DE3805169A1 - Verfahren zum uebertragen eines digital-codierten tonsignals - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Zum Übertragen digital codierter Tonsignale über Rundfunk­ kanäle wird ein relativ hoher Bitfehlerschutz sendeseitig angestrebt, um auch einen Empfang unter schlechten Über­ tragungsbedingungen, beispielsweise durch Abschattungen bei mobilem Empfang, zu gewährleisten. Dies erfordert eine entsprechend hohe Redundanz der übertragenen Binärstellen des digital-codierten Signals, was mit einer hohen Daten­ rate einhergeht. Zur Verringerung der Datenrate werden meist vor der Kanalcodierung bitsparende Quellencodierungen eingesetzt, welche auf einer Redundanz- und Irrelevanz­ verringerung beruhen. Dabei fallen zusätzlich zu dem co­ dierten Tonsignal Skalenfaktoren und/oder andere Steuer­ parameter für den Quellendecodierer für die Übertragung an. Störungen dieser Zusatzinformationen im Rundfunkkanal können kurzzeitig zu einem völligen Ausfall auf der Wieder­ gabeseite führen. Diese Zusatzinformationen müssen deshalb erheblich stärker geschützt werden als das codierte Ton­ signal. Als primären Fehlerschutz verwendet man beispiels­ weise einen Faltungscode der Coderate 1/2, was einer Re­ dundanz von 50% (bezogen auf das kanalcodierte Signal) bzw. einer Verdoppelung der Datenrate des quellencodierten Ton­ signals entspricht. Da dieser primäre Fehlerschutz für die Zusatzinformationen im allgemeinen nicht ausreicht, wird zusätz­ lich ein Blockcode über die Zusatzinformationen gelegt. Während bei dem Faltungscode der Kanalzustand ausgewertet und für die Fehlerkorrektur verwendet werden kann, ist dies bei dem überlagerten Blockcode nicht mehr möglich. Dies führt u.a. dazu, daß bei einem völligen Versagen der Fehlerkorrektur des Faltungscodes der überlagerte Block­ code keine sinnvolle Korrektur mehr erlaubt. Aus diesem Grund muß der Faltungscode eine hohe Leistungsfähigkeit bezüglich Fehlerkorrektur besitzen, was für die weniger wichtigen Binärstellen des quellcodierten Tonsignals eigentlich nicht erforderlich ist. Als weiterer Nachteil kommt hinzu, daß zwei unterschiedliche Coder und Decoder erforderlich sind und nur zwei verschiedene, genau fest­ gelegte Fehlerschutzklassen realisierbar sind.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren für eine hinsichtlich minimal Bitrate und maximalem Feh­ lerschutz optimierte Kanalcodierung zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnen­ den Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung beruht auf der Überlegung, bei einem aus einer Folge von Informationsblöcken bestehenden digital­ codierten Tonsignal die unterschiedliche Bedeutung der einzelnen Binärstellen jedes Informationsblocks für einen kontinuierlich abgestuften, variablen Fehlerschutz auszu­ nutzen, da eine geringwertige Binärstelle einen geringeren Fehlerschutz benötigt als eine höherwertige Binärstelle oder gar der mit maximalem Fehlerschutz auszustattende Skalenfaktor (bzw. Zusatzinformationen).

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorstufe der erfindungsgemäß vorgesehenen Kanalcodierung;

Fig. 2 Diagramme für die Abhängigkeit der Bitfehler­ rate vom Signal/Rausch-Abstand des Kanals für verschiedene Codearten bei der Kanalcodierung nach Fig. 1;

Fig. 3 eine schematische Darstellung der erfindungs­ gemäß vorgesehenen Kanalcodierung;

Fig. 4 ein Beispiel für einen Basiscode mit vier Ge­ neratorpolynomen (Coderate R′=1/4) und einer Punktierungsmatrix für einen Informationsblock mit 64 binären Datensymbolen entsprechend einer Gesamtcoderate R=0,47, und

Fig. 5 ein Diagramm für die Bitfehlerrate der binären Datensymbole innerhalb eines Informationsblocks für verschiedene Signal/Rausch-Verhältnisse auf dem Kanal bei der erfindungsgemäßen Kanalcodierung nach Fig. 3 und 4.

