DE69931570T2

DE69931570T2 - Ungleicher Fehlerschutz für digitalen Rundfunk mit Kanalklassifizierung

Info

Publication number: DE69931570T2
Application number: DE69931570T
Authority: DE
Inventors: Deepen Chatham Sinha; Carl-Erik Wilhelm Chatham Sundberg
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 1998-09-30
Filing date: 1999-09-21
Publication date: 2007-05-10
Anticipated expiration: 2019-09-22
Also published as: CA2279098C; US6292917B1; EP0991221A2; EP0991221B1; CA2279098A1; JP2000134179A; JP3504895B2; DE69931570D1; EP0991221A3

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf digitales Audio Broadcasting (DAB) und andere Techniken zur Übertragung von Information, und insbesondere auf Techniken zur Bereitstellung von ungleichem Fehlerschutz ("Unequal Error Protection, UEP") für verschiedene Klassen von Audio-, Video-, Bild- oder anderen Informationsbits, die in einer Quellcodierungsvorrichtung codiert werden.
Hintergrund der Erfindung
Die meisten quellcodierten Bitströme zeigen eine ungleiche Sensitivität für Bitfehler. Zum Beispiel können bestimmte Quellbits wesentlich empfänglicher für Übertragungsfehler sein als andere. Außerdem können Fehler in bestimmten Bits, wie zum Beispiel Steuerbits, zu schwerwiegender Fehlerfortpflanzung und einer entsprechenden Degradation der Qualität des rekonstruierten Signals führen. Solch eine Fehlerfortpflanzung kann zum Beispiel in den ausgegebenen Audiobits eines Audiocodierers auftreten als Folge der Benutzung von Steuerbits für Codebuch-Information, Rahmengrößeninformation, Synchronisationsinformation und so weiter. Der "Perceptual Audio Codierer (PAC)", der in D. Sinha, J. D. Johnston, S. Dorward und S. R. Quackenbush, "The Perceptual Audio Coder", in Digital Audio, Section 42, Seiten 42-1 bis 42-18, CRC Press, 1998, beschrieben ist, versucht, die Bitratenanforderungen für die Speicherung und/oder Übertragung von digitalen Audiodaten mit der Anwendung von ausgefeilten Hörmodellen und Signalverarbeitungstechniken zu minimieren. Wenn Kanalfehler nicht vorhanden sind, ist ein PAC in der Lage, nahezu die Audio-Qualität einer Stereo-Compact-Disc (CD) mit einer Rate von ungefähr 128 kbps zu erreichen. Bei einer niedrigeren Bitrate von 96 kbps ist die sich ergebende Qualität immer noch ziemlich nahe zu derjenigen einer Audio-CD für viele wichtige Audiomaterialtypen.
Die Rate von 96 kbps ist insbesondere attraktiv für FM-Band-Übertragungsapplikationen, wie zum Beispiel bandinterne digitale Audio-Broadcasting(DAB)-Systeme, welche ebenso bekannt sind als hybride bandinterne "On-Kanal"-Systeme (NIBOC), volldigitale IBOC-Systeme und bandinterne benachbarte Kanal (IBAC)/bandinterne Reservekanal(IBRC)-DAB-Systeme. Es gibt ebenso eine laufende vergleichbare Anstrengung, digitales Audio-Broadcasting mit niedrigeren Audio-Bitraten in dem AM-Band bereitzustellen. Für diese AM-Systeme werden Audio-Bitraten von ungefähr 32 bis 48 kbps für eine Übertragung zur Tagzeit in Betracht gezogen und ungefähr 16 kbps für eine Übertragung zur Nachtzeit. Höhere Audio-Bitraten, die größer sind als ungefähr 128 kbps, werden in Multi-Kanal-DAB-Systemen benutzt. Die Übertragungskanäle in den oben genannten DAB-Systemen tendieren dazu, schwerwiegend bandlimitiert und rauschlimitiert an dem Ende eines Abdeckungsbereichs zu sein. Für mobile Empfänger ist Fading ebenso ein schwerwiegendes Problem. Es ist deshalb in diesen und anderen Applikationen insbesondere wesentlich, eine Fehlerschutztechnik zu entwerfen, die genau abgestimmt ist mit der Fehlersensitivität der verschiedenen Bits in dem komprimierten Audio-Bitstrom.
PACs und andere Audiokodierungsvorrichtungen, die ähnliche Kompressionstechniken beinhalten, sind inhärent paketorientiert, das heißt, Audioinformation für ein festgelegtes Zeitintervall (Rahmen) wird durch ein Paket mit variabler Bitlänge repräsentiert. Jedes Paket enthält bestimmte Steuerungsinformation, gefolgt durch eine quantisierte Spektral-/Subband-Beschreibung des Audiorahmens. Für Stereosignale kann das Paket die spektrale Beschreibung von zwei oder mehreren Audiokanälen separat oder differenziell als ein Zentralkanal und Seitenkanäle (beispielsweise einen linken Kanal und einen rechten Kanal) enthalten. Verschiedene Teile eines gegebenen Pakets können deshalb eine variierende Sensitivität für Übertragungsfehler an den Tag legen. Zum Beispiel führt eine verdorbene Steuerungsinformation zum Verlust von Synchronisation und zu möglicher Fortpflanzung von Fehlern. Auf der anderen Seite enthalten die Spektralkomponenten bestimmte Inter-Rahmen- und/oder Inter-Kanal-Redundanz, welche in einem Fehlerminderungsalgorithmus ausgenutzt werden können, der in einem PAC-Codierer enthalten ist. Sogar wenn solch eine Redundanz nicht vorhanden ist, haben die Übertragungsfehler in verschiedenen Audiokomponenten variieren de Wahrnehmungsauswirkungen. Zum Beispiel ist der Verlust von Stereoaufteilung für einen Zuhörer weit weniger belästigend als spektrale Verzerrung in dem Mittenfrequenz-Bereich in dem zentralen Kanal.
