WO2004017553A1 - Auswertung von empfangenen nutzinformationen durch fehlerverschleierungsdetektion - Google Patents

Auswertung von empfangenen nutzinformationen durch fehlerverschleierungsdetektion Download PDF

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    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10L—SPEECH ANALYSIS OR SYNTHESIS; SPEECH RECOGNITION; SPEECH OR VOICE PROCESSING; SPEECH OR AUDIO CODING OR DECODING
    • G10L19/00—Speech or audio signals analysis-synthesis techniques for redundancy reduction, e.g. in vocoders; Coding or decoding of speech or audio signals, using source filter models or psychoacoustic analysis
    • G10L19/005—Correction of errors induced by the transmission channel, if related to the coding algorithm
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03M—CODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M13/00—Coding, decoding or code conversion, for error detection or error correction; Coding theory basic assumptions; Coding bounds; Error probability evaluation methods; Channel models; Simulation or testing of codes
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L1/00—Arrangements for detecting or preventing errors in the information received
    • H04L1/004—Arrangements for detecting or preventing errors in the information received by using forward error control
    • H04L1/0045—Arrangements at the receiver end

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for evaluating data received via a communication network and containing useful information.
  • source coding methods are used to minimize the required transmission bandwidth.
  • a channel code protects the compressed data from transmission errors. Can the channel decoder detect errors in the transmission (e.g.
  • the source decoder can use error concealment mechanisms to improve the speech quality of the received data.
  • the voice channel is used to modulate
  • L0 text telephony system means that at time t, instead of a very noisy signal, which would produce poor reliability information in the demodulator and was therefore not taken into account so strongly in channel decoding, a signal from the past was demodulated
  • the object of the invention is to propose a method and a device in a cellular mobile communication network for the reception-side detection of unreliably detectable received useful information.
  • the object is achieved according to the invention by the subject matter of the 30 independent patent claims relating to the method and the device.
  • the essence of the invention is a method for the reception-side detection of an error concealment, e.g. B. a speech decoder decoding the received data, based on the statistical parameters obtained from the received data.
  • This can generally be used for the transfer of User information, such as voice, image, video signals, etc., are used, in which error concealment is used at the receiving end.
  • reliability information software values
  • the AMR mode can be switched using the invention in order to minimize the concealment of errors.
  • this method can be used with regard to the quality of the transmitted data to make a decision as to whether data should be retransmitted.
  • a major advantage of this method is that no explicit information of a recipient about the use of error concealment is necessary, so it is also suitable for accessories. If you use this procedure with external CTM (Cellular Text telephone Modem) additional devices, the CTM device works without adaptation with different mobile terminal devices. With the help of the invention can be reliably decided whether the received CTM (Cellular Text telephone Modem) additional devices.
  • Figure 1 is a simplified representation of the statistical
  • FIG. 1 shows how an AMR channel decoder in an AMR receiver (6) receives the transmitted data in the form of TDMA bursts from an equalizer.
  • the AMR channel decoder (1) corrects channel errors as far as possible. On the basis of a checksum (CRC), it recognizes (1) whether the channel-decoded AMR speech frame is usable or unusable (in the sense of being excessively disturbed by the transmission). It transfers the decoded speech frame, the AMR mode and the additional information to the AMR speech decoder (2) as to whether the frame is usable.
  • the AMR speech decoder (2) uses the BFI (Bad Frame Indicator) in order not to convert unusable frames directly into speech (audio signal), but in this case to synthesize the data containing useful information from frames from the past so that the human Ear perceives only a minimal disturbance (error concealment).
  • BFI Bit Frame Indicator
  • a PCM Pulse Code Modulation
  • the source-decoded audio signal is examined for characteristic features of the error concealment, which indicate with a sufficiently high degree of probability that an error concealment will be used for decoding in the time window examined.
  • Useful information can e.g. B. consist of numbers, letters or numbers and letters.
  • the CTM receiver (5) consists among other things of a demodulator unit (3) and the error correction module (4).
  • the former two bits are generated from 40 PCM signal values, which are contained in the PCM signal in a frequency-modulated manner. Reliability information is added to the bits. The reliability information is erroneously high if the 40 signal values originate from an AMR frame that was actually received unusable. Due to the error concealment, the signal has few acoustic interference components, but has taken the frequency-modulated information from a speech frame of the past and is therefore not usable at the current time.
