale
des Anspruchs 1 gelöst.
-
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 ein bekanntes Code-Schema für den Zweier-Komplement-Code; F i g. 2 ein
bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Anwendung gelangendes Code-Schema für Zweier-Komplement-Code,
wobei im Unterschied zu dem Code-Schema nach F i g. 1 zusätzliche Informationen
übertragen werden können; F i g. 3 ein Blockschaltbild einer senderseitigen Schaltungsanordnung
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf der Senderseite; Fig.4 ein
Blockschaltbild einer empfängerseitigen Schaltungsanordnung zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens auf der Empfängerseite; F i g. 5 ein weiteres Code-Schema,
bei dem in Abweichung von dem Code-Schema nach F i g. 2 eine höhere Tonsignalauflösung
vorgesehen ist.
-
Das Code-Schema nach Fig. 2 beruht auf der Überlegung, daß nicht
mehr alle Bits eines Abtastwertes (vgl.
-
F i g. l: Y 1 . . . Y14) übertragen werden, sondern neben dem Vorzeichenbit
Y1 nur noch solche Bits, deren Wert sich nicht bereits aus dem Vorzeichen bit und
dem Skalenfaktor ergeben; das sind in Fig. 1 neben Y1 die Bits, die sich rechts
vom treppenförmigen Muster befinden.
-
Dementsprechend variiert die Anzahl der bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren übertragenen Bits eines Tonsignals pro Block derart, daß bei großen Skalenfaktoren
weniger Tonsignal-Bits pro Block übertragen werden.
-
Wenn der Übertragungsweg eine ausreichend große Kapazität für die
Übertragung von stets gleich langen Bitmustern pro Block (z. B. 32 14 Bit) besitzt,
können bei Blöcken mit großem Skalenfaktor die von den Abtastwerten des Tonsignals
ungenutzten Bitplätze entsprechend F i g. 2 zur Übertragung von Zusatzinformationen
verwendet werden. Bei einem Block mit z. B. einem Skalenfaktor 8 werden dann neben
den sieben Bits Y1, .9... Y14 des einzelnen Abtastwertes des Tonsignals noch jeweils
weitere sieben Bits der Zusatzinformation (Z1 ...27) übertragen, ohne daß hierfür
eine höhere Bandbreite des vorgegebenen Übertragungswe-
ges vorzusehen ist. Diese
Zusatzsignalübertragung läßt sich beispielsweise mittels der Schaltungsanordnungen
für Coder und Decoder gemäß Fig. 3 und 4 realisieren.
-
Der in F i g. 3 veranschaulichte, senderseitige Coder enthält unmittelbar
nach seinem Eingang 11 einen A/D-Wandler 10, der das Tonsignal 1 abtastet und quantisiert.
Die digitalen Abtastwerte 80 werden im Datenformat gemäß dem Zweier-Komplement-Code
fortlaufend in einem Speicher 30 mit wahlfreiem Zugriff (RAM) abgespeichert und
dabei zu Blöcken von je 32 Abtastwerten zusammengefaßt. Der betragsgrößte Abtastwert
des Blockes wird im Skalenfaktorcoder (SCF) 20 festgestellt und zur Bestimmung des
Skalenfaktors ausgewertet. Der dem Datenbus 90 zugeführte, codierte Skalenfaktor
wird anschließend in einem Wandler 50 parallel/seriell gewandelt, über die Leitung
51 und über einen Multiplexer 170 auf den Ausgang 171 zu dem nicht dargestellten
Modulator des Senders gegeben. Dem Multiplexer 170 werden ferner in der nachstehend
erläuterten Weise die Abtastwerte des Tonsignals und die Zusatzinformationen zugeführt.