Ungleich-Fehler-Schutz ("Unequal Error Protection, UEP")-Techniken werden derart entworfen, dass Fehlerschutzfähigkeit mit Sensitivität für Übertragungsfehler abgestimmt wird, sodass die wichtigsten Bits mit dem höchsten Niveau des Fehlerschutzes versehen werden, während weniger wichtige Bits mit einem geringeren Niveau oder geringeren Niveaus des Fehlerschutzes versehen werden. Eine konventionelle Zwei-Niveau-UEP-Technik zur Verwendung in DAB-Applikationen ist beschrieben in N. S. Jayant und E. Y. Chen, "Audio Compression: Technology and Applications", AT&T Technical Journal, Seiten 23–34, Vol. 74, No. 2, März–April 1995. In dieser Methode, welche basiert auf einem "Reed-Solomon(RS)-Code", wird die Steuerinformation stabiler geschützt, da es nicht möglich ist, eine Fehlerabschwächung in Bezug auf die nicht-redundante Steuerungsinformation zu verwenden. In der Tat ist der zuverlässige Betrieb des Fehlerabschwächungsalgorithmus', der in einem PAC-Codierer benutzt wird, seinerseits abhängig von verlässlicher Steuerungsinformation. All diejenige der spektralen Nicht-Steuerungsinformation wird in diesem Verfahren unter Benutzung eines einheitlichen Niveaus des Fehlerschutzes geschützt.
EP-A-0936772, veröffentlicht am 18. August 1999, offenbart Techniken zur Bereitstellung von UEP eines PAC-Bitstroms durch Klassifizierung der Bits in verschiedenen Kategorien von Fehlersensitivität. Diese Klassen werden sodann abgestimmt mit einem geeigneten Niveau des Fehlerschutzes, um den gesamten Einfluss von Fehlern zu minimieren, das heißt, die höchst sensitiven Bits werden mehr geschützt als die anderen. Bestimmte der UEP-Techniken, die in der oben zitierten Anmeldung beschrieben sind, sehen im Allgemeinen Verbesserungen ohne Bezug auf den Kanaltyp vor, und für das Kanalrauschen wird typischerweise angenommen, dass dieses einen Durchschnittswert über die Zeit und die Frequenz annimmt durch Verschränkung in sowohl Zeit als auch Frequenz für jede Kanal-Code-Klasse. Aus diesem Grund übertrifft eine UEP-Technik mit einem leistungsfähigeren Kanalcode, der in richtiger Weise mit den sensitivsten Quellenbits abgestimmt ist, immer die entsprechende Gleich-Fehler-Schutz("Equal Error Protection, EEP")-Technik. Jedoch ist die Bestimmung der Kanal-Codes für solche UEP-Szenarien oftmals ein nicht-triviales Problem, insbesondere in dem Fall der Bestimmung von so genannten "Single Sideband Complementary Punctured-Pair" Faltungscodes (CPPC) für HIBOC Applikationen. Aus diesem Grund werden, obwohl die Techniken in der oben zitierten Anmeldung eine merkliche Verbesserung in Bezug auf frühere Ansätze auf UEP für digitales Audio vorsehen, weitere Verbesserungen benötigt für bestimmte Implementationen, wie zum Beispiel die oben erwähnten HIBOC-Systeme und anderen vergleichbaren Systeme.
EP-0531046 offenbart ein System, in welchem der Umfang der Kanalbandbreite, die jedem Sub-Kanal zugewiesen ist, für eine gegebene Systemkonfiguration festgelegt ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Verarbeitung von Informationsbits für die Übertragung in einem Kommunikationssystem gemäß Patentanspruch 1 bereitgestellt.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Verwendung in der Verarbeitung von Informationsbits zur Übertragung in einem Kommunikationssystem gemäß Patentanspruch 10 bereitgestellt.
Die vorliegende Erfindung sieht Verfahren und eine Vorrichtung zur Implementierung von UEP für einen quellcodierten Bitstrom vor, wie zum Beispiel denjenigen, der durch einen "Perceptual Audio-Codierer (PAC)" generiert wird. In einer veranschaulichenden Ausführungsform werden Störcharakteristiken für einen Satz von n für die Übertragung von Audioinformationsbits zu verwendenden Kanälen bestimmt, wobei n größer als oder gleich zwei ist. Die Audioinformationsbits werden in n-Klassen aufgeteilt, basierend auf Fehlersensitivität, zum Beispiel den Einfluss von Fehlern in bestimmten Audiodatenbits auf die wahrgenommene Qualität eines Audiosignals, das aus der Übertragung rekonstruiert wird. Die Bitklassen werden sodann den n-Kanälen zugeordnet, sodass die Bitklassen mit der größten Fehlersensitivität über die Kanäle übertragen werden, welche am wenigsten empfänglich für Störungen sind. Die Störcharakteristiken, die mit den n-Kanälen assoziiert sind, können bestimmt werden, indem beispielsweise Störniveaus zu verschiedenen Zeiten und an verschiedenen Orten für einen oder mehrere der Kanäle gemessen werden oder indem Information bezüglich bekannter Störniveaus für einen oder mehrere der Kanäle bezogen wird. Die Kanäle können verschiedenen Frequenzbändern, Zeitfenstern, Codeaufteilungsfenstern oder einem anderen Kanaltyp entsprechen. Die Kanaleigenschaften können sich auch mit Faktoren wie zum Beispiel Zeit und Ort innerhalb eines Abdeckungsbereichs verändern.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung können die Zuordnung der Klassen von Bits zu den Kanälen sowie die Charakteristiken der Klassen und der Kanäle festgelegt oder dynamisch sein. Zum Beispiel kann in Anwendungen, in welchen die Störcharakteristiken, die mit einem oder mehreren der Kanäle assoziiert sind, als eine Funktion der Zeit, Position innerhalb eines Abdeckungsbereichs oder mit anderen Faktoren variieren, die Zuordnung der Klassen von Bits zu den Kanälen kann derart variiert werden, sodass sichergestellt wird, dass die Klassen von Bits mit der größten Fehlersensitivität weiterhin über die Kanäle übertragen werden, welche am wenigsten empfänglich für Störungen sind. Als ein anderes Beispiel können Umfänge von Kanalressourcen, die für bestimmte Klassen von Audioinformationsbits verwendet werden, als eine Funktion der Zeit variieren.
