DE3805169A1 - Verfahren zum uebertragen eines digital-codierten tonsignals - Google Patents
Verfahren zum uebertragen eines digital-codierten tonsignalsInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Zum Übertragen digital codierter Tonsignale über Rundfunk
kanäle wird ein relativ hoher Bitfehlerschutz sendeseitig
angestrebt, um auch einen Empfang unter schlechten Über
tragungsbedingungen, beispielsweise durch Abschattungen
bei mobilem Empfang, zu gewährleisten. Dies erfordert eine
entsprechend hohe Redundanz der übertragenen Binärstellen
des digital-codierten Signals, was mit einer hohen Daten
rate einhergeht. Zur Verringerung der Datenrate werden
meist vor der Kanalcodierung bitsparende Quellencodierungen
eingesetzt, welche auf einer Redundanz- und Irrelevanz
verringerung beruhen. Dabei fallen zusätzlich zu dem co
dierten Tonsignal Skalenfaktoren und/oder andere Steuer
parameter für den Quellendecodierer für die Übertragung an.
Störungen dieser Zusatzinformationen im Rundfunkkanal
können kurzzeitig zu einem völligen Ausfall auf der Wieder
gabeseite führen. Diese Zusatzinformationen müssen deshalb
erheblich stärker geschützt werden als das codierte Ton
signal. Als primären Fehlerschutz verwendet man beispiels
weise einen Faltungscode der Coderate 1/2, was einer Re
dundanz von 50% (bezogen auf das kanalcodierte Signal) bzw.
einer Verdoppelung der Datenrate des quellencodierten Ton
signals entspricht. Da dieser primäre Fehlerschutz für die
Zusatzinformationen im allgemeinen nicht ausreicht, wird zusätz
lich ein Blockcode über die Zusatzinformationen gelegt.
Während bei dem Faltungscode der Kanalzustand ausgewertet
und für die Fehlerkorrektur verwendet werden kann, ist
dies bei dem überlagerten Blockcode nicht mehr möglich.
Dies führt u.a. dazu, daß bei einem völligen Versagen der
Fehlerkorrektur des Faltungscodes der überlagerte Block
code keine sinnvolle Korrektur mehr erlaubt. Aus diesem
Grund muß der Faltungscode eine hohe Leistungsfähigkeit
bezüglich Fehlerkorrektur besitzen, was für die weniger
wichtigen Binärstellen des quellcodierten Tonsignals
eigentlich nicht erforderlich ist. Als weiterer Nachteil
kommt hinzu, daß zwei unterschiedliche Coder und Decoder
erforderlich sind und nur zwei verschiedene, genau fest
gelegte Fehlerschutzklassen realisierbar sind.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren
für eine hinsichtlich minimal Bitrate und maximalem Feh
lerschutz optimierte Kanalcodierung zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnen
den Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Ver
fahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung beruht auf der Überlegung, bei einem aus
einer Folge von Informationsblöcken bestehenden digital
codierten Tonsignal die unterschiedliche Bedeutung der
einzelnen Binärstellen jedes Informationsblocks für einen
kontinuierlich abgestuften, variablen Fehlerschutz auszu
nutzen, da eine geringwertige Binärstelle einen geringeren
Fehlerschutz benötigt als eine höherwertige Binärstelle
oder gar der mit maximalem Fehlerschutz auszustattende
Skalenfaktor (bzw. Zusatzinformationen).
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorstufe der
erfindungsgemäß vorgesehenen Kanalcodierung;
Fig. 2 Diagramme für die Abhängigkeit der Bitfehler
rate vom Signal/Rausch-Abstand des Kanals für
verschiedene Codearten bei der Kanalcodierung
nach Fig. 1;
Fig. 3 eine schematische Darstellung der erfindungs
gemäß vorgesehenen Kanalcodierung;
Fig. 4 ein Beispiel für einen Basiscode mit vier Ge
neratorpolynomen (Coderate R′=1/4) und einer
Punktierungsmatrix für einen Informationsblock
mit 64 binären Datensymbolen entsprechend einer
Gesamtcoderate R=0,47, und
Fig. 5 ein Diagramm für die Bitfehlerrate der binären
Datensymbole innerhalb eines Informationsblocks
für verschiedene Signal/Rausch-Verhältnisse auf
dem Kanal bei der erfindungsgemäßen Kanalcodierung
nach Fig. 3 und 4.
