NL8203950A - Differentieel pulscodemodulatie overdrachtstelsel. - Google Patents

Description

- η „mm -..; ' 4¾ EHN 10.468 1 N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven "Differentieel pulscodemodulatie overdrachtstelsel" A. Achtergrond van de uitvinding A(1). Gebied van de uitvinding·

De uitvinding heeft betrekking qp een overdrachtstelsel, 5 voorzien van een zender en een ontvanger, voor overdracht van een informatiesignaal,· in het bijzonder een videosignaal, in een digitaal formaat dat wordt verkregen door middel van differentiële pulscodemodulatie (DFCM).

10 A(2). Beschrijving van de stand van de techniek

De zender van een overdrachtstelsel bevat in het algemeen een bron die een informatiesignaal levert, in analoge of in digitale vorm, dat naar de samenwerkende ontvanger moet worden overge-15 dragen. In een DPCM-overdrachtstelsel wordt dit inf ormatiesignaal eerst toegevoerd aan een broncodeerschakeling die hier is uitgevoerd als DPCM-codeerinrichting. Deze bevat een verschil vormer waaraan het informaties ignaal en een predikties ignaal worden toegevoerd en die een verschilsignaal levert. Dit verschilsignaal wordt toegevoerd aan een 20 kwantiseerinrichting die een gekwantiseerd verschilsignaal levert. De DPCM-ccdeerinrichting bevat verder nog een prediktieschakeling. Aan de ingang daarvan wordt het gekwantiseerde verschilsignaal toegevoerd; en aan zijn uitgang treedt het genoemde prediktiesignaal op.

Het aan de uitgang van de kwantiseerinrichting optredende 25 gekwantiseerde verschilsignaal wordt toegevoerd aan een kanaalcodeer-schakeling, bijvoorbeeld een analoog-digitaal omzetter of een coder omzetter, die dit gekwantiseerde verschilsignaal omzet in een digitaal kanaalsignaal dat DPCM-signaal zal worden genoemd en dat bestaat uit een opeenvolging van codewoorden die optreden met een bepaalde snelheid 30 fg ook wel bemonsterfrequentie genoemd. Opgemerkt zij dat de inverse grootheid 1/f bemonsterpericde zal worden genoemd en zal worden aange- o duid met het symbool T.

De door de kanaalcodeerschakeling geleverde codewoorden 8203950 PHN 10.468 2 worden via een transmiss iemedium overgedragen naar de samenwerkende ontvanger, alwaar zij in een kanaal-decodeerschakeling worden omgezet in een gedecodeerd kanaalsignaal dat bij niet gestoorde overdracht, nauwkeurig overeenkomt met het oorspronkelijke gekwantiseerde verschil-5 signaal. Dit gedecodeerde kanaalsignaal wordt verder toegevoerd aan een DPCM-decodeerinrichting. Deze is voorzien van een scravormer waaraan het gedecodeerde kanaalsignaal en een tweede prediktiesignaal worden toegevoerd en die een scmsignaal levert. Ook deze DPCM-decodeerinrichting bevat een prediktieschakeling. Aan zijn ingang wordt het gedecodeerde 10 kanaalsignaal toegevoerd' en aan zijn uitgang treedt het tweede prediktiesignaal qp. De prediktieschakeling in de zender is op dezelfde wijze opgebouwd als die in de ontvanger ten einde te bereiken, dat het somsignaal nauwkeurig overeenstemt met het oorspronkelijke informaties ignaal.

15 Om een indruk te krijgen van de werking van de prediktie schakeling is het gebruikelijk cm elke lijn van het TV-beeld qp te delen in een reeks beeldelementen die elk een bepaalde beeldwaarde, d.w.z. helderheid en/of kleur, hebben. Door de prediktieschakeling wordt voor elk beeldelement een prediktiewaarde geleverd. Meer in het 20 bijzonder geldt dat de prediktiewaarde voor een actueel beeldelement gelijk is aan de som van een aantal beeldwaarden behorende tot verschillende beeldelementen, waarbij iedere beeldwaarde is gewogen met een weegfaktor die karakteristiek is voor het betreffende beeldelement. Deze weegfaktor en worden zodanig gekozen dat hun mathematische scm 25 ten hoogste gelijk is aan één. Is nu de prediktieschakeling zodanig opgebouwd dat zij voor het bepalen van de prediktiewaarde voor een actueel beeldelement alleen in beschouwing neemt de beeldwaarden van één of meer beeldelementen die tot dezelfde lijn behoren als het actuele beeldelement, dan is sprake van êén-dimens ionale prediktie.

30 Worden daarentegen in beschouwing genomen beeldwaarden van een aantal beeldelementen die tot andere lijnen behoren dan die waartoe het actuele beeldelement behoort, dan is sprake van tweedimensionale prediktie. Door in analogie met het voorgaande ook nog gebruik të maken van beeldwaarden behorende tot beeldelementen van voorgaande 35 beelden, dan is sprake van drie-dimensionale prediktie.

Zoals uit het bovenstaande blijkt kan een prediktieschakeling'qp verscheidene manieren worden geïmplementeerd. Mogelijke impelementaties zijn beschreven in b.v. de referenties 1, 2, 3, 4, 5 en 6.

8203950 pp'·· -1·.;.1· .

.....ΊΙΙϋ ΐ ' ƒ 4 ΕΕΝ 10.468 3

Zoals 'daaruit blijkt, wordt een prediktieschakeling in het algemeen uitgevoerd als recursief tijddiscreet filter, meestal een recursief digitaal filter.

