DE4013204C2 - Verfahren zur Übertragung eines Datenstromes von digitalen Daten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Zur Verringerung der Datenrate von digitalen Tonsignalen sind Datenreduktionsverfahren wie z. B. MSC (Mehrfach adaptive spektrale Audio-Codierung), ASPEC (Adaptive Spectroperceptual Entropy Coding), MASCAM (Masking Pattern Adapted Universal Sub-Band Integrated Coding and Multiplexing), MUSICAM u. s. w. bekannt, die in der Regel die psycho-akustischen Eigenschaf­ ten der menschlichen Audio-Wahrnehmung berücksichtigen. Bei diesen heute bekannten und mit vertretbarem Aufwand für die Anwendung in einem digitalen Rundfunksystem realisierbaren Verfahren hat es sich gezeigt, daß für eine digitale Tonüber­ tragung mit hoher Tonqualität im Mittel z. B. 80 kbit/s pro Monokanal ausreichend sind, d. h. bei z. B. 98% aller Musik­ stücke oder in 98% aller Zeit können bei dieser Datenrate keine von der Datenreduktion stammende Defekte hörbar werden.

Diese Datenrate reicht jedoch bei bestimmten kritischen Musikstücken, die im genannten Beispiel als restliche 2% auftreten, nicht aus. In diesen Extremfällen und bei beson­ ders hohen Ansprüchen an die Qualität muß für den gerade kritischen Programmkanal zeitweise eine Datenrate von 128 kbit/s oder sogar 192 kbit/s zur Verfügung stehen wie dies aus dem Beitrag von Stoll et al "Masking-pattern adapted subband coding: Use of the dynamic bit-rate margin, 84th Convention of the Audio Engineering Society, Paris 1988, Preprint No. 2585" [1] bekannt ist.

Unter frequenz- und programm-ökonomischen Gesichtspunkten ist es nachteilig, die Datenrate je Programmkanal auf einen jeweils nur kurzzeitig erforderlichen Spitzen-Datenratenbe­ darf wie z. B. 192 kbit/s auszulegen, denn dies reduziert die Anzahl der übertragbaren Programme in einem vorgegebenen Frequenzband bzw. einer vorgegebenen Gesamtdatenrate entspre­ chend. Abhilfe kann in gewisser Weise die Verwendung von Datenpuffern bringen, mit denen Spitzenanforderungen an die Datenrate innerhalb kurzer Zeit-Intervalle durch geringere Anforderungen in Zeit-Intervallen vorher oder nachher sozusa­ gen "geglättet" oder "ausgepuffert" werden können.

Nachteilig ist dabei jedoch die prinzipiell durch jeden Puffer bewirkte Zeitverzögerung des Tonsignals, die bei bekannten Vorschlägen von ca. 40 msec bis 1 sec reicht. Aus verschiedenen Gründen ist es für wichtige Anwendungen jedoch notwendig, daß die gesamte Verzögerung geringer als 25 msec bemessen ist.

Die terrestrische HF-Ausstrahlung mehrerer digitaler Programme auf einem HF-Träger kann z. B. mit Hilfe des COFDM (Coded-Orthogonal-Frequency-Devision-Multiplex)-Verfahrens erfolgen, wie dies aus dem Beitrag von Le Floch et al "Digital Sound Broadcasting to Mobile Receivers" IEEE Transaction on Consumer Electronics [2] bekannt ist.

Für die Ausstrahlung von 13 Stereo-Programmen mit hoher Qua­ lität (jeweils codiert mit zweimal 168 kbit/s), war damit bei einem Versuchssystem eine HF-Bandbreite von 7 MHz erforder­ lich [2]. Für durchschnittliches Musikprogramm auf allen Pro­ grammkanälen bedeutet das aber, daß ein erheblicher Teil der verfügbaren Datenrate vom Tonsignal selbst ungenutzt bleibt. Dieser Teil der Datenrate wird eigentlich nur für solche (statistisch gesehen seltene) Programm-Zeitabschnitte vorge­ halten, die für das verwendete Datenreduktionsverfahren hin­ sichtlich der Qualität kritisch sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Anzahl der in einem HF-Frequenzband übertragbaren digitalen Ton- oder/und Bildprogramme ohne Qualitätseinbuße zu vergrößern.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen ausgeführt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen erläu­ tert. Darin zeigen:

Fig. 1 ein bekanntes mehrkanaliges Tonübertragungssy­ stem,

Fig. 2 einen Empfänger zu diesem System,

Fig. 3 ein neues mehrkanaliges Tonübertragungssystem,

Fig. 4 einen Empfänger zu dem neuen Tonübertragungssy­ stem,

Fig. 5 einen Einfachempfänger zu dem neuen Tonübertra­ gungssystem,

Fig. 6 die Gewinnung eines gemeinsamen ergänzenden Signales zu dem neuen Tonübertragungsystem.