Die Erfindung kann UEP für verschiedene Klassen von Informationsbits vorsehen, sogar in den Fällen, in welchen der gleiche Faltungscode oder das gleiche CPPC Codepaar verwendet wird, um die Klassen zu codieren, obgleich verschiedene Kanalcodes ebenso zur Codierung der Klassen benutzt werden können. Die Erfindung kann auf andere Typen von digitaler Information angewandt werden, einschließlich beispielsweise Video- und Bildinformation. Außerdem ist die Erfindung nicht nur auf "Perceptual Codierer" anwendbar, sondern ebenso auf andere Typen von Quellcodierern, die andere Kompressionstechniken benutzen, die über einen weiten Bereich von Bitraten operieren, und die Erfindung kann mit Übertragungskanälen benutzt werden, die sich von Funk-Broadcasting-Kanälen unterscheiden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 veranschaulicht eine Ungleich-Fehler-Schutz(UEP)-Technik mit Zwei-Klassen-Frequenzunterteilung gemäß der Erfindung, wie sie angewandt wird auf ein beispielhaftes hybrides bandinternes On-Kanal(HIBOC)-digitales Audiobroadcasting(DAB)-System.
2 bis 4 veranschaulichen eine Anzahl von möglichen alternativen Implementationen der Zwei-Klassen-UEP-Technik von 1.
5 ist eine Blockdarstellung eines Kommunikationssystems, in welchem eine n-Klassen-Frequenzaufteilungs-UEP-Technik implementiert ist gemäß einer veranschaulichenden Ausführungsform der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird unten beschrieben werden in Verbindung mit beispielhaften Ungleich-Fehler-Schutz(UEP)-Techniken zur Verwendung in der Übertragung von Audioinformationsbits, zum Beispiel Audiobits, die durch einen Audiocodierer generiert werden, wie zum Beispiel den "Perceptual Audio Codieren (PAC)", der in D. Sinha, J. D. Johnston, S. Dorward und S. R. Quackenbush "The Perceptual Audio Coder", in Digital Audio, Section 42, Seiten 42-1 bis 42-18, CRC Press, 1998 beschrieben ist. Es sollte sich jedoch verstehen, dass die UEP-Techniken der Erfindung auf viele andere Typen von Information, beispielsweise Video- oder Bildinformation oder andere Typen von Codierungsvorrichtungen angewandt werden können. Zusätzlich kann die Erfindung mit einer breiten Auswahl von verschiedenen Typen von Kommunikationsanwendungen verwendet werden, einschließlich Kommunikation über das Internet und andere Computernetzwerke und über mobile Multimedia-, Satelliten-, Drahtlos-Kabel-, Drahtlos-Zugangsnetz-, Hochgeschwindigkeits-Drahtlos-Zugangs- und andere Typen von Kommunikationssystemen. Obgleich wenigstens teilweise derart veranschaulicht, dass Frequenzbän der als Kanäle benutzt werden, kann die Erfindung ebenso auf viele andere Typen von Kanälen angewandt werden, wie zum Beispiel Zeitfenster, "Code Division Multiple Access(CDMA)"-Fenstern und virtuellen Verbindungen in "Asynchronous Transfer Mode(ATM)"- oder anderen paketbasierten Übertragungssystemen. Der Terminus "Kanal", wie er hierin benutzt wird, sollte so verstanden werden, dass er irgendeinen identifizierbaren Teil oder Teile eines Kommunikationsmediums enthält, welches benutzt wird, eines oder mehrere Signale zu übertragen, und welches eine damit assoziierte Störcharakteristik aufweist und welches deshalb zum Beispiel einen Sub-Kanal, ein Segment oder einen anderen Teil eines größeren Kanals zu enthalten beabsichtigt ist.
1 veranschaulicht eine Kanalklassifikation UEP gemäß einer veranschaulichenden Ausführungsform der Erfindung. In dieser Ausführungsform, welche insbesondere gut geeignet für die Benutzung in HIBOC DAB-Applikationen ist, entsprechen die Kanäle im Allgemeinen Frequenzbändern, sodass die UEP-Technik deshalb als Frequenz-Unterteilungs-UEP bezeichnet wird. Ungleich zu bestimmten Ansätzen derjenigen Ansätze, die in der oben zitierten EP-A-0936772 beschrieben sind, die im Allgemeinen als Zeit-Unterteilungs-UEP charakterisiert werden können, in welchen erweiterter Fehlerschutz für eine bestimmte Klasse oder Klassen von Audiobits vorgesehen werden kann, die unter Benutzung einer Anzahl von verschiedenen Kanälen übertragen werden, bietet Frequenz-Unterteilungs-UEP gemäß der Erfindung erweiterten Fehlerschutz für eine gegebene Klasse von Bits durch Zuordnung dieser Klasse von Bits zu einem bestimmten Kanal für die Übertragung.