Vanwege het recursieve gedrag van dit filter, draagt 5 in de ontvanger elk ontvangen codewoord bij tot de vorming van de beeldwaarden van een aantal beeldelementen. Dit aantal zal hierna signaalresponsienumner worden genoemd. Als nu in het transmissienedium een codewoord wordt gestoord, dan zal ook van een aantal beeldelementen de bijbehorende beeldwaarden gestoord zijn. Dit aantal zichtbaar ge-10 stoorde beeldelementen is gelijk aan het signaalresponsienummer.

Het s ignaalrespons ienummer hangt nauw samen met:de grootte van de mathematische som van de weegfaktoren die in de prediktieschakeling worden gebruikt. Is deze mathematische son gelijk aan één, dan is het s ignaalrespons ienummer oneindig groot en zal na optreden van 15 een transmissiefout elk beeldelement verder gestoord zijn. Wordt de mathematische som van de weegfaktoren kleiner gekozen dan één, dan neemt het signaalresponsienummer af, en daarmede ook het aantal gestoorde beeldelementen, maar ook de kwaliteit van het TV-beeld.

De hoogste beeldkwaliteit wordt verkregen als de scan van de weegfaktoren 20 gelijk is aan één.

Om in een DPCM-overdrachtstelsel waarin prediktie-sGhakelingen warden toegepast met weegfaktoren waarvan de mathematische son gelijk is aan één, toch na het optreden van een transmissiefout een vermindering te bewerkstelligen van het aantal gestoorde beeld-25 elementen zonder vermindering van de beeldkwaliteit, is in de referenties 7, 8 en 9 voorgesteld cm in de zender bij het DPCM-signaal een foutenreduceersignaal op te tellen. Dit wordt geleverd door een fouten-reduceercircuit waaraan het over te dragen informatiesignaal zelf, of het prediktiesignaal wordt toegevoerd. In de bijbehorende ontvanger 30 wordt van het ontvangen sons ignaal een foutenreduceersignaal afgetrokken waardoor het oorspronkelijke DPCM-signaal weer wordt verkregen als er geen transmissiefouten zijn opgetreden. Dit foutenreduceersignaal wordt opgewekt door een lokaal foutenreduceerc ircuit waaraan een in de DPCMniecodeerinrichting opgewekt signaal wordt toegevoerd. Dit over-35 drachtstelsel staat bekend ander de naam "Hybride DPCM-overdrachtstel-sel".

In de praktijk blijkt dit bekende overdrachtstelsel zeer goed te voldoen aan de verwachtingen, tenminste, als in de prediktie 8203950

* I

PHN 10.468 4 schakeling êên-dimensionale prediktie wordt toegepast. Wordt meerdimensionale prediktie toegepast, dan blijkt de invloed van transmissiefouten aanmerkelijk groter te zijn dan in het geval dat ééndimensionale prediktie wordt toegepast.

5 Om in een DPCM-overdrachtstelsel de invloed van transmissiefouten zo gering mogelijk te houden, zelfs als daarin meerdimensionale prediktie.wordt toegepast, is in referentie 10 voorgesteld cm de prediktieschakelingen in zowel de zender als in de ontvanger samen te stellen uit twee of meer prediktiekanalen, die elk worden gevormd 10 door een niet-lineair netwerk gevolgd door een recursief digitaal filter waarvan de mathematische som van de weegfaktoren kleiner is dan één. Van deze niet-lineaire netwerken zijn de ingangen aangesloten op de ingang van de prediktieschakeling. De uitgangen van de recursieve digitale filters zijn aangesloten cp de ingangen van een optelinrichting 15 waarvan de uitgang is verbonden met de uitgang van de prediktieschakeling. De recursieve digitale filters zijn alle qp dezelfde wijze opgebcuwd en met elk filter is een uniek stelsel weegfaktoren geassocieerd.

Het nadeel van dit overdrachtstelsel is dat in de praktijk blijkt dat ieder filter een zeer hoge rekennauwkeurigheid moet hebben. Zo moeten 20 de weegfaktoren zo nauwkeurig zijn dat voor hun presentatie 12 tot 14 bits nodig zijn. Dit betekent dat voor de implementatie van deze filters een aanzienlijk aantal componenten nodig is.

B. Doelstelling en samenvatting van de uitvinding 25

De uitvinding beoogt een DPCM-overdrachtstelsel aan te geven, waarmee ten opzichte van het in referentie 10 beschreven overdrachtstelsel een aanmerkelijke besparing van apparatuur wordt bereikt, en welk overdrachtstelsel, zander beïnvloeding van de beeld-30 kwaliteit een klein signaalresponsienuitmer heeft, onafhankelijk van het feit of één dan wel meer-dimensionale prediktie wordt toegepast.

Overeenkomstig de uitvinding zijn daartoe de DFCM-codeer- en decodeer inrichting verder voorzien van: - een niet-lineaire netwerk met een ingang en een uitgang waarbij 35 aan deze ingang het gekwantiseerde verschils ignaal resp. het gedecodeerde kanaalsignaal wordt tcegevoerd en waarbij dit netwerk een niet-lineaire bewerking uitvoert cp de momentele waarde van het daaraan toegevoerde signaal; 8203850 F—:—--—---------- ...........

\ * » EHN 10.468 5 - een hulpprediktieschakeling voer het opwekken van een hulpprediktie-signaal en die is voorzien van een ingang en van een uitgang, waarbij de ingang is aangesloten op de uitgang van het niet-lineaire netwerk; 5 - middelen cm bij het gekwantiseerde verschils ignaal dat aan de eerste prediktieschakeling wordt toegevoerd resp. bij het gedecodeerde kanaalsignaal dat aan de tweede prediktieschakeling wordt toegevoerd pp te tellen het hulpprediktiesignaal.