Die Erfindung geht von einem Faltungscoder mit Punktierung aus, dessen Aufbau und Wirkungsweise anhand von Fig. 1 er­ läutert wird. Mit jedem Zeittakt wird ein binäres Daten­ symbol in ein Schieberegister gegeben. Aus diesem Daten­ symbol (Speicherzelle 10) und einer bestimmten Anzahl vorangehender Datensymbole (Speicherzellen 20 bis 40) werden nach Vorschrift der sogenannten Generatorpolynome (im dargestellten Beispielsfalle das Polynom 1011 für die Verbindungen 11 bis 41 und das Polynom 1111 für die Ver­ bindungen 12 bis 42) über Exclusiv-ODER-Verknüpfungen 33, 43 bzw. 24, 34 und 44 Codebits gewonnen. Diese Code­ bits werden jeweils einem Schalter 50 bzw. 60 zugeführt, mit welchem die Übertragung der Codebits in Abhängigkeit des periodisch gelesenen, sogenannten Punktierungsvektors 51 bis 54 bzw. 61 bis 64 gesteuert wird. Der dargestellte Faltungscoder liefert zunächst pro Zeittakt zu einem bi­ nären Datensymbol ein Kanalsymbol mit zwei Bits. Das ent­ spricht einer Verdoppelung der Datenrate entsprechend einer Coderate R′ von 1/2. Durch die Punktierung werden die Datenrate und damit die Redundanz wieder reduziert. Es lassen sich damit auch Coderaten größer als 1/2 reali­ sieren, welche einen geringeren Fehlerschutz aufweisen. Fig. 2 zeigt als Beispiel Diagramme für eine Coderate von 1/2 (Kurve a), eine Coderate von 4/7 (Kurve b) und eine Coderate von 2/3 (Kurve c). Man erkennt aus dem Vergleich der Kurven a, b und c, daß bei einem vorgegebenen Signal/ Rauschabstand des Kanals die Bitfehlerrate mit steigender Coderate zunimmt; z.B. ist für einen Signal/Rauschabstand von 5 dB die Bitfehlerrate bei der Coderate 1/2 (Kurve a) um den Faktor 10 kleiner als bei der Coderate 4/7 (Kurve b) und um den Faktor 100 kleiner als bei der Coderate 2/3 (Kurve c).

Bei dem Kanalcodierungsverfahren nach Fig. 1 bleibt jedoch die Wichtigkeit der einzelnen Datensymbole für den Fehlerschutz unberücksichtigt, was dazu führt, daß ein solches Verfahren nur dann optimal ist, wenn alle binären Symbole gleichwertig sind und deshalb in gleicher Weise geschützt werden müssen. Im allgemeinen jedoch haben insbesondere bei digitalen Tonsignalen die einzelnen binären Datensymbole eine unterschiedliche Wertigkeit. Hinzu kommt, daß bei der Quellencodierung der Tonsignale zusätzliche Parameter, wie beispielsweise der Skalenfaktor je Datenblock, eine größere Störwirkung bei Bitfehlern haben, so daß hier noch größere Abstufungen im Fehlerschutz erforderlich sind. Ein gleichmäßiger Fehlerschutz müßte sich an dem extrem hohen Fehlerschutz­ bedürfnis der erwähnten zusätzlichen Parameter orientieren, was unökonomisch wäre.

Die erfindungsgemäße Kanalcodierung geht davon aus, die einzelnen Datensymbole entsprechend ihrer Störwirkung zu schützen. Hierzu werden gemäß Fig. 3 zunächst mittels einer Verknüpfungslogik 70 und der vorangehenden Daten­ symbole (Speicherzellen 10 bis 60) je binäres Datensymbol ein Kanalsymbol mit mehreren Bits am Ausgang der Ver­ knüpfungslogik 60 gebildet, wobei dieses gebildete Kanal­ symbol ein hohes Maß an Redundanz aufweist. Diese Codierung wird als Basiscodierung bezeichnet. Die Anzahl und der Umfang der Generatorpolynome in der Verknüpfungslogik 70 des Basiscodes werden so gewählt, daß er einen ausreichen­ den Fehlerschutz für das/die wichtigste(n) binäre(n) Daten­ symbol(e) bietet. Im Beispielsfalle von Fig. 4 sind für einen Basiscode der Coderate 1/4 entsprechend vier Genera­ torpolynome, nämlich

111100
101100
110100 und
100100

vorgesehen. Die letzten beiden Nullen jedes Generator­ polynoms dienen lediglich zur Auffüllung des sechsteiligen Schieberegisters 10 bis 60 von Fig. 3. Mit diesen vier Generatorpolynomen sind bei der Verknüpfungslogik 70 (Fig. 3) nur die ersten vier Ausgänge belegt. Für die Belegung aller acht Ausgänge benutzt man entsprechend acht Generatorpolynome, was einem Basiscode der Coderate 1/8 entspricht. Empfangsseitig wird für den gewählten Basiscode ein Faltungsdecoder, beispielsweise ein Viterbi- Decoder mit Soft-Decision-Technik realisiert.

Für einen Informationsblock des digitalen Signals wird entsprechend dem gewünschten Fehlerschutz für die einzelnen Binärstellen der Redundanzaufwand festgelegt und mit Hilfe einer sogenannten Punktierungsmatrix beschrieben. Die in Fig. 4 anhand eines Beispiels veranschaulichte Punktierungs­ matrix hat so viele Spalten, wie viele Datensymbole ein Informationsblock enthält, im dargestellten Beispiels­ falle 64 Bit. Die Anzahl der Zeilen in der Punktierungs­ matrix entspricht der Anzahl von Ausgängen der Verknüpfungs­ logik 70 in Fig. 3 bzw. der Anzahl der Generatorpolynome des gewählten Basiscodes. Für jeden definierten Zeitpunkt innerhalb des Informationsblocks legt eine zugehörige Spalte der Punktierungsmatrix fest, welche Bits des Kanal­ symbols zu diesem Zeitpunkt übertragen werden. In Fig. 3 steuert die Punktierungsmatrix 90 die Schalterstellungen der Torschaltung 80 für jedes Kanalsymbol, z.B. die Spalte 11110000.