In der Ausführungsform von 1 ist ein Teil eines Frequenzspektrums in einem beispielhaften HIBOC DAB-System dargestellt, beinhaltend ein analoges Host-FM-Signal 100 mit assoziierten niedrigeren Seitenbändern 102L, 104L und entsprechenden höheren Seitenbändern 102U, 104U. Die Seitenbänder repräsentieren Teile des Frequenzspektrums, das benutzt wird, um digitale Audioinformation zu übertragen, und die Gruppe von Seitenbändern 102L, 102U und 104L, 104U entsprechen im Allgemeinen Frequenzkanälen 102 bzw. 104, die benutzt werden, um die digitale Audioinformation zu übertragen. Gemäß der Erfindung wird eine Bestimmung in Bezug auf die Störcharakteristiken vorgenommen, die mit jedem der Frequenzkanäle 102 und 104 assoziiert sind. Diese Bestimmung kann zum Beispiel basiert werden auf tatsächlichen Messungen von durchschnittlichen Signal-Zu-Störsignal-Verhältnissen innerhalb der Kanäle, auf bekannte oder geschätzte Störsignalniveaus oder auf eine andere Information, welche einen Hinweis liefert in Bezug auf relative oder absolute Störsignalniveaus für die Kanäle. Zum Beispiel wurde geschätzt, basierend auf vorhergehender Erfahrung mit HIBOC-Systemen, dass der Teil des Spektrums von 1 an den höchsten und niedrigsten Frequenzen typischerweise empfänglicher für Störung ist als der Teil, der am nächsten ist zu dem analogen Host-FM-Signal 100. Es wird deshalb angenommen, dass einer der Kanäle, das heißt, Kanal 102 in diesem Beispiel, bestimmt wurde, dass er weniger empfänglich für Störung ist als Kanal 104.
Die veranschaulichende Ausführungsform der Erfindung separiert, nachdem die relativen oder absoluten Störniveaus bestimmt wurden, die mit n-Kanälen assoziiert sind, wobei n > 2, die für Übertragung von digitaler Audioinformation zu benutzen sind, die Audioinformation in n-Klassen von Bits basierend auf Fehlersensitivität und ordnet sodann die n-Klassen von Bits den n-Kanälen derart zu, dass die Bits, die am empfänglichsten für Fehler sind, in den Kanälen übertragen werden, welche am wenigsten empfänglich für Störung sind. In dem Beispiel nach 1 werden die Audioinformationsbits in zwei Klassen aufgeteilt, bezeichnet als Klasse I und Klasse II, wobei die Klasse I die Bits beinhaltet, die am empfindlichsten für Fehler sind. Die Bestimmung der Fehlerempfindlichkeit oder Fehlersensitivität kann auf wahrnehmenden Audio-Codierungs-Überlegungen basiert werden, wie zum Beispiel jenen, die in der oben zitierten EP-A-0936772 beschrieben sind. Zum Beispiel kann Klasse I die Audiosteuerbits sowie bestimmte Audiodatenbits entsprechend Frequenzbändern enthalten, welche aus wahrnehmender Sicht wichtig für die Rekonstruierung des codierten Audiosignals sind. Diese und andere Fehlersensitivitätsklassifikationstechniken werden detaillierter beschrieben in EP-A-0936772 und werden nicht weiter hierin beschrieben werden.
In dem Beispiel nach 1 werden die empfindlichsten Audioinformationsbits, das heißt Klasse I, in Kanal 102 übertragen, das heißt, in dem Kanal, der bestimmt wurde, dass er weniger empfindlich für Störung ist. Dadurch erhält man eine erhöhte Robustheit für die Bits der Klasse I gegenüber den höheren Störsignalniveaus in Kanal 104. Der Zwei-Klassen-Frequenz-Unterteilungs-UEP-Ansatz, der in 1 veranschaulicht ist, bietet Verbesserungen in Bezug auf einen kon ventionellen EEP-Ansatz. In einer möglichen Implementation des Ansatzes nach 1 kann der gleiche Kanalcode für die Bits sowohl der Klasse I als auch der Klasse II benutzt werden, jedoch mit einer separaten Verschränkung in Zeit und Frequenz. Es sollte erwähnt werden, dass der oben beschriebene Frequenz-Unterteilungs-UEP-Ansatz im Allgemeinen keine Verbesserung für Kanäle bietet, welche ein einheitliches Störsignalniveau als eine Funktion der Frequenz haben. Jedoch kann er, wenn man die verschiedenen Störcharakteristiken der Kanäle in Betracht zieht, UEP für verschiedene Klassen von Bits unter Benutzung des gleichen Codes vorsehen.
2 veranschaulicht eine andere mögliche Implementation eines Zwei-Klassen-Frequenz-Unterteilungs-UEP-Ansatzes gemäß der Erfindung. Dieses Beispiel verwendet "Complementary Punctured-Pair Convolutional(CPPC)"-Codes, wie zum Beispiel jenen, die detaillierter in EP-A-0930738, veröffentlicht am 21. Juli 1999, beschrieben sind.
In diesem Beispiel werden die Bits in den Klassen I und II jeweils separat codiert unter Benutzung eines Raten-2/5-Codes, welcher als eine Kombination eines Paars von Raten-4/5-CPPC-Codes gebildet ist. Diese Raten-4/5-Codes werden als Halb-Bandbreiten-Codes bezeichnet und werden kombiniert, um einen Raten-2/5-Fehler-Korrekturcode zu bilden, der als ein Voll-Bandbreiten-Code bezeichnet wird. Wie es in EP-A-0930738 beschrieben ist, kann ein Raten-1/3-Muttercode punktiert werden, um diese beispielhaften HIBOC-Codeanforderungen zu erfüllen. Der Raten-1/3-Muttercode kann ein Raten-1/3-Faltungscode sein, mit einer Beschränkungslänge K = 7, wie in J. Hagenauer, "Rate-Compatible Punctured Convolutional Codes (RCPC Codes) and their Applications", IEEE Transactions on Communications, Vol. 36, No. 7, Seiten 389–400, April 1988, beschrieben.