10 C. Referenties 1. An experimental differential p.c.m. encoder-decoder for View-phone signals; G.A. Gerrard, J.E. Thompson; The Radio and Electronic Engineer,. Vol. 43, No. 3, March 1973, pagina's 201-208.

15 2. Differential PCM for Speech and Data Signals; J.B. O'Neal, R.W. Stroh; IEEE Transactions on Ccmnunications,

Vol. CCM-20, No. 5, October 1972, pagina's 900-912 (in het bijzonder fig. 1).

3. Differential Pulse Code Modulation with Two-Dimensional Prediction 20 far Video Telephone Signals; T. Thoma; Nachrichtentechnische Zeit- schrift, Jahrgang 27, Heft 6, 1974, pagina's 243-249 (in het bijzonder fig. 6a, b, c) 4. Predictive Quantizing of Television Signals; R.E. Graham? I.R.E.

Wescon Convention Record, Part IV, August 1958, pagina's 147-156 25 (in het bijzonder fig. 6).

5. Digital Image Processing; W.K. Pratt; John Wiley and Sons, 1978 (ISBN 0-471-01888-0) pagina's 641-657.

6. Dreidimensional DPCM mit Entrcpiecodierung und adaptiven Filter? J. Burgmeier; Nachrichtentechnische Zeitschrift, Jahrgang 30, Heft 3, 30 1977, pagina's 251-254.

7. Hybrid D-PCM for Joint Source/Channel Encoding;

Th.M.M. Kremers, M.C.W. van Buul; Tijdschrift voor het Nederlands Elektronlka- en Radiogenootschap, deel 44, nr. 5/6, 1979 pagina's 257-261.

35 8. Transmissiën System by Means of Time Quantization and Trivalent

Amplitude Quantization? Amerikaans octroorschrift nr. 4,099,122 van 4 juli 1978, dit octrooischrift is equivalent aan de Nederlandse octrooiaanvrage nr. 7506987.

8203950 * ·' t PHN 10.468 6 9. Hybrid D-PCM, A combination of PCM and DPCM; M.C.W. van Buul; IEEE Transactions on Ccrarunications, Vol. CCM-26, Nr. 3, March 1978, pagina's 362-368.

10. Differentieel Pulscodemodulatie Overdrachtstelsel; 5 Nederlandse octrooiaanvrage nr. 8105196 (PHN 10.192).

D. Korte beschrijving van de figuren

Fig. 1 toont een zender van een conventioneel DPCM-10 overdrachtstelsel en

Fig. 2 toont een ontvanger van dat overdrachtstelsel;

Fig. 3 toont een uitvoeringsvorm van een prediktie-schakeling voor toepassing in een DPCM-overdrachtstelsel;

Fig. 4 toont in tabelvorm het verband tussen diverse 15 signalen die in de zender en de ontvanger van dit DPCM-overdrachtstelsel optreden;

Fig. 5 en Fig. 6 tanen elk een diagram ter illüstratie van de werking van het bekende DPCM-overdrachtstelsel;

Eig. 7 toont een zender en Fig.. 8 toont een ontvanger 20 van het DPCM-overdrachtstelsel overeenkomstig de uitvinding;

Fig. 9 toont de overdrachtskarakteristiek en Fig. 10 een mogelijke uitvoeringsvorm van het niet-lineaire netwerk dat wordt toegepast in het overdrachtstelsel volgens de uitvinding;

Fig. 11 toont een diagram ter illustratie van de 2g werking van het overdrachtstelsel volgens de uitvinding;

De figuren 12, 13, 14, 15, 16 tonen verdere uitvoeringsvormen van de hulpprediktieschakeling die in het overdrachtstelsel volgens de uitvinding wordt toegepast.

30 E. Beschrijving van de uitvoeringsvoorbeelden E(1). Het bekende DPCM-overdrachtstelsel

Hoewel, zoals bekend, DPCM-codeer- en decodeerinrichtingen op onderscheiden wijze kunnen worden geïmplementeerd, zal de hierna 35 volgende beschrijving worden beperkt tot de digitale implementatie.

In fig. 1 is een uitvoeringsvoorbeeld weergegeven van een zender van het bekende DPCM-overdrachtstelsel. Deze zender is voorzien van een TV camera 1 met ingebouwde videoversterker 2 die 8203950 EHN 10.468 7 een analoog videosignaal x(t) levert. Dit videosignaal wordt toegevoerd aan een analoog digitaal omzetter 3 die het digitale videosignaal x(n) levert. Deze analoog digitaal omzetter 3 wordt bestuurd door beneisterpulsen die optreden met een periode T. Dit digitale videosignaal 5 x(n) stelt nu het informaties ignaal voor dat naar een samenwerkende ontvanger moet worden overgedragen. Om de capaciteit van het overdrachtsmedium optimaal te benutten, wordt dit informaties ignaal onderworpen aan een bron-codering. Daartoe wordt het toegevoerd aan een DPCM-codeerinrichting 4. Deze is voorzien van een verschilvormer 5 waaraan 10 x(n) en een predikties ignaal y(n) warden toegevoerd en die een verschil-s ignaal e(n) = x(n) - y(n) levert. Dit verschils ignaal wordt toegevoerd aan een kwantiseerinrichting 6 die gebruikelijkerwijze een niet-lineaire kwantiseringskarakteristiek heeft en die dit verschils ignaal amzet in een gekwantiseerd verschils ignaal d(n). Dit gekwantiseerde verschil-15 signaal d(n) wordt toegevoerd aan een prediktieschakeling 7 die is voorzien van een ingang 71 en een uitgang 72 en die het prediktie-signaal y(n) levert. Het gekwantiseerde verschilsignaal d(n) wordt . ook nog onderworpen aan een kanaalcodering en daarom toegevoerd aan een kanaalcodeerschakeling 8 die het gewenste DPCM-s ignaal of kanaal-20 signaal c(n) levert dat naar de ontvanger wordt overgedragen.