-
Die in dem RAM 30 gespeicherten, digitalisierten Tonsignale werden
zusammen mit den in einem weiteren RAM 160 gespeicherten, digitalen Zusatzdaten
2 in Form von Blöcken von jeweils 32 Datenworten, bestehend aus je einem Abtastwort
und einer variierenden Anzahl von Zusatzbits, in vier Schritten verarbeitet 1. Schritt
Das erste Abtastwort jedes Blockes wird aus dem RAM 30 ausgelesen, über den Bus
110 in einen Parallel/ Seriellwandler 40 gegeben und von dort in der benötigten
Auflösung (Steller 120) unter der Kontrolle der Ablaufsteuerung 100 in Form des
Bitmusters 42 auf die Leitung 41 herausgeschoben. Das Bitmuster 42 wird einem Schieberegister
60 angeboten, welches zuerst das Vorzeichenbit Yl übernimmt.
-
2. Schritt Jene MBS's, die die Ablaufsteuerung 100 entsprechend dem
vom Coder 20 über den Bus 90 gelieferten Skalenfaktor als redundant erkennt, werden
in einem zweiten Schritt durch den Takt auf der Steuerleitung 101 aus dem Parallel/Seriellwandler
40 ausgegeben, jedoch durch Unterdrückung des Taktes auf der Leitung 103 nicht vom
Schieberegister 60 aufgenommen. Diese Arbeitsweise ist anhand der Bitmuster 42 und
62 erkennbar. Hier sind die dem Vorzeichenbit Y1 folgenden zwei höchstwertigen Bits
Y2, Y3 als redundant angenommen; bei Verwendung des Zweier-Komplement-Codes haben
dementsprechend die drei ersten Bits Y1, Y2, Y3 den gleichen Wert, logisch Null
oder logisch Eins. Von diesen drei Bits wird nur das Vorzeichenbit Y1 vom Schieberegister
60 herausgegeben, wodurch sich das Bitmuster 62 ergibt.
-
3. Schritt Erst wenn die redundanten Bits den Wandler 40 verlassen
haben, werden die folgenden restlichen Bits gemäß der vom Steller 120 vorgegebenen
Auflösung des Abtastwertes vom Wandler 40 zum Schieberegister 60 transportiert und
in Form des Bitmusters 62 über die Leitung 61, den Schalter 70 in dessen Position
A und über die Leitung 71 dem Multiplexer 170 zugeführt.
-
4. Schritt Nach Aufgabe der Tonsignalinformation berechnet die Ablaufsteuerung
100 aus der mit dem Steller 130 vorgegebenen Blocklänge (32 14 Bit), dem vom Coder
20 gelieferten Skalenfaktor und der mit dem Steller 120 vorgegebenen Auflösung der
Abtastwerte 14 Bit), wieviele Bitstellen eines Codewortes noch zur Übertragung der
Zusatzdaten 2, die zuvor über den Bus 150 dem Parallel-Seriellwandler 140 zugeführt
wurden, zur Verfügung stehen (vgl. F i g. 2). Entsprechend der für die Zusatzdaten
2 ermittelten freien Übertragungskapazität steuert die Ablaufsteuerung 100 über
die Taktleitung 102 das Auslesen der Zusatzbits (Z 1, Z2) aus dem Wandler 140. Sie
werden dann über Leitung 141 als Bitmuster 142 über den Schalter 70, der von der
Ablaufsteuerung 100 mittels Steuersignal auf Leitung 105 von der Position A (Tonsignalinformation)
auf Position B (Zusatzinformation) gestellt wurde, dem Multiplexer 170 zugeführt.
Am Ausgang 71 des Schalters 70 ergibt sich auf diese Weise das Bitmuster 72, aus
welchem erkennbar ist, daß die Zusatzinformationsbits Z 1, Z 2 an die Tonsignalbits
angefügt sind. Der Multiplexer 170 arbeitet entsprechend einem Steuersignal von
der Ablaufsteuerung 100 über die Leitung 104 derart, daß nach der Ausgabe des Skalenfaktors
32 aufeinanderfolgende Bitmuster 72 ausgegeben werden.