Die Coderate ist das Verhältnis von Eingangsbits zu Ausgangsbits für den Faltungscodierer ("Convolutional Codierer"), das heißt, ein Raten-1/3-Codierer generiert drei Ausgangsbits für jedes Eingangsbit. Eine Gruppe von drei codierten Ausgangsbits wird als ein Symbol bezeichnet. Der Wert von K bezieht sich auf die Anzahl von uncodierten Eingangsbits, welche verarbeitet werden, um jedes Ausgangssymbol zu generieren. Zum Beispiel enthält ein Raten-1/3-Faltungscodierer mit K = 7 im Allgemeinen ein Sieben-Bit-Schieberegister und drei Modulo- Zwei-Addierer. Die Eingänge eines jeden der Addierer werden mit einer unterschiedlichen Untergruppe der Bits des Schieberegisters verbunden. Diese Verbindungen werden spezifiziert durch die "Generatoren" des Codierers. Da ein gegebenes Ausgangssymbol in diesem Beispiel unter Benutzung des letzten Eingangsbits sowie der vorhergehenden sechs Eingangsbits, die in dem Schieberegister gespeichert sind, generiert wird, ist der K = 7-Codierer auch bekannt, dass er einen "Speicher" von sechs aufweist. Der Raten-1/3, K = 7-Code, der in diesem Beispiel benutzt wird, hat die folgenden drei Generatoren:
g₀ = 1011011
g₁ = 1111001
g₂ = 1100101
Jeder der Generatoren kann so angesehen werden, dass er die Verbindungen zwischen Bits des Sieben-Bit-Schieberegisters und Eingängen eines der Modulo-2-Addierer spezifiziert. Zum Beispiel generiert der Addierer entsprechend dem Generator g₀ das erste Bit eines jeden Ausgangssymbols als die Modulo-2-Summe der Bits in der ersten, dritten, vierten, sechsten und siebten Bitposition in dem Schieberegister, wobei die erste Bitposition das späteste Eingangsbit enthält. In ähnlicher Weise generieren die Generatoren g₁ und g₂ das zweite bzw. dritte Bit eines jeden Ausgangssymbols als Modulo-2-Summen der Bits in den Positionen, die durch die jeweiligen Generatorwerte bezeichnet werden. Die freie Hamming-Distanz d_f des Raten-1/3, K = 7-Codes mit den oben genannten Generatoren ist 14, und sein Informationsfehlergewicht c_df/P ist eins. Wenn dieser Code punktiert ist in einer Raten-kompatiblen Weise auf Raten von 4/11, 4/10, 4/9 und 1/2, ist der sich ergebende Raten-1/2-Code ebenso der beste Raten-1/2, K = 7-Faltungscode. Weitere Details betreffend spezifische CPPC-Codes, die geeignet sind zur Benutzung in Ausführungsformen der Erfindung, sowie Bit-Platzierungs-Strategien zur Anordnung der Bits innerhalb der oberen und unteren Seitenband-Teile der Kanäle können in EP-A-0930738 nachgeschlagen werden.
3 und 4 veranschaulichen andere Ausführungsformen der Erfindung, in welchen eine dynamische Grenze zwischen den Bits der Klasse I und Klasse II verwendet wird. In jeder dieser Ausführungsformen wird die Grenze zwischen Klas se I und Klasse II durch die gestrichelte Linie 110 angezeigt. Der Teil des Frequenzspektrums, das in 3 und 4 dargestellt ist, beinhaltet das analoge Host-FM-Signal 100, zusammen mit einem unteren Seitenband 106 und einem oberen Seitenband 108. Wie in den Beispielen der 1 und 2 werden das obere und untere Seitenband verwendet, um digitale Audioinformation zu übertragen. In der Ausführungsform nach 3 korrespondieren die Kanäle nicht direkt mit spezifischen Teilen des oberen und unteren Seitenbands. Statt dessen wird ein erster Kanal durch einen Teil sowohl des oberen als auch des unteren Seitenbands auf einer Seite der gestrichelten Linie 110 definiert, während ein zweiter Kanal durch den Teil des oberen und unteren Seitenbands auf der anderen Seite der gestrichelten Linie 110 definiert ist. Jedes der oberen und unteren Seitenbänder 106 und 108 verwendet beispielsweise den gleichen Raten-2/5-Code, wie angezeigt. Die Verwendung einer dynamischen Grenze ermöglicht einem Kanal, einen größeren Teil des verfügbaren Frequenzspektrums einzunehmen, welcher benutzt werden soll, um die Bits der Klasse I zu übertragen. 4 zeigt eine andere mögliche Implementation, welche eine dynamische Grenze 110 verwendet. Ein Steuerkanal oder ein anderer geeigneter Mechanismus kann verwendet werden, um den Empfänger in einem bestimmten geografischen Bereich zu informieren, welche Konfiguration, beispielsweise die Konfiguration von 3, die Konfiguration von 4 oder ein anderer Konfigurationstyp, an dem Sender verwendet wird. Die Konfiguration kann als eine Funktion von Faktoren, wie zum Beispiel Zeit oder Position innerhalb eines Abdeckungsbereichs variieren.
Es sollte bemerkt werden, dass in den Ausführungsformen von 1 bis 4 der gleiche Code, beispielsweise das gleiche CPPC-Codepaar für beide Klassen I und II benutzt werden kann oder dass verschiedene Codes für jede der Klassen verwendet werden können. Zusätzlich können, wie vorhergehend bemerkt wurde, die Techniken leicht in einer direkten Art und Weise auf n-Kanäle und Klassen, wobei n > 2, ausgedehnt werden. Andere mögliche Variationen beinhalten zum Beispiel separates oder zusammenhängendes Verschränken ("Interleaving"), Soft-Kombination oder Gleich-Verstärkung-Kombination, festgelegte oder variable Bitzuordnungen und Verwendung von anderen Typen von Codes wie zum Beispiel Blockcodes.