De in fig. 2 weergegeven ontvanger is voorzien van een kanaaldecodeerschakeling 9 waaraan de ontvangen versie c'(n) van het digitale kanaalsignaal c(n) wordt toegevoerd. De werking van deze kanaaldecodeerschakeling 9 is invers aan die van de kanaalcodeerschakeling 25 8 en zij levert het gedecodeerde kanaalsignaal d' (n) dat overeenkomt met het gekwantiseerde verschilsignaal d(n). Dit signaal d' (n) wordt nu verder toegevoerd aan een DPCM-decodeerinrichting 10. Deze is voorzien van een scmvormer 11 waaraan het signaal d' (n) alsmede een predikties ignaal y' (n) warden toegevoerd ter opwekking van een sarr 30 signaal x' (n) dat overeenkomt met het oorspronkelijke digitale informaties ignaal x(n). Het predikties ignaal y' (n) komt overeen met het predikties ignaal y(n) en wordt met behulp van een prediktieschakeling afgeleid van het signaal d'(n). Cmdat de prediktieschakeling in de ontvanger volkomen identiek is aan de prediktieschakeling 7 in de zender, 35 is ook de prediktieschakeling in de ontvanger aangeduid net het referen-tiecijfer 7. Het somsignaal x' (n) wordt voor verdere verwerking toegevoerd aan een digitaal analoog omzetter 12 waarvan de uitgang is aangesloten op de ingang van een laagdoorlaatfilter 13 dat het analoge 8203950 *> \ · PHN 10.468 8 videosignaal x'(t) levert dat overeenkomt met het analoge videosignaal x(t) en dat via een videoversterker 14 wordt toegevoerd aan een weer-geefbuis 15.

In fig. 3 is een algmeeen geldend uitvoer ingsvoarbeeld 5 weergegeven van een prediktieschakeling 7. Zij is voorzien van de ingang 71 en de uitgang 72. Verder bevat zij een eerste somvormer 73 waarvan een eerste ingang is aangesloten op de ingang 71. De uitgang van deze somvormer is via N vertragings inrichtingen 74 (k) met elk waarvan in cascade een constante faktor vermenigvuldiger 75(k) is gekoppeld, 10 aangesloten op ingangen van een tweede somvormer 76. De uitgang van deze tweede scunvormer 76 is enerzijds aangesloten op de tweede ingang van de eerste somvormer 73 en anderzijds qp de uitgang 72 van deze prediktieschakeling. Opgemerkt zij dat voor de grootheid k geldt: k = 1, 2, 3, ... N.

15 Met deze in fig. 3 weergegeven perdiktieschakeling 7 is een stelsel weegfaktoren a(k) geassocieerd. Dat wil zeggen dat met de constante faktor vermenigvuldiger 75 (k) een weegfaktor a(k) is geassocieerd, waardoor het uitgangssignaal van de vertragings inrichting 74 (k) wordt vermenigvuldigd met de constante weegfaktor a(k). Een 20 dergelijke weegfaktor heeft een absolute waarde die gelijk is aan of kleiner is dan één, zodanig dat de mathematische som van -alle weegfaktoren ten hoogste gelijk is aan één.

De vertragingsinrichting 74(k) heeft een vertragings-tijd die met ''t'(k) zal worden aangeduid. In de praktijk, waarin N 25 b.v. drie wordt genomen geldt dan bijvoorbeeld dat: ^(1)=T T(2)=H en ^ (3) =H + T.

Hierin stelt H een lijntijd voor, en wordt aldus een twee-dimensionale prediktie uitgevoerd. Om een inzicht te krijgen in de werking van dit bekende DPCM-overdrachtstelsel zal nu het volgende worden verondersteld. 30 1. Voor het stelsel weegfaktoren dat is geassocieerd met de prediktie schakeling geldt: a(k) =0, voor k f 1, of wat op hetzelfde neerkamt N = 1 en ^(1) = T. De werking van de in fig. 1 weergegeven zender en van de in fig. 2 weergegeven ontvanger kan nu mathematisch als volgt worden beschreven: 35 Y(n) ={y(n-1) + d(n-1)| a(1) e(n) = x(n) - y(n) d(n) = Q je (n)| .......(1) y* (n) = jy'(nr1) + d'(n-1)ja(1) x' (n) = y' (n) + d' (n) 8203950 F—-;—--—--- EHN 10.468 9

β- V

Hierin stelt q|. j de kwantiseringsqperatie voor die door de kwanti-seerInrichting 6 wordt uitgevoerd.

2. De genoemde kwantiseringsoperatie voldoet aan de gegevens die zijn opgencmen in de tabel die in fig. 4 is weergegeven. Deze tabel 5 dient als volgt te worden gelezen.

Indien e(n) één van de waarden +255, +254, +253,.... +26, +25, +24 heeft, dan geldt dat d(n) = +32. Als e(n) één van de waarden +23,+22, +21, ... +15,+14, +13 heeft, dan geldt dat d(n) = +18 enzovoort. Volledigheidshalve is in deze tabel tevens het verband 10 aangegeven tussen d(n) en c(n) alsmede tussen c'(n) en d'(n).

