DE2341172C3

DE2341172C3 - Digitales Nachrichtenübertragungssystem

Info

Publication number: DE2341172C3
Application number: DE19732341172
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr.-Ing. 8000 Muenchen Thoma
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-08-14
Filing date: 1973-08-14
Publication date: 1978-11-23
Also published as: DE2341172B2; DE2341172A1

Description

Die Erfindung betrifft ein digitales Nachrichtenübertragungssystem mit einem sendeseitigen Codierer, dem neben dem Eingangssignal ein sendeseitiges Dithersignal zugeführt wird, mit einem digitalen Übertragungskanal, mit einem empfangsseitigen Decodierer, dem neben dem übertragenen digitalen Signal ein empfangsseitiges Dithersignal zugeführt wird, und mit einem sendeseitigen und einem empfangsseitigen Pseudo-Zufallsgenerator, die während der meisten Betriebszeit miteinander synchronisiert sind und der Erzeugung des sendeseitigen und empfangsseitigen Dithersignais dienen.

Ein Dithersignais ist ein periodisches, zufälliges oder pseudozufälliges Signal mit einer meist gegen das Eingangssignal kleinen Amplitude, welches dazu dient, den Quantisierungsfehlern des Codierers einen zufallsähnlichen Charakter zu geben.

Die Umsetzung eines analogen Fernsehsignals in ein Digitalsignals mit Hilfe eines sendeseitigen Codierers, dem neben den Eingangssignal ein sendeseitiges Dithersignal zugeführt wird, ist aus »IRE Transaction on Information Theory«, IT-8 (1962) 2, S. 145 bis 154, bekannt. Die Wirkungsweise des dort beschriebenen Verfahrens sei anhand Fi g. 1 erläutert.

Die Anordnung nach Fi g. 1 enthält einen Codierer 1, einen digitalen Übertragungskanal 2, einen Decodierer 3, einen sendeseitigen Dithergenerator 4, einen empfangsseitigen Dithergenerator 5, eine Kamera 6 und einen Monitor 7.

Der Codierer 1 enthält einen Addierer 8, einen

Analog-Digitalumsetzer 9 und eine gedachte Geräuschquelle 10. Der Decodierer 3 enthält einen Digital-Analogumsetzer 11 sowie einen Substrahierer IZ

Zu dem die Kamera 6 verlassenden Eingangssignal s wird in dem Codierer 1 ein sendeseitiges Dithersignal d_s hinzuaddiert Die Summe s + d_s wird in dem Analog-Digitalumsetzer 9 mit Nyquistfrequenz abgetastet und derart quantsiert, daß zu jedem Abtastwert der nächstgelegene Wert aus einer endlichen Anzahl,

ίο beispielsweise acht, vorgegebener Werte ausgesucht wird Dabei tritt ein Quantisierungsfehler q auf, der symbolisch so eingezeichnet ist, als würde er in einer gedachten Quantisiergeräuschquelle 10 erzeugt Das Ausgangssignal des Analog-Digitalumsetzers 9 hat die

'S Form digitaler Codewörter, weiche die Summe s + d_s + q repräsentieren. Die Codewörter werden über den digitalen Übertragungskanal 2 übertragen und einem Digital-Analogumsetzer 11 zugeführt, der die digitalen Codewörter in die gleichbedeutenden Analogwerte s +d_s +q umsetzt Von diesem Signal wird ein empfangsseitiges Dithersignal d_e subtrahiert. Die Differenz s + q + (ds—dc) wird auf dem Wiedergabe-Bildschirm des Monitors 7 dargestellt Wenn kein Dithersignal angewendet wird, also d_s = de = 0 ist, wird das Eingangssignal 5 im Analog-Digitalumsetzer 9 direkt quantisiert und das wiedergegebene Signal s + q hat nur eine begrenzte Anzahl von Amplitudenwerten. Deshalb sind auf dem Bildschirm nur einige vorgegebene Helligkeitswerte möglich, was zu einer als schlecht erkennbar empfundenen Bildqualität führt.