Fig. 1 zeigt ein bekanntes Prinzip eines mehrkanaligen digi­ talen Tonübertragungssystemes, welches hier der Einfachheit halber nur für 4 einzelne Tonprogramme dargestellt ist. Die datenreduzierenden Encoder C1, C2, C3 und C4 liefern für jedes einzelne Signal eine zeitlich feste Datenrate von je 120 kb/s, die sich aus einer von dem jeweiligen Grad der Datenreduktion abhängigen und daher bei üblichen Tonprogram­ men schwankenden Nutzdatenrate und einer die Nutzdatenrate zu 120 kb/s ergänzenden Fülldatenrate zusammensetzt. Die einzel­ nen Signale werden in einem Multiplexer M1 zu einem gemeinsa­ men Digitalsignal mit ebenfalls fester Datenrate von 4.120 kb/s = 480 kb/s zusammengefaßt. In dem bekannten System der Fig. 1 muß aufgrund der festen Datenraten die Dimensionierung des Übertragungskanals am Ausgang des Multiplexers M1 auf den Spitzendatenratenbedarf aller Audiokanäle im worst case erfolgen.

Fig. 2 zeigt einen zum Übertragungssystem der Fig. 1 gehören­ den Empfänger, bestehend aus einem Demultiplexer für den jeweiligen Datenstrom von 120 kb/s und einen Dekoder hierfür.

Fig. 3 zeigt ein erfindungsgemäß konzipiertes neues Übertra­ gungssystem für dieselbe Kanaldatenrate von 480 kb/s, das nun jedoch ein Tonsignal mehr übertragen kann als das bekannte System nach Fig. 1. Die Coder C10, C11, C12, C13 und C14 liefern im Gegensatz zu den Codern aus Fig. 1 zwei getrennte Ausgangssignale. Jedes erste Teilsignal an jedem Coderausgang hat eine zeitlich unveränderliche Datenrate von 80 kb/s. Auch diese setzt sich aus einer von dem jeweiligen Grad der Daten­ reduktion abhängigen und daher bei üblichen Tonprogrammen schwankenden Nutzdatenrate und einer die Nutzdatenrate zu 80 kb/s ergänzenden Fülldatenrate zusammen. Bei einer 80 kb/s überschreitenden Nutzdatenrate wird das erste Teilsignal dann auf eine Nutzdatenrate von ebenfalls 80 kb/s begrenzt. Jedes erste Teilsignal am Coderausgang enthält Daten, die bereits für sich als Tonsignal dekodiert werden können. Da diese feste und begrenzte Datenrate im worst case, d. h. bei beson­ ders kritischen Tonsignalabschnitten, nicht alle für exzellente Qualität erforderliche Daten aufnehmen kann, kann das allein aus dem ersten Teilsignal mit fester Datenrate (80 kb/s) dekodierte Tonsignal gewisse Degradationen aufweisen.

Jeder Coder C10, C11, C12, C13 und C14 liefert neben dem ersten Teilsignal mit fester Datenrate ein zweites Teilsignal mit veränderlicher Datenrate, das die verbleibenden Nutzda­ ten, also die durch die Begrenzung im ersten Teilsignal zeit­ weise abgeschnittenen Nutzdaten enthält. Typischerweise wird ein solches zweites Teilsignal nur bei kritischen Eingangssi­ gnalen oder in kritischen Abschnitten des Eingangssignales zum jeweiligen Coder nennenswerte Datenraten führen, sonst jedoch mit großer Häufigkeit nur minimale oder sogar ver­ schwindende Datenraten führen. Alle zweiten Teilsignale wer­ den einer Steuereinheit zugeführt, welche diese Signale mit Steuerinformation versieht und - soweit die Summe der Daten­ raten aller zweiten Teilsignale dieses erlaubt - alle Teilsi­ gnale für einen weiteren gemeinsamen Kanal mit fester Daten­ rate (hier ebenfalls 80 kb/s) codiert.

Falls die Datenratensumme aller Teilsignale kurzzeitig oder dauernd die zur Verfügung stehende Übertragungsrate über­ schreitet, werden in Abhängigkeit von der Priorität oder der Wichtigkeit einzelner zweiter Teilsignale für die empfangs­ seitig dekodierbaren Tonsignale einzelne weniger wichtige zweite Signalteile verzögert, weiter reduziert oder sogar garnicht in das gemeinsame ergänzende Signal aufgenommen. Die Grundüberlegung zu dem in Fig. 3 dargestellten Übertragungs­ system geht davon aus, daß die Eingangstonsignale statistisch unabhängig voneinander sein werden und daher in der Regel nicht alle gleichzeitig die maximal mögliche Datenrate in dem zweiten Teilsignal erfordern werden. Es sollten damit normalerweise alle zweiten Teilsignale so übertragen werden können, daß die Tonsignale ohne Degradationen dekodiert werden können.

Fig. 4 zeigt einen hochwertigen Empfänger für das Übertra­ gungssystem nach Fig. 3. Mit zwei Demultiplexern werden aus dem Eingangsdatensignal für den jeweiligen Tonkanal das erstes Teilsignal und aus dem gemeinsamen ergänzenden Signal das zugehörige zweite Teilsignal. Beide Teilsignale werden dem Dekoder zugeführt, der hieraus das Ausgangstonsignal dekodiert.