  • a CTM Cellular Text telephone Modem
  • a MMR Cellular Text telephone Modem
  • Regardless of the voice channel full rate speech, half rate speech, enhanced full rate speech, AMR, future technologies
  • information from hearing impaired or speech impaired people can be transmitted by coding letters and transmitting them frequency-modulated in the speech frequency band.
  • CTM is developed with robust error protection for mobile transmission.
  • the CTM is either an external add-on device for cell phones or it is integrated in the cell phone as a DSP code implemented in firmware. This information and the information relating to reliability are transmitted to the channel decoder of the CTM system.
  • the signal energy can also be measured. 5ms corresponds to a quarter of an AMR frame of 20 ms. If there is 5 error concealment in the AMR receiver (6), parameters from previous, correctly received frames are repeated, i.e. a signal is output at time t that is very similar to the signal at time t minus 20 ms, but has lower signal energy (the gain factors become
  • Reliability information of the CTM demodulator (3) can be changed to indicate low reliability. The same procedure can be followed if the same subframe in immediately successive 5 ms

Abstract

Eine effektive Möglichkeit zum Erkennen von Fehlerverschleierung wird beschrieben durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Auswerten von über ein Kommunikationsnetz empfangenen, Nutzinformationen enthaltenden Daten, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine statistische Analyse der Nutzinformationen die Anwendung einer Fehlerverschleierung nach dem Empfang detektiert wird.

Description

Beschreibung
Auswertung von empfangenen Nutzinformationen durch Fehlerverschleierungsdetektion.
5
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Auswerten von über ein Kommunikationsnetz empfangenen, Nutzinformationen enthaltenden Daten.
.0 Bei der digitalen Übertragung von Sprache über fehlerbehaftete Kanäle werden Quellencodierungsverfahren verwendet, um die benotigte Ubertragungsbandbreite zu minimieren. Ein Kanalcode schützt die komprimierten Daten vor Ubertragungsfehlern. Kann der Kanal-Decoder Fehler bei der Übertragung erkennen (z.B.
L5 Paritatsprufung, CRC) und dem Quellen-Decoder die
Fehlerhaftigkeit der Daten melden, so kann der Quellen-Decoder Fehlerverschleierungsmechanismen (Error Concealment) verwenden, um die Sprachqualitat der empfangenen Daten zu verbessern. Wird der Sprachkanal aber verwendet, um modulierte
10 Nutzinformationen, wie zum Beispiel Text bei Texttelephonie = CTM (Cellular Text telephone Modem) , Dokumente, Graphik, Multimediadaten, etc. zu übertragen, ist diese Fehlerverschleierung nicht mehr gunstig für die Übertragung dieser Nutzinformationen. Eine Nutzinformation ist die
.5 Information, die senderseitig in den Strom der Daten eingefugt wird und empfangsseitig wieder aus den Daten gewonnen wird, wie zum Beispiel Text, Sprach-, Bild-, Videosignale, etc.. Die Daten sind dabei die empfangenen Signale, die in einer für die Übertragung typischen Weise codiert sind. Bei der Übertragung
30 von Text nach dem US-amerikanischen Texttelephoniestandard (vgl. 3GPP TS 26.226) durch digitale Codierung eines Alphabets, Kanalcodierung und frequenzmodulierte Übertragung über einen Sprachkanal, kann es vorkommen, dass ein Abschnitt dieses Sprachkanals über einen Mobilfunkkanal verlauft. Um die
35 sichere Übertragung von Notrufen zu garantieren sind maximale Fehlerraten bei der Übertragung der einzelnen Buchstaben vorgeschrieben (vgl. 3GPP TS 26.231) . Wird in diesem Mobilfunkkanal der Adaptive Multi-Rate (AMR) Sprachcodec verwendet, so wird bei der Erkennung eines fehlerhaft 5 empfangenen Sprachrahmens eine Fehlerverschleierung verwendet. Dabei werden Parameter des letzten gut empfangenen Sprachrahmens verwendet. Zudem werden Parameter der vier 5 ms langen Unterrahmen des zuletzt gesendeten 20 ms langen AMR Rahmens gemittelt. Für den Demodulator des
L0 Texttelephoniesystems bedeutet das, dass zum Zeitpunkt t an Stelle eines sehr verrauschten Signals, das schlechte Zuverlassigkeitsmformation im Demodulator erzeugen wurde und somit bei der Kanaldecodierung nicht so stark berücksichtigt werden wurde, ein Signal aus der Vergangenheit demoduliert
L5 wird, das eigentlich nicht mehr gültige Information enthalt aber dafür mit wenig Rauschen empfangen wird. Für dieses Signal werden somit trotz falscher Information hohe Zuverlassigkeitswerte, die angeben, dass das Signal zuverlässig decodiert werden konnte, obwohl das hier bei Text
20 nicht stimmt, generiert. Die Folge sind hohe Fehlerraten nach der Kanaldekodierung, die nicht aus den Zuverlassigkeitsmformationen ersichtlich sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine 25 Vorrichtung in einem zellularen mobilen Kommunikationsnetz zum e pfangsseitigen Erkennen unzuverlässig detektierbarer empfangener Nutzinformationen vorzuschlagen.