-
Der empfängerseitig vorgesehene Decoder zum Decodieren der empfangenen
Abtastwerte und Zusatzinformationen ist in F i g. 4 veranschaulicht und weist einen
bezüglich des Coders nach F i g. 3 analogen Aufbau auf. Der dem Decodereingang 201
nachgeschaltete Demultiplexer 200 trennt von dem digitalen Signal 3, das vom Demodulator
des Empfängers kommt, den Skalenfaktor ab, der über die Leitung 202 und einen Seriell/Parallelwandler
220 und den Bus 230 der Ablaufsteuerung 240 zugeführt wird. Mit Hilfe des Skalenfaktors
und den von den Stellern 250, 260 vorgegebenen Angaben über die Blocklänge (32 14
Bit) und die Auflösung (14 Bit) decodiert die Ablaufsteuerung 240 die vom Demultiplexer
200 als Bitmuster 204 der Leitung 203 zugeführten Tonsignal- und Zusatzinformationen
wortweise, und zwar wiederum jeweils in vier Schritten.
-
Dabei wird das Datenwort (Bitmuster 204) in seine Bestandteile Zusatzdaten
214 und Tonsignalbits 213, 331 zerlegt.
-
1. Schritt Das erste Bit des ersten Wortes jedes Blockes wird über
den Schalter 210, der von der Ablaufsteuerung 240 auf Position A (Tonsignalinformation)
gestellt wird, über die Leitung 211 in ein Schieberegister 310 eingelesen. Dieses
Vorzeichenbit Y1 wird durch einen Steuerbefehl der Ablaufsteuerung 240 auf der Leitung
245 in die zweite Speichereinrichtung 320 eingelesen.
-
2. Schritt Die redundante Tonsignalinformation (im betrachteten Beispielsfall
Y2, Y3), die von der Übertragung ausgeschlossen wurde, wird jetzt von der Ablaufsteuerung
240 unter Auswertung des Skalenfaktors rekonstruiert, indem der Wert des im Schieberegister
310 bzw. auf der Leitung 311 stehenden MSB's in der benötigten Anzahl in der Speichereinrichtung
320 entsprechend der Anzahl von Takten, die die Ablaufsteuerung 240 auf der Leitung
243 der Speichereinrichtung 320 zuführt, vervielfacht wird.
-
3. Schritt Anschließend werden die restlichen Bits des Tonsignalabtastwortes
vom Schieberegister 310 in die Speichereinrichtung 320 geschoben und dort in paralleles
Format gebracht und über den Bus 330 als Bitmuster 331 dem D/A-Wandler 340 formatgerecht
zugeführt. An dessen Ausgang 341 steht dann das analoge Tonsignal zur Verfügung.
-
4. Schritt Nach der Rekonstruktion des Tonsignals stellt die Ablaufsteuerung
240 mittels Steuerleitung 244 den Schalter 210 auf Position B (Zusatzinformation)
und führt den Rest des übrigen Codewortes auf der Leitung 203, d. h. die Zusatzinformation
gemäß Bitmuster 214 über die Leitung 212, den Seriell/Parallelwandler 270, der über
die Leitung 241 gesteuert wird, und den RAM-Speicher 290 und über die Leitung 291
der Auswertungslogik 300 zu. Dabei steuert die Logik 300 über eine Steuerleitung
301 den RAM-Speicher 290, der über den Bus 280 mit dem Ausgang des Wandlers 270
gekoppelt ist.
-
Die erfindungsgemäß geschaffene zusätzliche Übertragungskapazität
ist auf natürliche Weise in Worten strukturiert: Die Wortlänge entspricht der Anzahl
der Abtastwerte eines Blockes. Bei einem Skalen faktor 3 werden beispielsweise 2
32 Bit, bei einem Skalenfaktor 2 1 32 Bit und bei einem Skalenfaktor 1 0 32 Bit
jeweils pro Block übertragen.
