DE3523467A1 - Verfahren zur digitalen rbertragung von analogsignalen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur digitalen Übertragung analoger Signale, bei dem mehr als zweiwertige Codeelemente verwendet werden.

Verfahren dieser Art sind bekannt (Zeitschrift NTZ, 36, 558 bis 563 (1983). Die Pegelwerte der mehr als zweiwertigen Codeelemente weisen dabei jeweils denselben Abstand voneinander auf. Nach Übertragung des Signals mit den quaternären Codeelementen wird dieses empfängerseitig einem Entscheider zugeführt, der die Pegelwerte den einzelnen Wertestufen zuordnet. Das übertragene Signal ist jedoch mehr oder weniger verrauscht, so daß eine Wahrscheinlichkeit besteht, daß der übertragene Pegelwert einer falschen Wertestufe zugeordnet wird. Bei Verwendung dieses Verfahrens beispielsweise für die digitalisierte Videosignalübertragung leidet somit die Übertragungsqualität.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit dem die Qualität der mittels mehrwertiger Codeelemente digital übertragenen Analogsignale wesentlich verbessert werden kann.

Ausgehend von dem eingangs genannten Verfahren wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Pegel der Kennzustände der mehr als zweiwertigen Codeelemente zueinander unterschiedliche Abstände aufweisen.

Bei einem ein Rauschen aufweisenden Eingangssignal mit mehr als zweiwertigen Codeelementen ist die Wahrscheinlichkeit für eine Fehlerkennung zwischen den Zustandspegeln bzw. Wertestufen geringer, die einen größeren Abstand zueinander aufweisen als andere Pegel. Erfindungsgemäß wird also durch die unterschiedlichen Abstände zwischen den Pegeln der Kennzustände der mehr als zweiwertigen Codeelemente zueinander eine Art Wertung dieser Kennzustände für die Zuordnung zu den Wertestufen im Entscheider vorgenommen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Abstand zwischen zwei benachbarten Pegeln der Kennzustände um so größer, je größer der Amplitudenunterschied im zu digitalisierenden Analogsignal ist. Der größere Abstand benachbarter Pegel im mehr als zweiwertigen Codeelement entspricht also auch einem größeren Amplitudenunterschied im Analogsignal, d.h. die durch die unterschiedlichen Abstände der Pegel bewirkte "Wertung" der Wertestufen ergibt, daß die Wahrscheinlichkeit einer Fehl-Erkennung des Entscheiders für die signifikanteren Analogsignal- Werte geringer ist als für die weniger signifikanten. Oder anders ausgedrückt, die unterschiedlichen Abstände zwischen den Pegeln der Kennzustände der mehr als zweiwertigen Codeelemente sind entsprechend der Signifikanz der zugehörigen Analogsignal-Werte verteilt. Zwar werden weniger signifikante Fehlerkennungen wahrscheinlicher, aber die gravierenden Irrtümer und signifikanteren Fehlerkennungen verringern sich. Insgesamt ergibt sich durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen eine höhere Übertragungsqualität. Bei Verwendung des Verfahrens im Zusammenhang mit der Übertragung digitalisierter Videosignale ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, die sonst auftretenden Störeindrücke auf dem Bildschirm erheblich zu mindern. Der Einsatz des erfindungsgemäßen Übertragungsverfahrens ermöglicht auch eine längere Übertragungsstrecke, über die noch fehlerfrei übertragen werden kann. Insbesondere auch bei einer Reparatur oder einer Leitungsverlängerung bereits verlegter optoelektronischer Video-Übertragungssysteme läßt sich der Störeindruck mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verringern und die Übertragungsqualität damit verbessern.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung entsprechen bei der Umsetzung der digitalisierten Signale mit binären Codeelementen in digitalisierte Signale mit mehr als zweiwertigen Codeelementen die größten Wertunterschiede den größten Pegelabständen der Kennzustände der mehr als zweiwertigen Codeelemente. Bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich ebenfalls, daß die signifikanteren Wertunterschiede, die den größeren Pegelabständen der Kennzustände entsprechen, weniger wahrscheinlich falsch erkannt werden, so daß auch hierdurch wiederum die Übertragungsqualität verbessert wird.