Wenn das sendeseitige Dithersignal ein Rauschsignal oder ein pseudozufälliges Rauschsignal ist, dann wird die Summe s + d_s im Analog-Digitalumsetzer 9 quanti-

^J5 siert. Wegen des Zufallscharakters von d_s erhält der Quantisierungsfehler q ebenfalls einen Zufalls-Charakter. Falls das empfangsseitige Dithersignal d_e = 0 ist, wird auf dem Bildschirm das Signal s + d_s + q wiedergegeben. Dies ist das Eingangssignal s plus die Summe aus zwei störenden Signalen (d_s + q) mit einem Zufalls-Charakter. Das Wiedergabebüd ist dann besser erkennbar, als im Falle d_s = 0. Durch Wahl von d_e mittels Synchronisation über eine Hilfsleitung 21 kann nun noch das störende Signal d_s auf der Empfangsseite

eliminiert werden, so daß die Wiedergabe nur durch ein zufallsähnliches Quantisiergeräusch q gestört wird. Die Hilfsleitung 2' ist bei einer praktischen Anwendung des Verfahrens aufwendig. Die Erfindung daher ein Verfahren, das ohne diese Hilfsleitung auskommt.

Die genannte Arbeit behandelt die Quantisierung von Einzelbildern, nicht aber die von bewegten Fernsehbildern. Die Erzeugung der Dithersignais d_s und d_c geschah mit je einem Pseudo-Zufallsgenerator auf der Sende- und der Empfangsseite. Beide müßen exakt gleichlaufen,

damit d_e = d_s ist. Es wurde vorgeschlagen, den Gleichlauf bei Fernsehsignalen dadurch zu erreichen, daß beide Pseudo-Zufallsgeneratoren bei Beginn eines jeden Einzelbildes auf einen vorgegebenen Anfangswert gesetzt werden. Dadurch kann die Hilfsleitung 2' eingespart werden.

In der Zeitschrift »Proceedings of the IEEE«, 55 (1967) 3, S. 353-355 wird über die an bewegten Fernsehbildern gemachte Beobachtung berichtet, daß ein von Einzelbild zur Einzelbild gleiches Dithersignal

¹⁾⁵ zu einem für den Betrachter unangenehmen »Schmutziges-Fenster-Effekt (dirty-window effect)« führt. Deshalb wird je ein sende- und empfangsseitiges Dithersignal verwendet, das eine Periodendauer von zwei statt

einer Vollbilddauer hat Auch hier ist der Gleichlauf der Pseudo-Zufallsgeneratoren einfach zu realisieren, da sie nach jeweils zwei Vollbilddauern auf gleiche Anfangswerte gesetzt werden können.

In der Literaturstelle »The Bell System Technical Journal«, 48 (1969) 7, S. 2555—2582, ist ebenfalls ein Verfahren mit einem sendeseitigen Codierer angegeben, dem neben dem Eingangssignal ein sendeseitiges Dithersignals zugeführt wird. Dabei handelt es sich um einen Codierer für Differenz-Pulscodemodulation. Das Problem des Gleichlaufes von sende- und empfangsseitigen Pseudo-Zufallsgenerator wurde dadurch umgangen, daß kein empfangsseitiges Däthersignal verwendet wurde (d_e = 0).

Auch in der Zeitschrift »IEEE Transactions on Communication Technology«, COM-19, (1971) 6, S. 880—888, sind sendeseitige Dithersignale angegeben, die besonders günstig für die Übertragung von Einzelbildern sind, auch wenn kein empfmgsseitiges Dithersignal subtrahiert wird. Diese Arbeit behandelt keine Fernsehsignale.

In der Literaturstelle »IEEETransactions on Communication Technology«, COM-19, (1971) 6, S. 872-879, wird über Untersuchungen an Fernsehsignalen berichtet. Es wird die Ansicht vertreten, daß es sich auf jeden Fall lohnt, das Dither-Signal auf dem Empfangsseite zu subtrahieren, da dies die Bildqualität verbessere. Weiter wird dargelegt, daß hinsichtlich der Bildqualität pseudozufällige Dithersignale günstig sind, die nicht mit einer oder einigen wenigen Vollbilddauern periodisch sind.