Is meer in het bijzonder d(n) = +32, dan geldt dat c(n) = +4.

Is daarentegen d(n) = +18, dan geldt dat c(n) = +3 enzovoort.

Is omgekeerd c'(n) = +4, dan geldt dat d'(n) = +32 enzovoort.

3. 0 ^ x(n), y(n), x' (n), y' (n) ^ 28-1 15 -28 + 1 ^ e(n) ^ 28 - 1

Wordt nu aan het aldus gedefinieerde DPCM-overdracht-stelsel een informatiesignaal x(n) toegevoerd waarvoor geldt: x (n) =50 voor n ^ 0 20 terwijl c1 (10) = +4 als gevolg van een transmissiefout en y{0) = 0 y' (0) = o 25 dan heeft het uitgangssignaal x' (n) van de DPCM-decodeerinrichting de in fig. 5 aangegeven vcrm als a(1) - 0,95 en de in fig. 6 aangegeven vorm als a(1) = 0,7.

Zoals uit fig. 5 blijkt is voor grote waarde (0,95) van de weegfaktor a(1) het uitgangssignaal x' (n) nagenoeg constant als 30 het ingangssignaal x(n) constant is. De invloed van een transmissiefout verdwijnt echter zeer langzaam. Wordt de weegfaktor klein gekozen, dan is, zoals uit fig. 6 blijkt, de invloed van een transmissiefout weliswaar snel verdwenen, maar is het uitgangssignaal x' (n) niet constant als het informatiesignaal x(n) wel constant is. Daarom is, 35 zoals reeds is opgemerkt, de beeldkwaliteit onacceptabel bij een kleine waarde van de weegfaktor a(1).

8203950 PHN 10.468 10 E(2). Verbeteringen van het DPCM-overdrachtstelsel

De in de voorgaande paragraaf beschreven ongunstige eigenschappen van het bekende DPCM-overdrachtstelsel kunnen verregaand 5 worden geëliminineerd door de zender en de ontvanger van dit over-drachtstelsel op te bouwen op de wijze zoals in figuur 7 resp. in figuur 8 is weergegeven. De in figuur 7 weergegeven zender verschilt van die weergegeven in figuur 1 daarin dat het gekwantiseerde verschil-signaal d(n) behalve aan de prediktieschakeling 7 nu ook wordt toege-10 voerd aan een niet-lineair netwerk 16. Deze levert een uitgangssignaal b(n) dat wordt toegevoerd aan een hulpprediktieschakeling 17 die ingevolge dit signaal b(n) een hulpprediktiesignaal u(n) levert. Dit hulppredikties ignaal wordt in een op teller 18 opgeteld bij het gekwantiseerde verschilsignaal d(n) en het scansignaal s(n) wordt toegevoerd 15 aan de prediktieschakeling 7. De in figuur 8 weergegeven ontvanger verschilt op dezelfde wijze van de ontvanger die in figuur 2 is weergegeven. Het niet-lineaire netwerk 16 levert daarbij het uitgangssignaal b' (n), de hulpprediktieschakeling 17.levert het hulpprediktiesignaal u' (n) en door de qpteller 18 wordt het sons ignaal s' (n) geleverd.

20 Het niet-lineaire netwerk 16 voert een niet-lineaire bewerking uit cp de momentele waarde van het signaal d (n) dan wel d’ (n). Het verband tussen zijn ingangssignaal d(n) en zijn uitgangssignaal b(n) kan mathematisch worden beschreven door de uitdrukking: J ^ · d(n) voor j d(n) | a 25 b(n) = j .....(2) / — , sign d(n)| voor |d(n) j > a

Door in bovenstaande uitdrukking b(n) te vervangen door b' (n) en d(n) door d' (n) beschrijft deze uitdrukking tevens het verband tussen 30 b' (n) en d' (n). In deze uitdrukking (2) stellen a en A positieve constante voor en de grootheid sign jd(n) j de polariteit van d(n).

Deze uitdrukking is grafisch weergegeven in fig. 9. Een praktische implementatie van dit niet-lineaire netwerk is schematisch weergegeven in fig. 10 en bestaat uit een begrenzerschakeling 161 met begrenzings-35 niveau a gevolgd door een constante faktor vermenigvuldiger 162 die een constante vermenigvuldigfaktor 1/A heeft.

De hulpprediktieschakeling 17 kan cp verschillende manieren worden geïmplementeerd. Een aantal van deze Implementatie- 8203950 W ·<Κ':· ··· *.

* EHN 10.468 11 mogelijkheden zal nog nader worden beschreven. In eerste instantie zal worden aangenomen dat zij dezelfde cpbcuw heeft als de prediktie-schakeling 7.

Ook als de algemene ophouw van deze hulpprediktie-5 schakeling dezelfde is als die van de prediktieschakeling 7, kost zijn opbouw echter minder elementen. In de praktijk is namelijk gebleken dat voor de representatie van de weegfaktoren in deze hulpprediktie-schakeling, met aanmerkelijk minder bits kan werden volstaan dan het geval is voer de prediktieschakeling 7. Zo moeten in de prediktie-10 schakeling 7 deze weegfaktoren met 12 of 14 bits worden gerepresenteerd, terwijl voor de representatie van de weegfaktoren die met de hulp-predüctieschakeling zijn geassocieerd 7 of 8 bits meer dan voldoende blijkt te zijn.