Die Erfindung geht von einem Faltungscoder mit Punktierung
aus, dessen Aufbau und Wirkungsweise anhand von Fig. 1 er
läutert wird. Mit jedem Zeittakt wird ein binäres Daten
symbol in ein Schieberegister gegeben. Aus diesem Daten
symbol (Speicherzelle 10) und einer bestimmten Anzahl
vorangehender Datensymbole (Speicherzellen 20 bis 40)
werden nach Vorschrift der sogenannten Generatorpolynome
(im dargestellten Beispielsfalle das Polynom 1011 für die
Verbindungen 11 bis 41 und das Polynom 1111 für die Ver
bindungen 12 bis 42) über Exclusiv-ODER-Verknüpfungen
33, 43 bzw. 24, 34 und 44 Codebits gewonnen. Diese Code
bits werden jeweils einem Schalter 50 bzw. 60 zugeführt,
mit welchem die Übertragung der Codebits in Abhängigkeit
des periodisch gelesenen, sogenannten Punktierungsvektors
51 bis 54 bzw. 61 bis 64 gesteuert wird. Der dargestellte
Faltungscoder liefert zunächst pro Zeittakt zu einem bi
nären Datensymbol ein Kanalsymbol mit zwei Bits. Das ent
spricht einer Verdoppelung der Datenrate entsprechend
einer Coderate R′ von 1/2. Durch die Punktierung werden
die Datenrate und damit die Redundanz wieder reduziert.
Es lassen sich damit auch Coderaten größer als 1/2 reali
sieren, welche einen geringeren Fehlerschutz aufweisen.
Fig. 2 zeigt als Beispiel Diagramme für eine Coderate von
1/2 (Kurve a), eine Coderate von 4/7 (Kurve b) und eine
Coderate von 2/3 (Kurve c). Man erkennt aus dem Vergleich
der Kurven a, b und c, daß bei einem vorgegebenen Signal/
Rauschabstand des Kanals die Bitfehlerrate mit steigender
Coderate zunimmt; z.B. ist für einen Signal/Rauschabstand
von 5 dB die Bitfehlerrate bei der Coderate 1/2 (Kurve a)
um den Faktor 10 kleiner als bei der Coderate 4/7 (Kurve b)
und um den Faktor 100 kleiner als bei der Coderate 2/3
(Kurve c).
Bei dem Kanalcodierungsverfahren nach Fig. 1
bleibt jedoch die Wichtigkeit der einzelnen Datensymbole
für den Fehlerschutz unberücksichtigt, was dazu führt,
daß ein solches Verfahren nur dann optimal ist, wenn
alle binären Symbole gleichwertig sind und deshalb in
gleicher Weise geschützt werden müssen. Im allgemeinen
jedoch haben insbesondere bei digitalen Tonsignalen die
einzelnen binären Datensymbole eine unterschiedliche
Wertigkeit. Hinzu kommt, daß bei der Quellencodierung
der Tonsignale zusätzliche Parameter, wie beispielsweise
der Skalenfaktor je Datenblock, eine größere Störwirkung
bei Bitfehlern haben, so daß hier noch größere Abstufungen
im Fehlerschutz erforderlich sind. Ein gleichmäßiger
Fehlerschutz müßte sich an dem extrem hohen Fehlerschutz
bedürfnis der erwähnten zusätzlichen Parameter orientieren,
was unökonomisch wäre.