Da man sich bei einem praktisch realisierten Nachrichtenübertragungssystem nicht darauf verläßt, daß nach einem einmaligen Synchronisiervorgang am Beginn der Übertragung eines Fernsehsignals der Gleichlauf der Pseudo-Zufallsgeneratoren erhalten bleibt, muß von Zeit zu Zeit der Synchronisiervorgang wiederholt werden. Es ist beispielsweise möglich, daß die digitale Übertragungsstrecke einmal irrtümlich oder fehlerhaft kurzzeitig unterbrochen wird, wo im allgemeinen der Gleichlauf neu hergestellt werden muß. Es muß aus derartigen betrieblichen Gründen damit gerechnet werden, daß der Gleichlauf nicht während der ganzen, sondern nur während der meisten Betriebszeit gewährleistet sein kann.

Bei Dithersignalen, die nicht mit einer oder mehreren Vollbilddauern periodisch sind, treten bei der Herstellung des Gleichlaufes der Pseudo-Zufalls-Generatoren Schwierigkeiten auf, wenn man die Hilfsleitung 2' für die Synchronisation einsparen will; denn hier dürfen diese nicht periodisch mit einer oder einigen wenigen Vollbilddauern auf vorgegebene Anfangswerte gesetzt werden. Naheliegend ist es Synchronisierinformation über den digitalen Übertragungskanal 2 statt über die Hilfsleitung 2' zu übersenden. Dies hat aber den Nachteil, daß diese Information nicht nur Kanalkapazität in Anspruch nimmt, sondern daß sie auch erzeugt und auf der Empfangsseite erkannt werden muß.

Aufgabe der Erfindung ist es, für ein digitales Nachrichtenübertragungssystem eine Synchronisieranordnung zur Herstellung des Gleichlaufes des sende- und des empfangsseitigen Pseudo-Zufallsgenerators anzugeben, welche ohne Übertragung von Synchronisierinformation arbeitet und einfach zu instrumentieren ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß am Eingang und Ausgang des Übertragungskanals je eine Erkennungs- und Steuereinrichtung vorgesehen ist, die bei Auftreten einer vorgegebenen Folge von Bitzuständen im zu übertragenden bzw. im übertragenen digitalen Signal ein sendeseitiges bzw. empfangsseitiges Steuersignal auslöst, das den sendeseitigen bzw. den empfangsseitigen Pseudo-Zufallsgenerator auf einen vorgegebenen gleichen Anfangswert zurückstellt Auf diese Weise werden beide Pseudo-Zufallssignale c/jund d_e von dem über den digitalen Übertragungskanal 2 übertragenen Signal gesteuert Dieses Signal hat in jedem Einzelbild einen anderen zeitlichen Verlauf, auch bei ruhendem Bildinhalt infolge des Quantisiergeräusches. Dadurch ist gewährleistet, daß die Pseudo-Zufallsgeneratoren nicht mit der Vollbilddauer periodisch zurückgestellt werden, sondern daß der Rücksetzzeitpunkt weitgehend dem Zufall überlassen bleibt

Der Erfindungs liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Pseudo-Zufallsgeneratoren zu beliebigen, dem Zufall überlassenen Zeitpunkten von festen Anfangszuständen aus starten dürfen, wenn die Dithersignale in aufeinanderfolgenden Einzelbildern bzw. Datenrahmen nicht in einem bestimmten Zusammenhang stehen müssen.