Weiterhin ist es vorteilhaft, bei der Umsetzung der digitalisierten Signale mit binären Codeelementen die Kombination der binären Codeelemente so zu wählen, daß in den jeweiligen quaternären Codeelementen unterschiedliche Wertedifferenzen auftreten, und die größten Wertdifferenzen der mehr als zweiwertigen Pegelabstände den größten Pegelabständen der Kennzustände entsprechen. Wie im weiteren noch ausführlich dargestellt wird, ergeben sich durch geeignete Kombinationen der binären Codeelemente bei der Umsetzung in quaternäre Codeelemente größere Wertunterschiede. Diese größeren Wertunterschiede werden den größeren Pegelabständen der Kennzustände der mehr als zweiwertigen Codeelemente zugeordnet. Dadurch ergeben sich auch hier wieder die zuvor bereits erläuterten Vorteile, daß nämlich die höher signifikanten Wertunterschiede mit geringerer Wahrscheinlichkeit falsch erkannt werden, wodurch der Einfluß von im Signal auftretenden Rauschanteilen klein gehalten wird. Wird das erfindungsgemäße digitale Übertragungsverfahren für die Video- Bildübertragung eingesetzt, ergibt sich eine bessere Bild-Übertragungsqualität, d.h. der Störeindruck auf dem Monitor ist geringer als bei dem herkömmlichen Verfahren.

Die Erfindung sowie Ausführungsbeispiele derselben wird bzw. werden nachstehend anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die schematische Darstellung der herkömmlichen Umsetzung von zwei binären Codeelementen in ein quaternäres Codeelement mit zugehöriger Wertetabelle,

Fig. 2 den Signalverlauf eines verrauschten digitalen Signals, wie es am Eingang des Empfängers auftritt, wobei Entscheidungsbereiche des Entscheiders schematisch angedeutet sind,

Fig. 3 die schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Umsetzung von zwei binären Codeelementen in ein quaternäres Codeelement mit zugehöriger Wertetabelle und

Fig. 4 ein Auführungsbeispiel für die Umsetzung eines mit sechs binären Codeelementen codierten Videosignals in ein Signal mit drei quaternären Codeelementen.

Fig. 1 zeigt eine herkömmliche Umsetzung von binären Codeelementen in quaternäre Codeelemente. An den Eingäng A und B eines binäre Codeelemente in ein quaternäres Codeelement umcodierenden Umsetzers liegen jeweils binäre Signale mit den Pegeln L und H an. Am Ausgang C dieses Binär/Quaternär-Umsetzers tritt ein quaternäres Codeelement mit den Wertestufen 0, 1, 2 und 3 entsprechend der angegebenen Wertetabelle auf. Die Wertestufen entsprechen im Ausgangssignal des Binär/Quaternär-Umsetzers einem Signalpegel, der in der Wertetabelle für den Ausgang C angegeben ist.

Bei der herkömmlichen Umsetzung ist die Signalpegeldifferenz zwischen jeweils benachbarten Wertestufen konstant, wie dies unter C in der Wertetabelle und durch das in Fig. 1 dargestellte Ausgangssignal des Binär/Quaternär-Umsetzers angegeben ist. Die vier Signalpegel verteilen sich also über den Gesamthub 3/3 bzw. 1 des Quaternärsignals in gleichmäßigen Abstufungen.

Nach Übertragung des digitalen Signals mit quaternären Codeelementen über die Übertragungsstrecke erhält das Signal einen Rauschanteil, so daß am Eingang eines Empfängers eine Pegelstufe etwa einen Signalverlauf aufweist, wie er in Fig. 2 dargestellt ist. Angenommen, die in Fig. 2 dargestellte Wertestufe des Empfänger-Eingangssignals entspräche der Wertestufe 1, so wäre der ideale Signalverlauf die waagerechte Linie 21. Durch das bei der Übertragung auftretende Rauschen ergibt sich jedoch ein Signalverlauf 22 für den der Wertestufe 1 entsprechenden Signalpegel, der über einen weiteren Spannungsbereich schwankt, wobei im Signalverlauf wenigstens zeitweise auch Spannungen auftreten, die den Spannungspegeln benachbarter Wertestufen entsprechen.