Die erfindungsgemäße Kanalcodierung geht davon aus,
die einzelnen Datensymbole entsprechend ihrer Störwirkung
zu schützen. Hierzu werden gemäß Fig. 3 zunächst mittels
einer Verknüpfungslogik 70 und der vorangehenden Daten
symbole (Speicherzellen 10 bis 60) je binäres Datensymbol
ein Kanalsymbol mit mehreren Bits am Ausgang der Ver
knüpfungslogik 60 gebildet, wobei dieses gebildete Kanal
symbol ein hohes Maß an Redundanz aufweist. Diese Codierung
wird als Basiscodierung bezeichnet. Die Anzahl und der
Umfang der Generatorpolynome in der Verknüpfungslogik 70
des Basiscodes werden so gewählt, daß er einen ausreichen
den Fehlerschutz für das/die wichtigste(n) binäre(n) Daten
symbol(e) bietet. Im Beispielsfalle von Fig. 4 sind für
einen Basiscode der Coderate 1/4 entsprechend vier Genera
torpolynome, nämlich
111100
101100
110100 und
100100
101100
110100 und
100100
vorgesehen. Die letzten beiden Nullen jedes Generator
polynoms dienen lediglich zur Auffüllung des sechsteiligen
Schieberegisters 10 bis 60 von Fig. 3. Mit diesen vier
Generatorpolynomen sind bei der Verknüpfungslogik 70
(Fig. 3) nur die ersten vier Ausgänge belegt. Für die
Belegung aller acht Ausgänge benutzt man entsprechend
acht Generatorpolynome, was einem Basiscode der Coderate
1/8 entspricht. Empfangsseitig wird für den gewählten
Basiscode ein Faltungsdecoder, beispielsweise ein Viterbi-
Decoder mit Soft-Decision-Technik realisiert.
Für einen Informationsblock des digitalen Signals wird
entsprechend dem gewünschten Fehlerschutz für die einzelnen
Binärstellen der Redundanzaufwand festgelegt und mit Hilfe
einer sogenannten Punktierungsmatrix beschrieben. Die in
Fig. 4 anhand eines Beispiels veranschaulichte Punktierungs
matrix hat so viele Spalten, wie viele Datensymbole ein
Informationsblock enthält, im dargestellten Beispiels
falle 64 Bit. Die Anzahl der Zeilen in der Punktierungs
matrix entspricht der Anzahl von Ausgängen der Verknüpfungs
logik 70 in Fig. 3 bzw. der Anzahl der Generatorpolynome
des gewählten Basiscodes. Für jeden definierten Zeitpunkt
innerhalb des Informationsblocks legt eine zugehörige
Spalte der Punktierungsmatrix fest, welche Bits des Kanal
symbols zu diesem Zeitpunkt übertragen werden. In Fig. 3
steuert die Punktierungsmatrix 90 die Schalterstellungen
der Torschaltung 80 für jedes Kanalsymbol, z.B. die Spalte
11110000.
Die gewählte Punktierungsmatrix muß in gleicher Weise
auch dem Empfänger als Hardware oder als Software vor
liegen. Dieser betrachtet die nicht übertragenen Bits
eines Kanalsymbols als neutrale Elemente. Beispiels
weise wird bei einem Viterbi-Decoder jeweils die Wahr
scheinlichkeit für eine binäre Eins gleich der für eine
binäre Null angesetzt. Der Aufwand des Decoders wird
damit unabhängig von der Anzahl der übertragenen Kanal
bits allein von dem verwendeten Basiscode bestimmt.
Die Bitfehlerrate, die sich bei unterschiedlichen Signal/
Rauschabständen des Kanals für die einzelnen binären
Symbole innerhalb eines Informationsblockes ergibt,
ist für den Basiscode und die Punktierungsmatrix gemäß
Fig. 4 in der Fig. 5 dargestellt. Dabei wird von der in
etwa spiegelsymmetrischen Organisation der Punktierungs
matrix nach Fig. 4 ausgegangen, so daß sich zu Beginn
und am Ende eines Informationsblockes die am meisten
zu schützenden Datensymbole befinden. Zur Mitte hin
wird ein kontinuierlich abgestufter Fehlerschutz benötigt.