Cm een indruk te krijgen van de werking van dit nieuwe 15 DPCM-overdrachtstelsel zal werden verondersteld dat zowel de hulp-prediktieschakeling 17 als de prediktieschakeling 7 is opgebouwd cp de wijze zoals in figuur 3 is aangegeven, waarbij de verschillende grootheden als volgt zijn gekozen i

20 TO) - T

a(1) = oc voer de prediktieschakeling 7 ···· (j) = /3 voor de hulpprediktieschakeling 17 a(k) = 0 voor k^ 1

Gm nu het aantal beeldelementen dat als gevolg van een transmissiefout 25 wordt verstoord, zo klein mogelijk te houden en het verlies aan beeldkwaliteit te beperken, is bij een uitvoeringsvorm die in de praktijk is beproefd Oc gelijk aan 0,7 en /3 gelijk aan 0,95 genomen.

Wordt aan het aldus gedefinieerde DPCM-overdrachtstelsel een informatiesignaal x(n) toegevoerd waarvoor evenals in het voor-30 gaande geldt dat: x(n) = 50 voorn>0 terwijl Y(n) = 0 y'(n) = 0 35 en als gevolg van een transmissiefout c(1Q) = +4, dan heeft het uitgangssignaal x' (n) de in figuur 11 aangegeven vorm.

Als nu het in fig. 11 weergegeven signaal x' (n) wordt vergeleken met de signalen die in de figuren 5 en 6 zijn weergegeven, 8203950 * - PHN 10.468 12 dan blijkt dat bij het in de figuren 7 en 8 weergegeven DPCM-overdracht-stelsel de invloed van een transmissiefout zeer snel verdwijnt zonder dat de beeldkwaliteit daardoor merkbaar wordt aangetast. Het snelle verdwijnen van de transmissiefout moet worden toegeschreven aan het 5 feit dat in de prediktieschakeling 7 een weegfaktor wordt gebruikt die relatief klein is. De vemindering van de beeldkwaliteit die hiervan het gevolg zou zijn wordt nu tegengegaan door de hulpprediktieschakeling.

E(3). Alternatieve uitvoeringsvormen van de hulppredictieschakeling 10

In de voorgaande paragraaf is verondersteld dat door de prediktieschakeling een êén-dimens ionale predikt ie wordt uitgevoerd.

De hulpprediktieschakeling kan dan zodanig worden opgebouwd dat zij ook slechts een êén-dimens ionale prediktie uitvoert.

15 Als de prediktieschakeling een twee-dimens ionale prediktie uitvoert, dan is het raadzaam cm de hulpprediktieschakeling zodanig op te bouwen dat ook daarin een twee-dimens ionale prediktie wordt uitgevoerd. Met andere woorden; ook nu is het van voordeel om voor de prediktieschakeling en voor de hulpprediktieschakeling dezelfde 20 struktuur te kiezen. Een cp twee-dimensionale prediktie gebaseerde hulpprediktieschakeling is weergegeven in figuur 12. De aldus uitgevoerde hulpprediktieschakeling volgt direkt uit de prediktieschakeling die in figuur 3 is aangegeven; namelijk door daarin de verschillende grootheden als volgt te kiezen: 25 N = 3

?(1) = T

?(2) = ΜΓ = H

Ή3) = (M+1)T = H + T 1 2 3 4 5 6 8203950

Hierin stelt M het aantal beeldelementen van een lijn voor.

2

Deze in figuur 12 weergegeven hulpprediktieschakeling 3 omvat de optellers 173 en 176, de vertragingselementen 174(.) en de 4 vermenigvuldigers 175 (.). In de praktijk wordt a (3) zodanig gekozen 5 dat a(3) = -a{1) . a(2), waarbij de scm van deze weegfaktor en b.v.

6 ongeveer gelijk is aan 0,95. De hulpprediktieschakeling kan onder deze voorwaarde worden vereenvoudigd tot de schakeling die is aangegeven in figuur 13. Meer in het bijzonder is zij voorzien van twee recursieve digitale filters 1701 en 1702. Het filter 1701 wordt gevormd door de 9* T' EHN 10.468 13

"'«I

£ qpteller 1703, de vertragings inrichting 1704 en de vermenigvuldiger 1705.

Aan de qpteller 1703 wordt toegevoerd het signaal b(n) (of b1 (n)) en het uitgangssignaal van de vermenigvuldiger 1705. De vertragings-inrichting 1704 heeft een vertragingstijd ΜΓ die gelijk is aan één 5 lijntijd (H) van het T.V.-beeld. Het tweede filter 1702 wordt gevormd door de qpteller 1706, de vertragingsinrichting 1707 en de vermenigvuldiger 1708. Aan de qpteller 1706 wordt toegevoerd: het uitgangssignaal van opteller 1703 en het uitgangssignaal van vermenigvuldiger 1708. De vertragingsinrichting 1707 heeft een vertragingstijd T.

10 Met de twee vermenigvuldigers 1705 en 1708 zijn de respektievelijke kanstante vermenigvuldigfaktoren a (2) en a(1) geassocieerd en de uitgangssignalen van deze twee vermenigvuldigers worden bij elkaar qpgeteld in de qpteller 1709 die aldoende het hulpprediktiesignaal u(n) resp. u' (n) levert.