5 ist eine Blockdarstellung eines beispielhaften Kommunikationssystems 200, welches die oben beschriebene Frequenz-Unterteilungs-UEP gemäß der Erfindung implementiert. Das System 200 beinhaltet einen Sender 202 und einen Empfänger 204, welche über ein n-Kanal-Übertragungsmedium 206 miteinander kommunizieren. Der Sender 202 beinhaltet einen Audiocodierer 210, beispielsweise einen PAC-Codierer, zur Generierung einer Sequenz von Audiopaketen von einem analogen Audioeingangssignal. Obwohl diese Ausführungsform Audiopakete benutzt, wie zum Beispiel jene generiert durch einen PAC-Codierer, ist die Erfindung allgemeiner anwendbar auf digitale Audioinformation in beliebiger Form und generiert durch einen beliebigen Typ von Audiokompressionstechnik. Die Audiopakete vom Codieren 210 werden an einen Klassifizierer 212 angelegt, welcher die Pakete in separate Bitströme entsprechend n verschiedenen Klassen von Audioinformationsbits konvertiert. In dieser Ausführungsform ist der Klassifizierer 212 ebenso verantwortlich für das Zuordnen jeder der Klassen von Bits zu einem der verfügbaren Kanäle, sodass die Bitklassen, die am empfindlichsten für Fehler sind, in den Kanälen übertragen werden, welche am wenigsten anfällig für Störung sind, wie vorhergehend beschrieben. Die separaten Bitströme von dem Klassifizierer 212 werden an eine Gruppe von Kanalcodierern 214 angelegt. Die Symbolausgaben der Kanalcodierer 214 werden an eine Gruppe von Verschachtelungseinrichtungen 215 angelegt, welche eine Verschachtelung der Symbole innerhalb eines jeden Kanals über mehrere Audiopakete vorsehen. Die verschachtelten Symbole werden sodann an einen Satz von Orthogonal-Frequenz-Unterteilungs-gemultiplexten ("Orthogonal Frequency Division multiplexed, OFDM") Modulatoren 216 angelegt zur Modulation gemäß konventionellen OFDM-Techniken. Die OFDM-Modulatoren können zum Beispiel Einzel-Träger-Modulation in jedem der Kanäle vorsehen. Natürlich können andere Modulationstypen in alternativen Ausführungsformen verwendet werden.
Der Sender 202 kann zusätzliche Verarbeitungselemente beinhalten, wie zum Beispiel einen Multiplexer, einen Sendeumsetzer und dergleichen, welche in 5 der Einfachheit halber nicht dargestellt sind. Zusätzlich kann die Anordnung von Elementen in alternativen Ausführungsformen variiert werden. Zum Beispiel können andere Typen von Modulatoren an Stelle des OFDM-Modulators 216 verwendet werden, wie zum Beispiel Modulatoren, die geeignet sind für die Erzeugung von Signalen für die Übertragung über eine Telefonleitung oder eine andere Netz werkverbindung, und separate Verschachtelung und separates Codieren braucht nicht auf jeden der Kanäle angewandt zu werden.
Der Empfänger 204 empfängt die übertragenen OFDM-Signale von den Übertragungskanälen 206 und verarbeitet diese in OFMD-Demodulatoren 219, um die verschachtelten Symbole für jeden der Kanäle wieder herzustellen. Die Symbole werden entschachtelt in einem Satz von Entschachtelungseinrichtungen 220 und werden sodann an einen Satz von Kanaldecodierern 222 angelegt. Die Bitströme an dem Ausgang eines jeden der Decodierer in dem Satz der Decodierer 222 entsprechen den verschiedenen Klassen von Audioinformationsbits. Diese Bitströme werden sodann in einem Deklassifizierer 224 verarbeitet, welcher Audiopakete aus den Bitströmen rekonstruiert. Die sich ergebende Sequenz von Audiopaketen wird sodann decodiert in einem Audiodecodierer 226, um das ursprüngliche analoge Audiosignal zu rekonstruieren.
Ähnlich wie der Sender 202 kann der Empfänger 204 zusätzliche Verarbeitungselemente beinhalten, welche in 5 nicht dargestellt sind. Es sollte ebenso erwähnt werden, dass verschiedene Elemente des Systems 200, wie zum Beispiel die Verschachtelungseinrichtungen 215 und die Entschachtelungseinrichtungen 220 in alternativen Ausführungsformen gestrichen werden können. Außerdem können verschiedene Elemente des Systems 200, wie zum Beispiel der Audiocodierer 210 und Decodierer 226, der Kanalcodierer 214 und Decodierer 222 und der Klassifizierer 212 und Deklassifizierer 224 implementiert werden unter Benutzung einer applikations-spezifischen integrierten Schaltung, eines Mikroprozessors oder eines anderen Typs eines digitalen Datenprozessors, genauso wie Teile davon oder Kombinationen von solchen Vorrichtungen. Verschiedene Aspekte der Erfindung können ebenso in der Form eines oder mehrer Softwareprogramme implementiert werden, die durch eine zentrale Verarbeitungseinheit ("Central Processing Unit, CPU") oder dergleichen in dem digitalen Datenprozessor ausgeführt werden.
Simulationsergebnisse für ein beispielhaftes Frequenz-Unterteilungs-UEP(FD-UEP)-System, wie zum Beispiel dasjenige, das in Verbindung mit 1 bis 5 beschrieben wurde, sind in Tabelle 1 unten dargestellt. In den Simulationen wurde für einen Kanal angenommen, dass er zwei disjunkte Segmente beinhaltet, be zeichnet als Segment I und Segment II. Solche Segmente werden auch hierin als Sub-Kanäle bezeichnet, und es sollte bemerkt werden, dass jedes Segment jeweils für sich so betrachtet wird, dass es innerhalb der allgemeinen Definition eines "Kanals", die oben gegeben wurde, fällt. In anderen Worten, kann jedes Segment als ein Kanal betrachtet werden. Mit einer geeigneten Verschachtelungstiefe kann für die Kanalqualität angenommen werden, dass sie konstant über ein bestimmtes Segment ist. Die zwei Segmente können deshalb parametrisiert werden durch eine Störcharakteristik, wie zum Beispiel das entsprechende Signal-Rausch-Niveau, das in Bezug auf E_S/N₀ gemessen wird. Kanalbedingungen nach Gauss werden in den Simulationen angenommen.