In der bereits zitierter? Arbeit in »IEEE Transactions on Communication Technology«, COM-19, (1971) 6, S. 872—879, und auch in der früheren Arbeit von Thompson, »Optimization of a pseudorandom dither signal for linearizing a television quantizer«. Symposium on Digital Filtering, Imperial college, London, England, 13.7. — 17.7.70, war zwar von Dithersignalen die Rede, die in aufeinaderfolgenden Einzelbildern nicht in einem bestimmten Zusammenhang stehen sollen. Dies wurde jedoch lediglich durch Wahl einer geeigneten Periodendauer für das Pseudo-Zufallssignal erreicht und es wurde vorausgesetzt, daß der empfangsseitige Pseudo-Zufallsgenerator seine Synchronisierinformation vom

J5 sendeseitigen Pseudo-Zufallsgenerator her erhält. Im erfindungsgemäßen System erhalten sende- und empfangsseitige Pseudo-Zufallsgenerator Synchronisierinformation aus dem über dem digitalen Übertragungskanal 2 übertragenen Bitfluß, wobei letzter in desem Falle nur dazu verwendet wird, um Steuerimpulse mit möglichst dem Zufall überlassenen zeitlichen Abständen zu erzeugen. Auch im erfindungsgemäßen System ist es vorteilhaft, Pseudo-Zufallssignale mit solchen geeigneten Periodendauern zu verwenden, da die vorgegebene Folge von Bitzuständen einmal für längere Zeit nicht auftreten könnte.

Wenn der Gleichlauf des sende- und des empfangsseitigen Pseudo-Zufallsgenerators einmal nicht existiert, sei es zu Beginn des Übertragungsvorganges, nach einer

so kurzen Betriebsunterbrechung oder aufgrund eines digitalen Übertragungsfehlers, der die vorgegebene Folge von Bitzuständen an der Empfangsseite fälschlich vortäuscht oder fälschlich nicht auftreten läßt, so wird der Gleichlauf beim nächstfolgenden Auftreten der vorgegebenen Folge von Bitzuständen im übertragenen Signal mit hoher Wahrscheinlichkeit wiederhergestellt.

Die Synchronisation der Pseudo-Zufallsgeneratoren ist auf diese Weise für die meiste Betriebszeit gesichert.

Eine Ausführungsform des Ei findungsgedankens ist dadurch gekennzeichnet, daß als Erkennungs- und Steuereinrichtung ein digitales Schieberegister vorgesehen ist, dessen Eingang als Eingang der Erkennungsund Steuereinrichtung dient und dessen Stufanaufgänge teils mit invertierenden, teils mit nicht invertierenden

*>■> Eingängen eines UND-Gatters verbunden sind, dessen Ausgang als Ausgang der Erkennungs- und Steuereinrichtung dient.
Der über den Kanal zu übertagende bzw. übertragene

Bitfluß wird mit Hilfe des Schieberegisters zwischengespeichert, damit mit Hilfe des UND-Gatters geprüft werden kann, ob die vorgegebene Folge von Bitzuständen im Bitfluß enthalten ist.

Die Prüfung kann abweichend auch so vorgenommen werden, daß die vorgegebene Folge von Bitzuständen mit dem ersten übertragenen Bit eines Codewortes beginnen soll, oder daß die vorgegebene Folge nicht direkt aufeinanderfolgende Bits betrifft, sondern mit Abständen aufeinanderfolgende Bits. Die erstgenannte Ausführungsform hat den Vorteil, daß sie einfach zu instrumentieren ist.

Als vorgegebene Folge von Bitzuständen wird günstig eine solche ausgewählt, die selten auftritt, also wenige Maie in einem Einzelbild zu erwarten ist.

Im folgenden wird anhand der Fig.2 ein Ausführungsbeipiel näher erläutert.

Die Anordnung nach F i g. 2 enthält wie die nach der Fig. 1 einen Codierer 1, einen digitalen Übertragungskanal 2, einen Decodierer 3, einen sendeseitigen Pseudo-Zufallsgenerator 4 und einen empfangsseitigen Pseudo-Zufallsgenerator 5.

Weiter enthält die Anordnung eine sendeseitige Erkennungs- und Steuerschaltung 13 mit einem Schieberegister 14 und einem UND-Gatter 15, sowie eine empfangsseitige Erkennungs- und Steuerschaltung 16 mit einem Schieberegister 17 und einem UND-Gatter 18.