15 In de praktijk blijkt dat de signalen u(n) en u* (n) slechts heel langzaam, veranderen, omdat de signalen b(n) resp. b'(n) in amplitude zijn begrensd. Hiervan kan gebruik gemaakt worden om het aantal vertragingselementen waaruit de vertragingsinrichting 1704 is cpgebouwd te verminderen, zodat een verdere besparing aan apparatuur 20 wordt bereikt. Meer in het bijzonder blijkt namelijk dat de vertragingsinrichting 1704, die in figuur 13 is toegepast en die wordt gevormd door M vertragingselementen die elk een vertragingstijd T hebben, op de wijze die in figuur 14 is aangegeven, kan worden vervangen door een filter 1710, een vertragingsinrichting 1711 en een laagdoorlaat-25 filter 1712, en een vertragingsinrichting 1713.

Het filter 1710 verlaagt de bemonsterfrequentie van het daaraan toegevoerde signaal met een faktor q. Uit de digitale signaalverwerking zijn deze filters wel bekend en zij worden daar wel aangeduid met decimerende filters of "Sample Rate Reduction Filters".

30 De grootheid q is een geheel getal en kan in de praktijk zelfs de waarde zestien hebben. De vertragingsinrichtingen 1711 en 1713 hebben elk een aantal vertragingselementen, dat wordt bepaald door het aantal beeldelementen M van een lijn. Stel dat: M = MQq + waarin een getal is dat niet door q deelbaar is. Omdat de totale vertragingstijd 35 in het filter gelijk moet zijn aan MT, kan de vertragingsinrichting 1711 warden samengesteld uit MQ vertragingselementen die elk een vertragingstijd qT hebben, en de vertragingsinrichting 1713 kan worden samengesteld uit vertragingselementen die elk een vertragings- 3203950 P ' PHN 10*468 14 tijd T hebben. Het laagdoorlaatfilter 1712 dat digitaaal wordt uitgevoerd heeft een grensfrequentie van fg/2q.

Verdere onderzoekingen hebben aangetoond dat de in figuur 14 aangegeven hulpprediktieschakeling nog verder kan worden 5 vereenvoudigd nl. tot de.in figuur 15 weergegeven schakeling. Deze in figuur 15 aangegeven hulpprediktieschakeling verschilt van die weergegeven in figuur 14 daarin dat het filter 1710 nu is uitgevoerd als accumHatorschakeling bestaande uit een opteller 17101 en een vertragingsinrichting 17102 die een vertragingstijd heeft van T. De 10 inhoud van deze vertragings inrichting wordt metueen snelheid fs/q toegevoerd aan een vertragingsinrichting 1714. Dit is in de figuur schematisch aangeduid met behulp van de schakelaar 17103. Nadat de inhoud van de accumulator schakel ing naar de vertragingsinrichting 1714 is overgebracht wordt de accumulatorschakeling gereset. Omdat het 15 filter 1710 nu als accumulator is uitgevoerd, is het in figuur 14 aanwezige laagdoor laatf ilter 1712 niet meer nodig. Omdat de accumulator is voorzien van een vertragingsinrichting met vertragingstijd T, die aan de uitgang van schakelaar 17103 de grootte qT lijkt te hebben, kan aan de vertragingsinrichting 1714 een vertragingstijd (Μ —1). qT ' 20 worden toegekend, en kan zij warden opgebouwd met M -1 vertragings-elementen die elk een vertragingstijd qT hebben. Verder heeft de vermenigvuldiger 1705 nu de vermenigvuldigfaktor a(2)/q.

Opgemerkt zij nog dat de in de praktijk bij de hulp-prediktieschakelingen die in de figuren 14 en 15 zijn aangegeven de 25 optelinrichting 1709 overbodig blijkt te zijn. Namelijk blijkt dat het uitgangssignaal van de vermenigvuldiger 1708 direkt kan warden benut als hulpprediktiesignaal.

In het voorgaande is er stilzwijgend van uitgegaan dat het over te dragen videosignaal een zwart/wit videosignaal was.

30 In het geval dat we te maken hebben met een samengesteld kleurenvideo-signaal zal ten behoeve van twee-dimens ionale predikt ie de prediktie-schakeling 7 dezelfde opbouw kunnen hebben als die, weergegeven in figuur 12. Wordt daarbij, zoals tegenwoordig gebruikelijk de bemonster-frequentie f zodanig gekozen dat zij gelijk is tweemaal de kleuren- b 35 hulpdraaggolf f , dan moeten aan de vertragingsinrichtingen 174(1), 174(2), 174(3) de resp.. vertragingstijden 2T,(2M-1)T, (2Mt1)T warden toegekend. De hulpprediktieschakeling 17 kan dan ook warden opgebouwd op de wijze zoals is aangegeven in figuur 16. De aldaar weer- 8203950 F———----.

*>β

P

i' EHN 10.468 15 gegeven hnlpprediktieschakeling kout in grote lijnen overeen met de hulpprediktieschakeling die in figuur 15 is aangegeven. Zij verschilt daarvan echter cp de volgende punten. De vertragingstijd van de vertragingsinrichting 1707' in het tweede filter 1702 is nu gelijk 5 aan 2T. In de accuraolatorschakeling 1710 wordt de vertragingsinrichting nu gevormd door een cascadeschakeling van twee vertragingselementen 17102(1) en 17102(2), elk met een vertragingstijd T. Van elk van deze vertragingselementen wordt de inhoud met een snelheid fs/2q toe-voerd aan vertragingsinrichtingen 1714(1) en 1714(2) die elk een ver-10 tragingstijd (MQ-1)q2T hebben en elk uit MQ-1 vertragingselementen kunnen worden opgebouwd. Evenals in het uitvoeringsvoorbeeld dat in figuur 15 is weergegeven, wordt elk van de vertragings inrichtingen 1714(.) gevolgd door een vertragingsinrichting 1713(.) die een vertragingstijd 2T heeft en uit Mj vertragingselementen met veris tragingstijd 2T kan worden opgebouwd. Nadat de inhoud van de vertragingselementen 17102(.) naar de vertragingsinrichtingen 1714(.) is overgebracht, worden de vertragingsinrichtingen 17102(.) gereset. De vermenigvuldiger 1705 die nu eveneens een kanstante vermenigvuldig-faktor a(2)/q heeft, wordt nu afwisselend in het ritme fs/2 verbonden 20 met de uitgang van de vertragingsinrichting 1713(1) en 1713(2).