In einem EEP-Übertragungssystem, das über Segmente I und II operiert, ist es begründet anzunehmen, dass die Hälfte der codierten Kanalbits einer Kanalbedingung ausgesetzt sind, welche in Segment I existiert, und dass eine andere Hälfte Bedingungen ausgesetzt ist, die in Segment II existieren. Für das FD-UEP-System wird angenommen, dass Audioinformationsbits in eine Klasse I, welche Steuerbits und einen ersten Teil der Audiodatenbits beinhaltet, und eine Klasse II, welche einen zweiten Teil der Audiodatenbits beinhaltet, aufgeteilt werden. Diese Klassen I und II können beispielsweise korrespondieren mit Klasse 1' bzw. Klasse 2', wie in EP-A-0936772 beschrieben. Gemäß der vorliegenden Erfindung können die Bits der Klassen I und II verschachtelt und unabhängig über Segmente I bzw. II übertragen werden. Aus diesem Grund sind die Bits der Klasse I den Kanalbedingungen in Segment I ausgesetzt und die Bits der Klasse II begegnen den Kanalbedingungen in Segment II. In jeder der Simulationen wurde ein Faltungs-Kanalcode mit einer Rate von 2/5 verwendet, wie oben beschrieben, und die gleichen äußeren zyklischen Redundanzcodes ("Cyclic Redundancy Codes, CRC") wurden ebenso benutzt.
Tabelle 1
Es wurde subjektive Audioqualität für die oben beschriebenen EEP- und FD-UEP-Systeme bewertet für verschiedene Kanalbedingungen, wobei die qualitativen Ergebnisse in Tabelle 1 zusammengefasst sind. Wie erwartet, verhalten sich beide EEP- und FD-UEP-Systeme ähnlich, falls die Kanalbedingungen auf den zwei Segmenten ungefähr äquivalent sind, wie in Simulation 1 in Tabelle 1. Auf der anderen Seite wird es aus Simulationen 2 und 3 in Tabelle 1 klar, dass, wenn die Bedingungen in den zwei Segmenten substanziell verschieden sind, das FD-UEP-System eine weitaus zierlichere Degradation an den Tag legt. Insbesondere ist das EEP-System unakzeptierbar mit Dämpfung nahezu zur Hälfte der Zeit, falls eine gegebene Kanalbedingung in Segment I existiert und Segment II ungefähr 2,0 dB schlechter ist. Das FD-UEP-System überdauert demgegenüber mit nur reduzierter Audiobandbreite und etwas Anstieg in den Verzerrungen. Wenn die Kanalbedingung in Segment II ungefähr 2,5 dB schlechter ist als diejenige in Segment I, dämpft das EEP-System mehr als 75% der Zeit, während das FD-UEP-System übersteht, wenngleich mit geringerer Audiobandbreite und erhöhten Verzerrungen. In anderen Worten, da das Störsignalniveau in Segment II ansteigt, er reicht die Audioqualität in dem FD-UEP-System die Talsohle an einem geringeren, dennoch oftmals akzeptierbaren Qualitätsniveau. Im Wege des Vergleichs dämpft das EEP-System nahezu vollständig unter diesen gleichen Bedingungen.
Die Verzerrungen, die in dem FD-UEP-System in Simulationen 2 und 3 der Tabelle 1 bemerkt sind, sind vorwiegend Folge von Audio-Bandbreiten-Reduktion und Aliasing, die dem Klassifizierer zuzurechnen sind, der in EP-A-0936772 beschrieben ist. Falls die Differenz in den Kanalbedingungen zwischen Segment I und II relativ moderat ist, ist eine andere potenzielle Verzerrung vorhanden, wie in Simulation II bemerkt, das heißt, ein gelegentlicher Ausbruch ("Burst") von Hochfrequenzrauschen. Dies passiert, wenn die Kanalbedingungen in Segment I weit unterhalb des Punktes eines Ausfalls für Bits der Klasse II sind, das heißt, > 20% PAC-Paketverlust für diese Bits, dennoch nicht schwerwiegend genug, das heißt, < 50–60% PAC-Paketverlust, um zu einer vollständigen Dämpfung für Klasse II in dem PAC-Fehler-Herabsetzungs-Algorithmus zu führen. Dies kann zu einer Situation führen, in welcher die Leistungsfähigkeit des FD-UEP-Systems sich tatsächlich etwas verbessern kann, wenn die Kanalbedingung in Segment II stufenweise schlechter wird unterhalb eines bestimmten Schwellenwerts. Es sollte bemerkt werden, dass trotz der oben beschriebenen Verzerrungen die Simulationen in klarer Weise verdeutlichen, dass ein FD-UEP-System gemäß der Erfindung gegenüber einem EEP-System bevorzugt ist, zumindest in Bezug auf die Bereitstellung einer anmutigeren Leistungsfähigkeitsdegradation.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung sind nur dazu vorgesehen, veranschaulichend zu sein. Zum Beispiel kann die Erfindung angewandt werden auf die Übertragung von digitaler Information, die unterschiedlich zu Audioinformation ist, wie zum Beispiel Video-, Bild- und anderen Typen von Information. Zusätzlich können alternative Ausführungsformen der Erfindung verschiedene Kanaltypen verwenden. Verschiedene Codierungstypen, beispielsweise Faltungscodierung mit verschiedenen Speichern oder anderen Charakteristiken oder andere Codetypen, wie zum Beispiel Blockcodes können ebenso verwendet werden. Weiterhin kann die Erfindung von verschiedenen Modulationstypen Gebrauch machen, einschließlich beispielsweise Einzel-Träger-Modulation in jedem Kanal oder Multi-Träger-Modulation, beispielsweise OFDM in jedem Kanal. Ein gegebener Träger kann unter Benutzung irgendeines gewünschten Typs einer Modulationstechnik moduliert werden einschließlich beispielsweise einer Technik wie m-QAM, m-PSK oder trelliscodierte Modulation.