Die Aufgabe wird erfmdungsgemaß durch die Gegenstande der 30 unabhängigen Patentansprüche bezuglich des Verfahrens und der Vorrichtung gelost. Kern der Erfindung ist ein Verfahren zum empfangsseitigen Erkennung einer Fehlerverschleierung z. B. eines die empfangenen Daten dekodierenden Sprachdecoders, anhand der aus den Empfangsdaten gewonnenen statistischen 35 Parameter. Diese kann im allgemeinen für die Übertragung von Nutzinformationen, wie Sprach-, Bild-, Videosignalen, etc., verwendet werden, bei welcher empfangsseitig Fehlerverschleierung eingesetzt wird. Bei einem CTM Gerät werden Zuverlässigkeitsinformationen (Softwerte) entsprechend der Fehlerverschleierung (vorliegend oder nicht vorliegend) unterschiedlich behandelt bzw. gewichtet. Bei der AMR Sprachübertragung in einem mobilen Kommunikationsnetz kann mit Hilfe der Erfindung der AMR Modus umgeschaltet werden, um die Fehlerverschleierung zu minimieren. Bei anderen Anwendungen zur Datenübertragung kann dieses Verfahren hinsichtlich der Qualität der übertragenen Daten zur Entscheidungsfindung, ob Daten nochmals übertragen werden sollen, verwendet werden. Ein wesentlicher Vorteil dieses Verfahrens ist, dass keine explizite Information eines Empfängers über die Verwendung von Fehlerverschleierung nötig ist, somit ist es für Zubehör ebenfalls geeignet. Setzt man dieses Verfahren bei externen CTM (Cellular Text telephone Modem) -Zusatzgeräten ein, so funktioniert das CTM Gerät ohne Anpassung mit verschiedenen Mobilfunkendgerät-Fabrikaten. Mit Hilfe der Erfindung kann zuverlässig entschieden werden, ob die empfangenen
Nutzinformationen durch eine Fehlerverschleierung verfälscht wurden. Ferner können die Fehlerraten bei der Übertragung minimiert werden, was gerade bei Notrufen einen großen Vorteil darstellt. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird anhand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt
Figur 1 eine vereinfachte Darstellung der statistischen
Analyse von Daten zur Detektion des Einsatzes von Fehlerverschleierung bei einer erfolgten Sprachdecodierung der Daten Figur 1 zeigt, wie ein AMR Kanal Decoder in einem AMR Empfanger (6) von einem Entzerrer die übertragenen Daten in Form von TDMA-Bursts erhalt. Der AMR Kanal Decoder (1) korrigiert so weit möglich Kanalfehler. Anhand einer Prüfsumme (CRC) erkennt er (1), ob der kanaldecodierte AMR Sprachrahmen brauchbar oder unbrauchbar (im Sinne von zu stark durch die Übertragung gestört) ist. Er übergibt an den AMR Sprach Decoder (2) den decodierten Sprachrahmen, den AMR Modus und die Zusatzinformation, ob der Rahmen brauchbar ist. Letztere Information ist im Parameter RX_FRAME_TYPE enthalten (BFI =
Bad Frame Indikator) . Der AMR Sprach Decoder (2) nutzt den BFI (Bad Frame Indikator) , um unbrauchbare Rahmen nicht direkt in Sprache (Audio-Signal) umzusetzen, sondern die Nutzinformationen enthaltenden Daten in diesem Falle aus Rahmen aus der Vergangenheit so zu synthetisieren, dass das menschliche Ohr nur eine minimale Störung wahrnimmt (Fehlerverschleierung) . Am Ausgang des Moduls (2) liegt ein PCM (Puls Code Modulation) Signal an. Das quellendecodierte Audiosignal wird auf charakteristische Merkmale der Fehlerverschleierung hin untersucht, die mit einer ausreichend hohen Wahrscheinlichkeit auf die Anwendung einer Fehlerverschleierung bei der Dekodierung im untersuchten Zeitfenster schließen lassen. Die so gewonnene Aussage, ob wahrscheinlich Fehlerverschleierung vorliegt, geht in eine die Zuverlässigkeit richtiger Demodulation der Nutzinformationen angebende Zuverlassigkeitsmformation, die der Demodulator (3) der Nutzinformationen enthaltenden Daten liefert, ein: Falls es wahrscheinlich ist, dass für Nutzinformationen Fehlerverschleierung im Demodulationszeitfenster verwendet wurde sinkt