Die in Fig. 1 eingezeichneter Hilfsleitung 2' ist in Fig. 2 nicht vorhanden, da sie erfindungsgemäß eingespart wird.

Die Wirkungsweise der Erkennungs- und Steuerschaltungen 13 und 16 ist folgende:

In die Erkennungs- und Steuerschaltung 13 läuft auf der Sendeseite die gesendete Bitfolge und in die Erkennungs- und Steuerschaltung 16 läuft auf dei Enipfangsseite die empfangene Bitfolge ein. Immei wenn dem Schieberegister 14 bzw. 17 eine bestimmte vorgegebene Folge von Bitzuständen auftritt, erschein am Ausgang des UND-Gatters 15 bzw. 17 ein Impuls Dieser bewirkt im Pseudo-Zufallsgenerator 4 bzw. ί eine Rücksetzung des rückgekoppelten Schieberegi sters auf einen definierten Anfangswert, in derr beispielsweise alle Flip-Flop-Q-Ausgänge auf eine logische »1« gesetzt werden. Nach jedem dieser Impulst fängt demnach das gleiche Pseudo-Zufallssignal wiedei neu an.

Wenn solche Impulse in regelmäßigen oder unregel mäßigen zeitlichen Abständen, beispielsweise im Mitte nach 100 000 Bit-Taktimpulsen den Pseudo-Zufallsgene ratoren 4 und 5 gleichzeitig zugeführt werden, ist dit verlangte Synchronisation gesichert.

Übertragungsfehler können dazu führen, daß hin unc wieder auf der Empfangsseite ein Impuls zuviel odei zuwenig bebildet wird. Beim nächsten richtigen Impul; ist jedoch die Synchronisation wieder hergestellt. In dei Zwischenzeit tritt bei der Wiedergabe wesentlich erhöhtes Rauschen auf.

Das Dithersignals kann auch bei der Differenz-Puls codemodulation angewendet werden. Es kann dori sowohl vor als auch hinter dem Quantisierer als auch vor und hinter der gesamten Anordnung eingefühn werden. Die Synchronisalionsprobleme für den Pseudo Zufallsgenerator sind die gleichen wie bei Pulscodemodulation.

Die Erfindung kann auch für Sprachübertragung unc allgemein für jede Übertragung, Verzögerung unc Speicherung von Codewörtern, bei denen ein Dithersi gnal eingeführt wird, verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Digitales Nachrichtenübertragungssystem mit einem sendeseitigen Codierer, dem neben dem Eingangssignal ein sendeseitiges Dithersignal zugeführt wird, mit einem digitalen Übertragungskanal, mit einem empfangsseitigen Decodierer, dem neben dem Übertragenen digitalen Signal ein empfangsseitiges Dithersignal zugeführt wird und mit einem sendeseitigen und einem empfangsseitigen Pseudo-Zufallsgenerator, die während der meisten Betriebszeit miteinander synchronisiert sind und der Erzeugung des sendeseitigen und empfangsseitigen Dithersignaisdienen, dadurch gekennzeichnet, daß am Eingang und Ausgang des Übertragungskanals (2) je eine Erkennungs- und Steuereinrichtung (13, 16) vorgesehen ist, die bei Auftreten einer vorgegebenen Folge von Bitzuständen im zu übertragenden bzw. im übertragenen digitalen Signal ein sendeseitiges bzw. empfangsseitiges Steuersignal auslöst, das den sendeseitigen (4) bzw. dem empfangsseitigen (5) Pseudo-Zufallsgenerator auf einen vorgegebenen gleichen Anfangswert zurückstellt

2. Digitales Nachrichtenübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Erkennungs- und Steuereinrichtung (13, 16) ein digitales Schieberegister (14, 17) vorgesehen ist, dessen Eingang als Eingang der Erkennungs- und Steuereinrichtung (13, 16) dient und dessen Stufenausgänge teils mit invertierenden, teils mit nicht invertierenden Eingängen eines UND-Gatters (15, 18) verbunden sind, dessen Ausgang als Ausgang der Erkennungs- und Steuereinrichtung(13,16) dient.