-
Diese zusätzliche Übertragungskapazität kann verschieden genutzt
werden: Es können mit dem Signal nicht zusammenhängende Daten (bei einem Rundfunktonsignal
z. B. Senderkennung, Verkehrsfunk, Wetterbericht oder Nachrichten in Form von alphanumerischem
Text oder Standbildern) oder auf das Signal bezogene Daten (z. B. Programmart, Interpret
und Text eines Liedes, Übersetzung eines fremdsprachlichen Beitrages, Angaben zum
Originalschalldruckpegel des Tonsignals) übertragen werden.
-
Die zusätzlich geschaffene Übertragungskapazität kann ferner auch
nur teilweise zur Übertragung von Zusatzinformationen genutzt werden, um mit der
verbleibenden Übertragungskapazität das Tonsignal mit einer höheren Amplitudenauflösung
zu übertragen.
-
F i g. 5 zeigt am Beispiel, wie bei allen Tonsignalabtastwerten,
die einem Skalenfaktor 2 entsprechen. die Auflösung der Abtastwerte um 1 Bit auf
15 Bit (Y1 Y15) erhöht werden kann. Bei Blöcken mit Skalenfaktoren oberhalb von
2 beträgt die Auflösung der Abtastwerte 16 bit (Y1 bis Y16); die restliche freie
Kapazität kann dann wiederum durch Zusatzinformation Z1 bis Z5 belegt werden.
-
Die Amplitudenauflösung eines digitalen Signals wird - wie oben bereits
erläutert - u. a. von der begrenzten Obertragungskapazität eines Übertragungsweges
bestimmt. Die so begrenzte Auflösung (Anzahl der pro Abtastwert übertragenen Bits,
z. B. 14 Bit) führt zu den sogenannten Quantisierungsfehlern: Diese wirken sich
bei niedrigen Pegeln eines digitalen Signals meist störender aus als bei hohen Pegeln;
bei niedrigen Tonsignalamplituden beispielsweise können diese Fehler als Quantisierungsrauschen
eher hörbar werden. Bei hohen Signalpegeln (kleine Skalenfaktoren) entspricht die
übertragbare Auflösung der ursprünglichen Auflösung, wie sie ohne Anwendung der
Erfindung gegeben ist; mit kleiner werdendem Signalpegel kann mittels der Erfin-
dung
der Quantisierungsfehler des Signals zunehmend verringert werden. Dabei wird die
Tatsache ausgenutzt.
-
daß bei niedrigen Pegeln die Blöcke des digitalen Signals besonders
viele redundante Bits enthalten. Die dann besonders-hobe zusätzliche Übertragungskapazi
tät wird verwendet, indem statt der redundanten Bits (z. B. Y1 und Y3) weitere LSBs
(Y15 und Y16) übertragen werden. die eine feinere, über die ursprüngliche Genauigkeit
hinausgehende Amplitudenauflösung des Signals (Bits Y 15, Y16) ermöglichen (vgl.
F i g. 5). Auch die Alternative einer erhöhten Amplitudenauflösung läßt sich mit
den Schaltungsanordnungen nach Fig.3 und 4 realisieren. Aus den Angaben des Skalenfaktors.
-
der Blocklänge und der Auflösung des Tonsignal-Abtastwertes bestimmen
die Ablaufsteuerungen 100 bzw.
-
240 von Coder und Decoder, wie das zu übertragende Codewort aus Zusatzinformation
und Tonsignalinformation mit erhöhter Auflösung zusammengesetzt ist. In Empfängern
mit geringeren Qualitätsansprüchen kann auf die Auswertung der erhöhten Auflösung
bei kleinen Signalpegeln verzichtet werden (Abschneiden der LSBs). Die Ablaufsteuerung
240 des Decoders sorgt dabei über die Kontroll-Leitung 242 dafür, daß bei reduzierter
bzw. erhöhter Auflösung die Abtastwerte formatgerecht in der vom D/A-Wandler auswertbaren
Amplitudenauflösung angeboten werden.
-
- Leerseite -