Das in Fig. 2 dargestellte, verrauschte Empfänger-Eingangssignal wird normalerweise einem Entscheider zugeführt, der die Signalpegel des eingehenden Signals den einzelnen Wertestufen zuordnet. In Fig. 2 sind diese Zuordnungsbereiche für die einzelnen Wertestufen am rechten Rand schematisch angedeutet.

Angenommen, der Entscheider entscheidet zum Entscheidungszeitpunkt T _E , welcher Wertestufe der Pegel des eingehenden Signals zugeordnet wird. Auf Grund der Rauschkomponente wird der Entscheider fälschlicherweise auf die Wertestufe 2 und nicht auf die richtige Wertestufe 1 erkennen. Dadurch ergeben sich Fehler bei der Übertragung, die im Falle der Anwendung dieses Verfahren auf die Video-Bildübertragung zu Störeindrücken auf dem Bildschirm bzw. zu einer verminderten Übertragungs- oder Wiedergabequalität führen.

Fig. 3 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Ausführungsform für die Umsetzung binärer Codeelemente in mehr als zweiwertige Codeelemente wiederum am Beispiel der Umsetzung von zwei binären Codeelementen in ein quaternäres Codeelement. Wie bei der herkömmlichen Umsetzung gemäß Fig. 1 werden an die Eingänge A und B eines Binär/Quaternär-Umsetzers jeweils die umzucodierenden binären Codeelemente angelegt, wobei der Umsetzer dann gemäß der in Fig. 3 ebenfalls dargestellten Wertetabelle ein quaternäres Codeelement mit den Wertestufen 0, 1, 2, 3 an seinem Ausgang C erzeugt. Im Gegensatz zur herkömmlichen Umsetzung sind die Pegel der einzelnen Wertestufen nicht mehr äquidistant sondern weisen unterschiedliche Abstände untereinander auf, wie dies in Fig. 3 durch das Umsetzer-Ausgangssignal angedeutet ist. Beispielsweise ist für die Wertestufe 0 der Spannungspegel 0 V ₀, für die Wertestufe 1 der Spannungspegel 0,2 V ₀, für die Wertestufe 2 der Spannungspegel 0,8 V ₀ und für die Wertestufe 3 der Spannungspegel 1 V ₀. Zwischen den Wertestufen 1 und 2 ist damit der Spannungsabstand größer als zwischen den Wertestufen 0 und 1 sowie 2 und 3.

Bei der Zuordnung der Signalkomponenten zu den einzelnen Wertestufen durch den Entscheider im Empfänger ist bei der erfindungsgemäßen Verwendung unterschiedlicher Pegelabstände für das quaternäre Codeelement die Wahrscheinlichkeit wesentlich geringer, daß der Entscheider fälschlicherweise auf die Wertestufe 2 anstatt auf die Wertestufe 1 erkennt, da zwischen den beiden Wertestufen 1 und 2 eine größere Differenz besteht. Auf diese Weise wird der Übertragungsfehler des Übertragungssystems, bei dem die vorliegende Erfindung verwendet wird, zumindest bezüglich dieser beiden Wertestufen geringer.

Der größere Abstand zwischen zwei benachbarten Wertestufen in ihren Signalpegeln im mehr als zweiwertigen Codeelement kann zwischen beliebigen Wertestufen liegen, d.h. die größte Pegeldifferenz muß nicht wie beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 zwischen der ersten und zweiten Pegelstufe liegen. Die Pegelunterschiede zwischen benachbarten Wertestufen müssen jedenfalls so verteilt bzw. gewählt sein, daß gravierendere, signifikantere Signalfehler durch Vergrößerung der Pegelabstände unwahrscheinlicher werden, wobei weniger signifikante, unwesentlichere Irrtümer zwischen zwei weniger beabstandeten Wertestufen in Kauf genommen werden. Wenn das erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise im Zusammenhang mit der Video-Bildübertragung verwendet wird, werden die größeren Pegelabstände im mehr als zweiwertigen Codeelement entsprechend größeren Unterschieden im Analogsignal gewählt. Auf diese Weise ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, bei der Übertragung von digitalisierten Analogsignalen kleinere Abweichungen vom Sollwert und damit eine bessere Bildqualität und geringere Störeindrücke zu erreichen.