In einem Einfach-Empfänger, z. B. Auto-Radio, gemäß Fig. 5 wird nur das erste Teilsignal mit fester Datenrate dekodiert. Die aufwendigere Demultiplex- und Dekodierfunktion für das zweite Teilsignal wird eingespart. Hiermit ergibt sich in kritischen Signalabschnitten eine reduzierte Tonqualität, die jedoch für verschiedene Anwendungen, z. B. für Geräte niedri­ ger Preisklassen, durchaus akzeptabel sein kann.

Fig. 6 zeigt im den linken Bildteilen die für eine bestimmte Tonqualitätsvorgabe erforderliche individuelle Datenrate an 5 Coderausgängen als Funktion der Zeit. Die zeitabhängig vari­ ierende für eine gute Tonqualität erforderliche Datenrate erreicht nur selten den worst case Wert von 120 kb/s und bleibt sogar überwiegend unter 80 kb/s. Die rechts darge­ stellten ersten Teilsignale enthalten daher mit je 80 kb/s meist bereits die volle anfallende Datenrate und übertragen damit die volle Tonqualität. Die in kurzen Zeitabschnitten 80 kb/s überschreitenden individuellen Teildatenströme bilden die 5 zweiten Teilsignale, welche gemeinsam in einem zusätz­ lichen Kanal von 80 kb/s übertragen werden.

Claims (9)

1. Verfahren zur Übertragung oder Decodierung mehrerer digi­ tal codierter vollständiger Ton-, Bild- oder Daten- Signale in einem Gesamtdatenstrom, wobei einzelne oder alle dieser Signale zeitlich variierende Datenraten auf­ weisen, gekennzeichnet durch:
jedes dieser vollständigen Signale wird zunächst für sich codiert als ein erstes Teilsignal mit innerhalb des Ge­ samtdatenstroms begrenzter, vorgewählter Nutzdatenrate;
für diese vollständigen Signale wird zu entsprechenden Zeitpunkten mit erforderlicher hoher Datenraten- Anforderung ein zweites Teilsignal für nicht innerhalb der begrenzten, vorgewählten Nutzdatenrate codierbare Da­ tenanteile codiert;
alle zu dem Gesamtdatenstrom gehörenden zweiten Teilsi­ gnale werden zu einem gemeinsamen ergänzenden Signal zu­ sammengefaßt und mit innerhalb des Gesamtdatenstroms be­ grenzter, vorgewählter Nutzdatenrate übertragen;
dem gemeinsamen ergänzenden Signal werden solche Informa­ tionen hinzugefügt, mit deren Hilfe bei der Decodierung in einem Empfänger das gemeinsame ergänzende Signal wie­ der in die einzelnen zweiten Teilsignale zerlegbar ist und ein entsprechendes zweites Teilsignal einem zugehöri­ gen ersten Teilsignal zugeordnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem jeweils für zwei der vollständigen Signale, insbesondere für Stereoton- Signale, ein gemeinsames erstes Teilsignal und ein ge­ meinsames zweites Teilsignal gebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem den zweiten Teilsignalen Informationen über die Wichtigkeit und/oder Priorität zugeordnet werden und diese Informationen bei der Zusammenfassung der zweiten Teilsignale berücksich­ tigt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Berücksichtigung der Wichtigkeit und/oder Priorität aller zweiten Teilsi­ gnale abschnittsweise in einem gemeinsamen zeitlichen Ra­ ster erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Berücksichtigung der Wichtigkeit und/oder Priorität der zweiten Teilsigna­ le in durch die betroffenen Signale selbst bestimmten Zeitabschnitten erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem ein­ zelne zweite Teilsignale geringerer Wichtigkeit und/oder Priorität verzögert, mit verminderter Qualität, mit ver­ minderter Quantität oder gar nicht in das gemeinsame er­ gänzende Signal übernommen werden, falls die Gesamtdaten­ rate aller zweiten Teilsignale die für das gemeinsame er­ gänzende Signal zur Verfügung stehende Datenrate über­ steigt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem ande­ re Daten dem gemeinsamen ergänzenden Signal hinzugefügt werden, wenn die Summe der erforderlichen Datenraten al­ ler zweiten Teilsignale oder derjenigen zweiten Teilsi­ gnale mit hoher Wichtigkeit und/oder hoher Priorität kleiner als die zur Verfügung stehende Datenrate ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die anderen dem ge­ meinsamen ergänzenden Signal hinzugefügten Daten für pro­ grammbegleitende Dienste genutzt werden, insbesondere für Verkehrsfunk, laufende Nachrichten oder RDS-Signale.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem für jedes erste Teilsignal ein gleicher Anteile am Gesamtda­ tenstrom vorgesehen wird und für das gemeinsame ergänzen­ de Signal ebenfalls der gleiche Anteil oder ein ganzzah­ liges Vielfaches davon vorgesehen wird.