Es sollte bemerkt werden, dass irgendeine der Fehlersensitivitäts-Klassifikations-Techniken, die in der oben zitierten EP-A-0936772 beschrieben sind, einschließlich Multi-Paket-Fehler-Schutz-Profilen, benutzt werden kann, um die Informationsbits in Bezug auf Fehlersensitivität zu klassifizieren. Die UEP-Techniken, beschrieben in EP-A-0936772, können verwendet werden, um weitere Niveaus von UEP innerhalb einer gegebenen Klasse vorzusehen, beispielsweise innerhalb einer Klasse, die einem Kanal zugeordnet ist, der ein im Wesentlichen einheitliches Störniveau aufweist. Außerdem können die Techniken der Erfindung verwendet werden, um irgendeine Anzahl von verschiedenen Klassen von UEP für Information bereitzustellen, und können mit einer breiten Auswahl von verschiedenen Bitraten und Übertragungskanälen verwendet werden. Zum Beispiel können, wie vorhergehend bemerkt, alternative Ausführungsformen die veranschaulichenden Zwei-Klassen-Techniken, die oben beschrieben wurden, auf jede gewünschte Anzahl n von Klassen in einer direkten Art und Weise ausdehnen.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung könnten andere Techniken zur Bereitstellung von adaptiven Anzahlen und Typen von verschiedenen Klassen und Kanälen verwenden. Außerdem kann die Anzahl und/oder können Charakteristiken der Kanäle und Klassen sowie die Zuordnung von Klassen zu den Kanälen festgelegt oder dynamisch sein. Zum Beispiel kann, falls die Störcharakteristiken, die mit den Kanälen assoziiert sind, als eine Funktion der Zeit oder Position innerhalb eines Abdeckungsbereichs variieren, die Zuordnung der Klassen von Bits zu den Kanälen als eine Funktion der Zeit variiert werden, um sicherzustellen, dass die Klassen von Bits mit der größten Fehlersensitivität weiterhin über die Kanäle übertragen werden, welche am wenigsten anfällig für Störung sind, während die Störcharakteristiken variieren. In einem anderen Beispiel können die Bandbreite oder eine andere Charakteristik eines bestimmten Kanals oder bestimmter Kanäle veranlasst werden als eine Funktion der Zeit zu variieren. Diese und zahlreiche andere alternative Ausführungsformen und Implementationen innerhalb des Bereichs der folgenden Patentansprüche werden dem Fachmann gegenwärtig sein.

Claims

Verfahren zur Verarbeitung von Informationsbits zur Übertragung in einem Kommunikationssystem (200, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Aufteilen der Informationsbits in n Klassen von Bits basierend auf einer Fehlersensitivität, wobei n größer als 2 oder gleich 2 ist; und Zuordnen der Klassen von Bits zu n Kanälen, wobei jeder eine damit assoziierte Störcharakteristik aufweist, so dass die Klasse von Bits mit der größten Fehlersensitivität über denjenigen Kanal übertragen wird, welcher am wenigsten empfänglich für Störung ist; dadurch gekennzeichnet, dass der Aufteilungs- und Zuordnungsschritt implementiert werden, indem ein Umfang einer Kanalbandbreite, die für eine bestimmte Klasse von Informationsbits verwendet wird, als eine Funktion der Zeit verändert wird während eine oder mehrere der Störcharakteristiken, die mit den Kanälen assoziiert sind, variieren.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin beinhaltend den Schritt der Bestimmung der Störcharakteristiken, die mit den n Kanälen assoziiert sind, die zur Übertragung der Informationsbits zu verwenden sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Störcharakteristiken bestimmt werden, indem Störniveaus für wenigstens eine Untereinheit der Kanäle gemessen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Störcharakteristiken bestimmt werden, indem Information betreffend bekannte Störniveaus für wenigstens eine Untereinheit der Kanäle gewonnen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei jeder der Kanäle einem unterschiedlichen Frequenzband, einem unterschiedlichen Zeitschlitz oder einem unterschiedlichen Codeaufteilungssschlitz entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Störcharakteristiken, die mit wenigstens einer Untereinheit der Kanäle assoziiert sind, als eine Funktion der Zeit variieren, und die Zuordnung der Klassen von Bits zu den Kanälen wird derart variiert, um sicherzustellen, dass die Klassen von Bits mit der größten Fehlersensitivität weiterhin über die Kanäle übertragen werden, welche am wenigsten empfänglich für Störung sind, während die Störcharakteristiken variieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Störcharakteristiken, die mit wenigstens einer Untereinheit der Kanäle assoziiert sind, als eine Funktion der Position innerhalb eines Sendegebiets variieren, und wobei die Zuordnung der Klassen von Bits zu den Kanälen derart variiert wird, um sicherzustellen, dass die Klassen von Bits mit der größten Fehlersensitivität weiterhin über die Kanäle übertragen werden, welche am wenigsten empfänglich für Störung sind, während die Störcharakteristiken variieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei wenigstens einer der Kanäle ein im wesentlichen gleichförmiges Störniveau aufweist, und ungleichförmige Fehlersicherung für die Klasse von Informationsbits innerhalb des wenigstens einen Kanals vorgesehen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Zuordnungsschritt umfasst: Auswählen eines Gegebenen von n Kanälen zur Übertragung einer Entsprechenden von den n Klassen von Bits, basierend auf relative Störcharakteristiken der n Kanäle.
Vorrichtung zur Verwendung in der Verarbeitung von Informationsbits zur Übertragung in einem Kommunikationssystem (200), wobei die Vorrichtung aufweist: einen Sender (202), der derart betreibbar ist, die Informationsbits in n Klassen von Bits basierend auf einer Fehlersensitivität aufzuteilen, wobei n größer als 2 oder gleich 2 ist, und die Klassen von Bits zu n Kanälen mit entsprechenden Störcharakteristiken zuzuordnen, so dass die Klasse von Bits mit der größten Fehlersensitivität über den Kanal übertragen wird, welcher der am wenigsten empfängliche für Störung ist; dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung angepasst ist, einen Umfang der Kanalbandbreite, die für eine bestimmte Klasse von Informationsbits verwendet wird, als eine Funktion der Zeit zu variieren während eine oder mehrere der Störcharakteristiken, die mit den Kanälen assoziiert sind, variieren.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei der Sender derart betreibbar ist, einen Gegebenen der n Kanäle für eine Übertragung einer Entsprechenden der n Klassen von Bits basierend auf relativen Störcharakteristiken der n Kanäle zu selektieren.