Fig. 4 zeigt ein Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens für die Umsetzung eines mit sechs binären Codeelementen codierten Videosignals in ein mit drei quaternären Codeelementen codierten Signals. Die drei Binär/Quaternär-Umsetzer 41, 42, 43 entsprechen demjenigen von Fig. 3, d.h. der Umsetzer ist so gewählt bzw. aufgebaut, daß zwischen der ersten und zweiten Wertestufe des quaternären Codeelements jeweils ein größerer Abstand auftritt als zwischen den Wertestufen 0 und 1 bzw. 2 und 3.

Am Eingang A ₁ des Umsetzers 41 in Fig. 4 liegt das Binärsignal 2⁰ (0) und am anderen Eingang B ₁ das Binärsignal 2³ (8) an. Wie die zugehörige Wertetabelle zeigt, ist die Differenz zwischen den Binärwerten der Wertestufe 1 und 2 mit 7 größer als die Differenz zwischen den Wertestufen 0 und 1 bzw. 2 und 3, deren Wertdifferenz nur 1 beträgt. Wird nun erfindungsgemäß der Abstand zwischen den Wertestufen 1 und 2 größer als zwischen den Wertestufen 0 und 1 bzw. 2 und 3 gewählt (vgl. die schematische Darstellung des am Ausgang C ₁ auftretenden quaternären Codeelements), so ist die Wahrscheinlichkeit einer Fehlentscheidung des Entscheiders zwischen den Wertestufen 1 und 2 geringer als zwischen den Wertestufen 0 und 1 bzw. 2 und 3. Zwischen den Wertestufen 1 und 2 ist andererseits aber die Wertdifferenz am größten, so daß dadurch ein gravierender, signifikanter Irrtum bei der Zuordnung des eingehenden Signalpegels zu einer Wertestufe im Entscheider wesentlich unwahrscheinlicher wird. Die fehlerhafte Zuordnung zwischen den Wertestufen 0 und 1 bzw. 2 und 3 wird zwar wahrscheinlicher, jedoch sind diese Irrtümer im Hinblick auf die geringen Wertunterschiede von nur 1 im Gegensatz von 7 zwischen den Wertestufen 1 und 2 wesentlich weniger gravierend, so daß die Verfälschung insgesamt wesentlich geringer als bei äquidistanten Signalpegeln für die Wertestufen ist. Dies macht sich bei Video-Übertragungssystemen dadurch vorteilhaft bemerkbar, daß die Übertragungs- bzw. Bildqualität wesentlich besser und die Störeindrücke auf dem Bildschirm geringer sind. Darüber hinaus ist es möglich, insbesondere auch im Zusammenhang mit optoelektronischen Übertragungssystemen größere Übertragungsstrecken einzusetzen, ohne daß die Bildqualität unter eine Mindest-Qualität abfällt.

Wie aus Fig. 4 ersichtlich, gelten die zuvor im Zusammenhang mit dem Umsetzer 41 gemachten Ausführungen auch für die Umsetzer 42 und 43. Am Eingang A ₂ des Umsetzers 42 liegt das binäre Codeelement mit dem Wert 2¹ und am anderen Eingang B ₂ des Umsetzers 42 liegt das binäre Codeelement mit dem Wert 2⁴ an. Gemäß der Wertetabelle ist wiederum zwischen den Wertestufen 1 und 2 die größte Wertedifferenz, die auch einem größten Pegelabstand entspricht, wie dem schematischen Signalverlauf am Ausgang C ₂ des Umsetzers 42 zu entnehmen ist. Am einen Eingang A ₃ des Umsetzers 43 liegt das binäre Codeelement mit dem Wert 2² und am anderen Eingang B ₃ dieses Umsetzers das binäre Codeelement mit dem Wert 2⁵ an, so daß sich gemäß der Wertetabelle für die Wertestufen 1, 2, 3 und 4 die Werte 0, 4, 32 und 36 ergeben. Auch hier besteht die größte Wertdifferenz wieder zwischen den Wertestufen 1 und 2, wobei dieser größten Wertdifferenz dadurch Rechnung getragen wird, daß der Pegelabstand zwischen der Wertestufe 1 und 2 dieses quaternären Codeelements größer als der Pegelabstand zwischen den Wertestufen 0 und 1 bzw. 2 und 3 gewählt ist.