Dit is in figuur 16 schematisch aangegeven voor middel van de schakelaar 1715 die wordt bestuurd door een kloksignaal fs/2.

25 30 1 8203950

Claims (7)

9 ï PHN 10.468 16

1. Differentieel pulscodemodulatie (DPCM) overdracht- stelsel dat is voorzien van een zender en van een ontvanger, waarbij: A. de zender is voorzien van: a1. middelen voor het opwekken van een over te dragen informatie-5 signaal; a2. een DPCM-codeerinrichting bevattende: aal. een verschilvormer waaraan via een eerste ingang het over te dragen informatiesignaal en via een tweede ingang een eerste prediktiesignaal worden toegevoerd ter op-10 wekking van een verschils ignaal; aa2. een kwantis eer inr ichting waaraan het verschils ignaal wordt toegevoerd en die een gekwantiseerd verschils ignaal levert; aa3. een eerste prediktieschakeling voor het opwekken van het eerste prediktiesignaal en die is voorzien van een ingang 15 waaraan het gekwant is eerde verschils ignaal wordt toegevoerd, alsmede van een uitgang die is gekoppeld net de tweede ingang van de verschilvormer; . a3. een kanaalcodeerschakeling voor het omzetten van het gekwantiseer-de verschils ignaal in een digitaal kanaalsignaal;

20 B. de ontvanger is voorzien van: b1. een kanaaldecodeerschakeling voor het omzetten van het ontvangen digitale kanaalsignaal in een gedecodeerd kanaalsignaal; b2. een DPCM-decodeerinrichting bevattende: bb1. een somvormer waaraan via een eerste ingang het gedecodeerde 25 kanaalsignaal en via een tweede ingang een tweede prediktie signaal worden toegevoerd; bb2. een tweede prediktieschakeling voor het opwekken van het tweede prediktiesignaal en die is voorzien van een ingang waaraan het gedecodeerde kanaalsignaal wordt toegevoerd, 30 alsmede van een uitgang die is gekoppeld met de tweede ingang van de sonvormer; b3. middelen voor het verwerken van het soms ignaal dat door de sorr vormer wordt geleverd, met het kenmerk, dat de DPCM-codeer- en decodeerinrichting elk verder 35 zijn voorzien van: C1. een niet-lineair netwerk met een ingang en een uitgang, waarbij aan deze ingang het gekwantiseerde verschils ignaal resp. het gedecodeerde kanaalsignaal wordt toegevoerd en waarbij dit netwerk een 8203950 W —7 ~ ---------- Ψ i PHN 10.468 17 niet-lineaire bewerking uitvoert op de momentele waarde van het daaraan toegevoerde signaal? C2. een hulpprediktieschakeling voor het opwekken van een hulpprediktie-signaal en die is voorzien van een ingang en van een uitgang, waarbij 5 de ingang is aangesloten qp de uitgang van het niet-lineaire netwerk? C3. middelen cm bij het gekwantiseerde verschilsignaal dat aan de eerste prediktieschakeling wordt toegevoerd resp. bij het gedecodeerde kanaalsignaal dat aan de tweede prediktieschakeling wordt toegevoerd cp te tellen het hulpprediktiesignaal.

2. Overdrachtstelsel volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het verband tussen het ingangssignaal R(n) van het niet-lineaire netwerk en zijn uitgangssignaal W(n) wordt gegeven door de betrekking ^ R(n) als R(n) ^ a W(n) =. 15. signjR(n)^ als |R(n) j > a hierin stellen a en A positieve constanten voor en sign R(n)j de polariteit van R(n) .

‘ 3. Overdrachtstelsel volgens conclusie 1, met het kenmerk, 20 dat de hulpprediktieschakeling een eerste en een tweede recursief digitaal filter bevat.

4. Overdrachtstelsel volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat het eerste en het tweede recursieve digitale filter elk worden gevormd door een optelinrichting met een eerste en een tweede ingang 25 en een uitgang? een vertragingsinrichting waarvan de ingang met de uitgang van de optelinrichting is verbonden; een konstante faktor vermenigvuldiger die met een ingang is verbonden met een uitgang van de vertragingsinrichting en die met een uitgang is aangesloten op de eerste ingang van de optelinrichting.

5. Overdrachtstelsel volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de tweede ingang van de optelinrichting van het tweede recursieve digitale filter is verbonden met de uitgang van de optelinrichting van het eerste recursieve digitale filter.

6. Overdrachtstelsel volgens conclusie 4, met het kenmerk, 35 dat in het eerste recursieve digitale filter voorafgaand aan de vertragingsinrichting een decimerende filter inrichting is opgenomen.

7. Overdrachtstelsel volgens conclusie 6, met het-kenmerk, dat de decimerende filterinrichting wordt gevormd door een accumulator- 8203950 r‘ i -ψ PHN 10.468 18 inrichting waarvan de inhoud op regelmatige tijdstippen wordt overgebracht naar de vertragingsinrichting, waarna de accumulatorinrichting wordt gereset. 5 10 15 20 25 30 35 8203950