die Zuverlässigkeit (= Wahrscheinlichkeit), dass die Nutzinformationen zutreffend (= richtig) dekodiert wurden, also den gesendeten Nutzinformationen entsprechen. Die Zuverlassigkeitsmformationen werden also auf einen niedrigereren Wert festgelegt als wenn keine Anwendung einer Fehlerverschleierung detektiert worden wäre. Eine folgende Kanaldecodierung der Nutzinformationen enthaltenden Daten kann mit dieser Zuverlässigkeitsinformation Fehler besser feststellen und korrigieren. Nutzinformationen können z. B. aus Zahlen, Buchstaben oder Zahlen und Buchstaben bestehen. Der CTM Empfänger (5) besteht u.a. aus einer Demodulator- Einheit (3) und dem Fehlerkorrektur-Modul (4). In ersterem werden aus 40 PCM-Signalwerten zwei Bits generiert, die frequenzmoduliert im PCM-Signal enthalten sind. Den Bits wird eine Zuverlässigkeitsinformation beigefügt. Die Zuverlassigkeitsmformation ist fälschlicherweise hoch, wenn die 40 Signalwerte aus einem AMR Rahmen entstammen, der eigentlich unbrauchbar empfangen wurde. Durch die Fehlerverschleierung besitzt das Signal wenige akustische Störanteile, hat aber die frequenzmodulierte Information einem Sprachrahmen der Vergangenheit entnommen und ist deshalb zum aktuellen Zeitpunkt nicht verwertbar.
Es ist dem PCM-Signal nicht mehr unmittelbar zu entnehmen, ob eine Fehlerverschleierung angewendet wurde. Beim CTM Empfänger (5) werden pro 5ms 2 Bit frequenzmoduliert (4 Frequenzen) übertragen. Mit einem Korrelationsdemodulator (3) wird die
Frequenz ermittelt, die am wahrscheinlichsten gesendet wurde. Ein CTM (Cellular Text telephone Modem) ist ein Modem das die Übertragung von Textnachrichten über Sprachkanäle in Mobilfunksystemen ermöglicht. Unabhängig vom Sprachkanal (Fullrate Speech, Halfrate Speech, Enhanced Fullrate Speech, AMR, zukünftige Technologien) können Informationen von Gehöroder Sprachbehinderten übertragen werden, indem Buchstaben codiert und frequenzmoduliert im Sprachfrequenzband übertragen werden. Im Gegensatz zu anderen Texttelephonie-Standards, die für Festnetze ausgelegt sind, ist CTM mit robustem Fehlerschutz für mobile Übertragung entwickelt. Das CTM ist entweder ein externes Zusatzgerät für Mobiltelefone oder es ist als DSP Code in Firmware implementiert im Mobiltelefon integriert. Diese Information sowie die Angaben betreffend die Zuverlässigkeit werden an den Kanal-Decoder des CTM Systems übermittelt. Zudem kann die Signalenergie gemessen werden. 5ms entspricht einem Viertel eines AMR Rahmens von 20 ms. Bei 5 Fehlerverschleierung im AMR Empfänger (6) werden Parameter aus früheren, korrekt empfangenen Rahmen wiederholt, es wird also zum Zeitpunkt t ein Signal ausgegeben, das dem Signal zum Zeitpunkt t minus 20ms sehr ähnlich ist, aber niedrigere Signalenergie besitzt (die Verstärkungsfaktoren werden
L0 gedämpft) . Der Vergleich der aktuell zum Zeitpunkt t detektierten Frequenz und der Signalenergie mit der detektierten Frequenz und Signalenergie zum Zeitpunkt t minus 20ms lässt also bei gleicher Frequenz und niedrigerer Signalenergie zum Zeitpunkt t mit gewisser Wahrscheinlichkeit
L5 auf Fehlerverschleierung schließen und die
Zuverlässigkeitsinformation des CTM Demodulators (3) kann dahingehend geändert werden, dass sie eine niedrige Zuverlässigkeit angibt. Genauso kann verfahren werden, wenn in unmittelbar aufeinander folgenden 5ms Unterrahmen die gleiche
20 Frequenz detektiert und gleichbleibende bis sinkende
Signalenergie gemessen wird, da auch das ein Indiz für die Anwendung von Fehlerverschleierung bei der erfolgten Demodulation ist. Bei der AMR Fehlerverschleierung werden nämlich Parameter der Unterrahmen gemittelt und somit 4