Wie man aus den für sechs verschiedene Signal/Rauschab
stände (1 dB bis 6 dB) aufgetragenen Kurven in Fig. 5
erkennt, weisen die ersten und die letzten Bits jedes
Informationsblockes eine wesentlich geringere Bitfehler
rate auf als die mittleren Bits; z.B. liegt bei der
oberen Kurve (Signal/Rauschabstand=1 dB) die Bitfehler
rate für das erste und das letzte Bit noch unter 10-3,
während bei den mittleren Bits mit 10-1 nahezu alle Bits
bereits gestört sind.
Die symmetrische Organisation der Punktierungsmatrix
wird unter anderem deshalb bevorzugt, weil damit Sprung
stellen im Fehlerschutz für die binären Datensymbole ver
mieden werden. Es versteht sich aber, daß die Erfindung
nicht auf symmetrische Punktierungsmatrizen oder eine
bestimmte Art der Abstufung des Fehlerschutzes beschränkt
ist; vielmehr können für verschiedene Arten von Infor
mationsblöcken auch mehrere Punktierungsmatrizen erzeugt
werden, die dann je nach Bedarf ausgewählt werden.
Claims (6)
1. Verfahren zum Übertragen eines aus einer Folge
von Informationsblöcken bestehenden digital
codierten Tonsignals, bei dem
- - sendeseitig das digital-codierte Tonsignal einer entsprechend dem gewünschten Fehler schutz bemessenen Kanalcodierung unterzogen wird,
- - das kanalcodierte Tonsignal über einen stark störbehafteten Kanal übertragen wird, bei spielsweise mittels terrestrischer oder Satelliten-Rundfunkausstrahlung,
- - das übertragene Tonsignal empfangen und einer Kanaldecodierung unterzogen wird, wobei eine Fehlerkorrektur erfolgt,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei Verwendung eines an sich bekannten
Faltungscodes für die Kanalcodierung ein
variabler Bit-Fehlerschutz in Abhängigkeit von
der unterschiedlichen Bedeutung der einzelnen
Binärstellen jedes Informationsblocks vorge
sehen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem aus jeder
Binärstelle des digital-codierten Tonsignals
durch mehrfache Faltungscodierung ein Kanal
symbol erzeugt wird, welches eine entsprechend
mehrfache Redundanz der betreffenden Binär
stelle des digital-codierten Tonsignals auf
weist, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Maß der für sämt
liche Binärstellen zunächst erzeugten Redundanz
von der gewünschten Übertragungssicherheit
der wichtigsten Binärstelle(n) der Informa
tionsblöcke abhängt, daß sendeseitig die
Kanalsymbole der weniger wichtigen Binärstel
le(n) durch Punktierung in ihrer Redundanz re
duziert werden, um den Bitfehlerschutz an die
geringere Wichtigkeit dieser Binärstelle(n)
anzupassen, wobei diese Anpassung kontinuier
lich entsprechend einem wählbaren Schema von
den wichtigsten zu den unwichtigsten Binär
stellen erfolgt, und daß empfangsseitig
entsprechend demselben Schema die Decodierung
mit einer Fehlerkorrektur der übertragenen,
gestörten Kanalsymbole erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß das wählbare Schema sende- und
empfangsseitig fest vorgegeben ist.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß das wählbare Schema durch über
tragene Kennsignale im Empfänger aktivierbar
ist.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß das wählbare Schema als ganzes
an den Empfänger übertragen wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19883805169 DE3805169A1 (de) | 1988-02-19 | 1988-02-19 | Verfahren zum uebertragen eines digital-codierten tonsignals |
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DE19883805169 DE3805169A1 (de) | 1988-02-19 | 1988-02-19 | Verfahren zum uebertragen eines digital-codierten tonsignals |
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Family
ID=6347713
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19883805169 Granted DE3805169A1 (de) | 1988-02-19 | 1988-02-19 | Verfahren zum uebertragen eines digital-codierten tonsignals |
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