DE3805169C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein derartiges Verfahren ist aus IEEE Cat. No. 83 CH, 1848-1, S. XII-24 bis XII-31 (Y. Yasuda et al. "Development of variable-rate Viterbi decoder and its performance characteristics", Sixth Int. Conf. on Digital Satellite Communications, 19-23 Sept. 1983, Phoenix Arizona, USA) bekannt.

Zum Übertragen digital codierter Tonsignale über Rundfunk­ kanäle wird ein relativ hoher Bitfehlerschutz sendeseitig angestrebt, um auch einen Empfang unter schlechten Übertragungsbedingungen, 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 Datenrate einhergeht. Zur Verringerung der Datenrate werden meist vor der Kanalcodierung bitsparende Quellencodierungen eingesetzt, welche auf einer Redundanz- und Irrelevanzverringerung beruhen (DE-PS 34 40 613). Dabei fallen zusätzlich zu dem co­ dierten Tonsignal Skalenfaktoren und/oder andere Steuer­ parameter für den Quellendecodierer für die Übertragung an (DE-PS 34 24 813). Störungen dieser Zusatzinformationen im Rundfunkkanal können kurzzeitig zu einem völligen Ausfall auf der Wiedergabeseite führen. Diese Zusatzinformationen müssen deshalb erheblich stärker geschützt werden als das codierte Tonsignal.

Als primären Fehlerschutz in digitalen Kommunikationssystemen verwendet man beispielsweise einen Faltungscode der Coderate 1/2 (J.L. Massey "The how and why of channel coding" Proc. 1983 Zürich Seminar Digital Communication, IEEE Cat. No. 84 CH 1998-4, S. 67- 73), was einer Redundanz von 50% (bezogen auf das kanalcodierte Signal) bzw. einer Verdoppelung der Datenrate des quellencodierten Tonsignals entspricht. Da dieser primäre Fehlerschutz im allgemeinen wegen sog. "Burstfehler" nicht ausreicht, wird zusätzlich ein Blockcode dem Faltungscode überlagert. 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 Blockcode keine sinnvolle Korrektur mehr erlaubt. Aus diesem Grund muß der Faltungscode eine hohe Leistungsfähigkeit bezüglich Fehlerkorrektur besitzen, was für die weniger wichtigen Binärstellen des quellencodierten 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.

Aus der US-PS 41 19 945 ist es zum Übertragen von PCM- codierten Bildsignalen bekannt, unterschiedliche Fehlerschutzklassen für die einzelnen Bits eines Abtastwertes durch Übertragen einer unterschiedlichen, jedoch festgelegten Häufigkeit von Paritäts-Bits des Faltungscodes vorzusehen. Hierzu sind die für die einzelnen Bits vorgesehenen Schieberegister mit Anzapfungen an unterschiedlichen Zellen versehen, wobei die Anzapfungen hierarchisch verknüpft werden. Da bei quellencodierten redundanz- und irrelevanzreduzierten Tonsignalen Informationsblöcke mit variierender Länge von z. B. 200 Bits bis 800 Bits und mit variierendem Verhältnis von höher- und geringerwertigen Bits auftreten, müßte das bekannte Verfahren nicht nur auf die größte vorkommende Blocklänge ausgelegt werden, sondern auch mit variierender Anzapfung der Schieberegister versehen werden, was im Ergebnis zu einem unverhältnismäßig hohen Aufwand führen würde.

Bei dem bekannten gattungsgemäßen Verfahren werden mit einem coderatenvariablen Faltungscoder eine Vielzahl diskreter Coderaten gleich oder größer als 1/2 je nach Anforderung an die Signalqualität und/oder den Leistungszustand des Nachrichtenkanals verwirklicht. Eine für einen bestimmten Anwendungsfall gewählte Coderate bleibt jedoch unverändert, womit auch bei diesem Stand der Technik stets ein abschnittsweise gleicher Fehlerschutz bei der gewählten Coderate vorgesehen ist, der sich nur sprunghaft ändern läßt. Für die unterschiedliche Struktur eines quellencodierten, redundanz- und irrelevanzreduzierten Tonsignals ist jedoch ein gleichmäßiger Fehlerschutz - gleichgültig, bei welcher Coderate - unökonomisch, da dort Bits mit stark unterschiedlichem, laufend variierendem Fehlerschutzbedürfnis vorhanden sind.

Die Aufgabe der Erfindung besteht demgegenüber darin, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art zu schaffen, welches eine optimale Anpassung an das variierende Fehlerschutzbedürfnis der Bits des Informationssignals gewährleistet.

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

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Eine bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in dem Anspruch 7 angegeben.

Die Erfindung beruht auf der Überlegung, bei einem aus einer Folge von Informationsblöcken bestehenden digitalcodierten Informationssignal 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 (7)

1. Verfahren zum Übertragen eines digital-codierten Informationssignals, das zum Fehlerschutz einer Faltungscodierung unterzogen wird, an die sich eine variable Punktierung entsprechend dem Erfordernis der Signalqualität anschließt, wobei die zu punktierenden Bits durch wechselnde Matrizen vorgegeben sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine mehrfache Faltungscodierung eines Informationsblocks entsprechend der gewünschten maximalen Übertragungssicherheit angewendet wird, daß jeweils eine Punktierungsmatrix zur Punktierung eines Informationsblocks vorgesehen ist, daß zur kontinuierlichen Anpassung des Fehlerschutzes an die variierende Bedeutung der einzelnen Binärstellen des Informationsblocks die Zahl der Spalten der Punktierungsmatrix gleich der Anzahl der Binärstellen des Informationsblocks ist, und daß die Abfolge der Punktierungsmatrizen Sprungstellen im Fehlerschutz vermeidet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Punktierungsmatrizen symmetrisch aufgebaut sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Punktierungsmatrizen sende- und empfangsseitig fest vorgegeben sind.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Punktierungsmatrizen durch übertragene Kennsignale im Empfänger aktivierbar sind.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Punktierungsmatrizen als Ganzes an den Empfänger übertragen werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß für verschiedene Arten von Informationsblöcken, die sich mittels einer Quellencodierung ergeben, bei der eine Redundanz- und Irrelevanzreduktion Anwendung findet, verschiedene Punktierungsmatrizen vorgesehen werden.

7. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 bei der Übertragung eines digitalen Ton- Rundfunksignals.