Die gewählte Punktierungsmatrix muß in gleicher Weise auch dem Empfänger als Hardware oder als Software vor­ liegen. Dieser betrachtet die nicht übertragenen Bits eines Kanalsymbols als neutrale Elemente. Beispiels­ weise wird bei einem Viterbi-Decoder jeweils die Wahr­ scheinlichkeit für eine binäre Eins gleich der für eine binäre Null angesetzt. Der Aufwand des Decoders wird damit unabhängig von der Anzahl der übertragenen Kanal­ bits allein von dem verwendeten Basiscode bestimmt.

Die Bitfehlerrate, die sich bei unterschiedlichen Signal/ Rauschabständen des Kanals für die einzelnen binären Symbole innerhalb eines Informationsblockes ergibt, ist für den Basiscode und die Punktierungsmatrix gemäß Fig. 4 in der Fig. 5 dargestellt. Dabei wird von der in etwa spiegelsymmetrischen Organisation der Punktierungs­ matrix nach Fig. 4 ausgegangen, so daß sich zu Beginn und am Ende eines Informationsblockes die am meisten zu schützenden Datensymbole befinden. Zur Mitte hin wird ein kontinuierlich abgestufter Fehlerschutz benötigt. Wie man aus den für sechs verschiedene Signal/Rauschab­ stände (1 dB bis 6 dB) aufgetragenen Kurven in Fig. 5 erkennt, weisen die ersten und die letzten Bits jedes Informationsblockes eine wesentlich geringere Bitfehler­ rate auf als die mittleren Bits; z.B. liegt bei der oberen Kurve (Signal/Rauschabstand=1 dB) die Bitfehler­ rate für das erste und das letzte Bit noch unter 10^-3, während bei den mittleren Bits mit 10^-1 nahezu alle Bits bereits gestört sind.

Die symmetrische Organisation der Punktierungsmatrix wird unter anderem deshalb bevorzugt, weil damit Sprung­ stellen im Fehlerschutz für die binären Datensymbole ver­ mieden werden. Es versteht sich aber, daß die Erfindung nicht auf symmetrische Punktierungsmatrizen oder eine bestimmte Art der Abstufung des Fehlerschutzes beschränkt ist; vielmehr können für verschiedene Arten von Infor­ mationsblöcken auch mehrere Punktierungsmatrizen erzeugt werden, die dann je nach Bedarf ausgewählt werden.

Claims (6)

1. Verfahren zum Übertragen eines aus einer Folge von Informationsblöcken bestehenden digital­ codierten Tonsignals, bei dem

• - sendeseitig das digital-codierte Tonsignal einer entsprechend dem gewünschten Fehler­ schutz bemessenen Kanalcodierung unterzogen wird,
• - das kanalcodierte Tonsignal über einen stark störbehafteten Kanal übertragen wird, bei­ spielsweise mittels terrestrischer oder Satelliten-Rundfunkausstrahlung,
• - das übertragene Tonsignal empfangen und einer Kanaldecodierung unterzogen wird, wobei eine Fehlerkorrektur erfolgt,

dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines an sich bekannten Faltungscodes für die Kanalcodierung ein variabler Bit-Fehlerschutz in Abhängigkeit von der unterschiedlichen Bedeutung der einzelnen Binärstellen jedes Informationsblocks vorge­ sehen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem aus jeder Binärstelle des digital-codierten Tonsignals durch mehrfache Faltungscodierung ein Kanal­ symbol erzeugt wird, welches eine entsprechend mehrfache Redundanz der betreffenden Binär­ stelle des digital-codierten Tonsignals auf­ weist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Maß der für sämt­ liche Binärstellen zunächst erzeugten Redundanz von der gewünschten Übertragungssicherheit der wichtigsten Binärstelle(n) der Informa­ tionsblöcke abhängt, daß sendeseitig die Kanalsymbole der weniger wichtigen Binärstel­ le(n) durch Punktierung in ihrer Redundanz re­ duziert werden, um den Bitfehlerschutz an die geringere Wichtigkeit dieser Binärstelle(n) anzupassen, wobei diese Anpassung kontinuier­ lich entsprechend einem wählbaren Schema von den wichtigsten zu den unwichtigsten Binär­ stellen erfolgt, und daß empfangsseitig entsprechend demselben Schema die Decodierung mit einer Fehlerkorrektur der übertragenen, gestörten Kanalsymbole erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das wählbare Schema sende- und empfangsseitig fest vorgegeben ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das wählbare Schema durch über­ tragene Kennsignale im Empfänger aktivierbar ist.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das wählbare Schema als ganzes an den Empfänger übertragen wird.