Die Kombination zweier Binärelemente, die mit dem jeweiligen Binär/Quaternär-Umsetzer in quaternäre Codeelemente umgesetzt werden, ist vorzugsweise so gewählt, daß die Wertedifferenzen zwischen den Wertestufen unterschiedlich ist. Entsprechend werden die Pegelabstände der Wertestufen so gewählt, daß den größten Wertedifferenzen auch die größten Pegelabstände entsprechen. Eine Verwechslung der Wertestufen 0 und 1 oder 2 und 3 bei der Zuordnung der Pegelwerte des übertragenen verrauschten Signals im Entscheider des Empfängers wirkt sich wesentlich weniger im rückgewonnenen Analogsignal aus als eine Verwechslung der anderen Wertestufen, weil der größte Pegelabstand des quaternären Codeelements auch der größten Wertdifferenz entspricht. Für den Binär/Quaternär-Umsetzer 43, d.h. für das höchstwertige quaternäre Codeelement ist die Wahrscheinlichkeit, daß auf den Wert 32 statt auf den Wert 4 vom Entscheider erkannt wird, sehr gering. Dafür nimmt man in Kauf, daß beispielsweise statt 32 auf den Wert 36 oder umgekehrt erkannt wird, was jedoch für den Analogsignal-Fehler wesentlich weniger gravierend ist, als wenn auf 4 statt auf 32 erkannt wäre. Würde nämlich auf 32 statt auf 4 erkannt, wäre der Fehler 28: 63, wogegen der Fehler nur 4 : 63 beträgt, wenn auf 36 statt auf 32 oder umgekehrt erkannt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere für die Übertragung digitalisierter Analogsignale, beispielsweise im Zusammenhang mit der Bildübertragung oder einer Meßwertübertragung einsetzbar.

Die Erläuterungen der Erfindung sowie die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele bezogen sich auf den Fall der Umsetzung binärer Codeelemente in quuaternäre Codeelemente. Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch nicht auf dieses Beispiel einer Umsetzung beschränkt, vielmehr kann das Verfahren allgemein bei der Umsetzung binärer Codeelemente in mehr als zweiwertige Codeelemente mit Vorteil angewandt werden.

Claims (4)

1.) Verfahren zur digitalen Übertragung analoger Signale, bei dem mehr als zweiwertige Codeelemente verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Pegel der Kennzustände der mehr als zweiwertigen Codeelemente zueinander unterschiedliche Abstände aufweisen.

2.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen zwei benachbarten Pegeln der Kennzustände um so größer ist, je größer der Amplitudenunterschied im zu digitalisierenden Analogsignal ist.

3.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Umsetzung der digitalisierten Signale mit binären Codeelementen in digitalisierte Signale mit mehr als zweiwertigen Codeelementen die größten Wertunterschiede den größten Pegelabständen der Kennzustände der mehr als zweiwertigen Codeelemente entsprechen.

4.) Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Umsetzung der digitalisierten Signale mit binären Codeelementen in digitalisierte Signale mit quaternären Codeelementen die Kombination der binären Codeelemente so gewählt wird, daß in den jeweiligen quaternären Codeelementen unterschiedliche Wertdifferenzen auftreten und die größten Wertdifferenzen den größten Pegelabständen der Kennzustände der mehr als zweiwertigen Codeelemente entsprechen.