25 Unterrahmen lang ähnliche Signale ausgegeben. Durch diese beiden Ansätze und eine optimal parametrisierte Dämpfung der Zuverlässigkeitsinformation kann die Fehlerrate bei der Buchstabenübertragung um ca. 20 Prozent gesenkt werden. Durch die in der Erfindung beschriebenen statistischen
30 Untersuchungen kann geschätzt werden, ob eine Fehlerverschleierung verwendet wurde. Die
Zuverlässigkeitsinformation kann dann angepasst werden, damit kann für Text/ (CTM) - Daten zutreffend angegeben werden, ob sie mit hoher oder niedriger Wahrscheinlichkeit (= mehr oder
35 weniger zuverlässig) zutreffend demoduliert wurden, da dies von der Anwendung der (für Text/ (CTM) - Daten ungeeigneten) Fehlerverschleierung bei der Demodulation abhängt. Die Daten bestehen aus den Nutzinformationen, beim CTM noch mit dem Header und sonstigen Informationen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Auswerten von über ein Kommunikationsnetz empfangenen, Nutzinformationen enthaltenden Daten,
5 dadurch gekennzeichnet,
dass durch eine statistische Analyse der Nutzinformationen die Anwendung einer Fehlerverschleierung nach dem Empfang LO detektiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, L5 dass die Wahrscheinlichkeit einer zutreffenden Dekodierung der empfangenen Daten repräsentierende
Zuverlässigkeitsinformationen in Abhängigkeit vom Ergebnis der
Detektion einer Fehlerverschleierung bestimmt werden. 20
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
25 dass ein Kanaldekodierer (1) die Zuverlässigkeitsinformation beim Kanaldekodieren berücksichtigt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
30 dadurch gekennzeichnet,
dass die Daten Notruf-bezogene Daten sind.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 35 dadurch gekennzeichnet,
dass die Analyse der Daten in einer Mobilstation (MS) erfolgt.
5 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Übertragung der Daten über ein zellulares mobiles LO Kommunikationsnetz erfolgt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, L5 dass die Analyse der Daten in einem CTM-Empfänger (5) erfolgt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
20 dadurch gekennzeichnet,
dass für das statistische Erkennen einer Fehlerverschleierung die Zeitabschnitte der Rahmen der empfangenen Nutzinformationen analysiert werden. 25
9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
30 dass die Analyse der Zeitabschnitte in einem CTM-Demodulator (3) geschieht.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
35 dadurch gekennzeichnet , dass das Ergebnis der statistischen Analyse an ein Fehler- Korrektur-Modul (4) im CTM Empfänger (5) weitergeleitet wird.
5 11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Daten AMR (Adaptive Multi-Rate) kodiert sind.
L O
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
L5 dass die Nutzinformation aus Text, Sprach-, Bild-, und/oder Videosignale besteht.
13. Vorrichtung zum Auswerten von über ein Kommunikationsnetz empfangenen, Nutzinformationen enthaltenden Daten, 20
- mit einem Kanal Decoder (1) in einem Kommunikationsendgerät- Empfänger (6) zum Auswerten und zumindest teilweise Korrigieren der empfangenen Daten und zum Weiterleiten dieser Daten mit Eigenschaften der Daten repräsentierenden
25 Zusatzinformationen an einen Sprach-Decoder (2),
- mit einem Sprach-Decoder (2) zur Dekodierung und erforderlichenfalls Fehlerverschleierung und zur Weiterleitung der Daten an einen CTM Empfänger (5),
- mit einem Demodulator (3) im CTM Empfänger (5) zum Auswerten 30 und statistischen Analysieren der erhaltenen Daten, zum
Erstellen einer Zuverlässigkeitsinformation betreffend die Daten und zum Weiterleiten von Daten mit der Zuverlässigkeitsinformation an ein Fehler-Korrektur-Modul (4), - mit einem Fehler-Korrektur-Modul zum Korrigieren der erhaltenen Daten unter Berücksichtigung der Zuverlässigkeitsinformation.
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