Brevet FR2471084A1 — publié le 19810612

La présente invention concerne la transmission numérique d'informations codées en code MIC et plus particulièrement le traitement numérique permettant de réduire le débit numérique sur la ligne de transmission. Les signaux susceptibles d'être traités par le système peuvent être des signaux téléphoniques tels que de parole, de données, de télégraphie harmonique, des signaux multifréquen- ces etc... des signaux d'images, et d'une façon générale tou- tes les informations codées numériquement présentant une redon- dance. Des systèmes de réduction de débits numériques sont déjà connus. Ils permettent une compression du débit numérique en exploitant, pour la transmission d'un échantillon du signal la connaissance acquise lors de la transmission des échantil- lons précédents. Ils consistent habituellement en un ensemble de trois étages montés en cascade, le premier étage appelé étage prédicteur permettant de remplacer le signal MIC d'en- trée par un signal dn représentant la différence entre le si- gnal MIC d'entrée et la valeur prédite de cet échantillon calculée à partir des échantillons précédents, un second éta- ge dit de compression automatique de gain dans lequel l'ampli- tude du signal différente dn issu du premier étage est divi- sée par un estimateur de la puissance moyenne. Un troisième étage appelé quantificateur effectue le codage des échantil- lons issus du 2ème étage et fournit en sortie un signal numé- rique à redondance réduite formé de mots de longueur fixe ou encore de longueur variable. Un dispositif équivalent en ré- ception permet de reconstituer le signal MIC. Ainsi en se référant à la figure 1, l'étage prédicteur de la partie émission des dispositifs connus de réduction numérique se compose habituellement d'un circuit additionreur- soustracteur i qui reçoit les échantillons xn du signal MIC S d'entrée et fournit en sortie un signal dn représentant la différence entre la valeur de l'échantillon xn entrant et l'échantillon xpn prédit. Cet échantillon X pn prédit est four- ni par un prédicteur 2 à partir d'un échantillon xn fourni par un circuit d'addition 3. Le prédicteur 2 est habituelle- ment un prédicteur fixe, ou bien un prédicteur adaptatif comme dans le cas de la demande de brevet antérieure 79 20 445 de la demanderesse. Le circuit d'addition 3 reçoit le xpn prédit par le pré- pn dicteur 2 et l'additionne à l'échantillon dn estimé fourni par n un quantificateur inverse 4. L'échantillon différence dn four- ni par le circuit d'addition 1 est appliqué à l'entrée d'un quantificateur 5 qui fournit en sortie des échantillons Yn à débit réduit. En réception, le signal yn est reçu par le quantificateur ' qui fournit un signal dn différence à l'entrée d'un étage prédicteur. Cet étage prédicteur se compose essentiellement d'un circuit d'addition qui additionne le signal dnldifférence issu du quantificateur inverse 5' avec l'échantillon Xpn four- ni par le prédicteur 2. Un signal xn reconstitué est disponible à la sortie du circuit d'addition 1'. Ce signal xn est>d'une part appliqué à l'entrée du prédicteur 2', d'autre part disponible à la sortie du dispositif de réduction de débit. La figure 2a représente schématiquement 1létage prédic- teur ainsi décrit de l'art antérieur quand on néglige le bruit apporté par le quantificateur. L'étage prédicteur se présente habituellement sous la forme d'un filtre transversal à l'émis- sion réalisant une prédiction à partir du signal xn entrant et fournissant des échantillons xpn prédits à partir des échantil- lons précédents; à cet effet un prédicteur il fournit des coef- ficients ai, fixes ou optimisés selon les systèmes, tels que dn xn - ai Xni, o N est le nombre de coefficients du prédicteur. Lorsque les coefficients sont réactualisés par un algori- thme quelconque, par exemple l'algorithme du gradient ou l'al- gorithme de Kalman, le dispositif de réduction de débit est/ certes mieux adapté aux statistiques différentes des signaux. maisest instable en réception en présence d'erreurs de trans- mission. En effet l'étage prédicteur réception des systèmes connus tel que représenté sur la figure 2b recalcule le signal xn à partir du signal erroné, dn par exemple, reçu. Les coefficients réactualisés utilisés par le prédicteur 2' sont alors erronés et le nouvel échantillon xn+l est lui aussi erroné. L'erreur se propage dans le système, l'algorithme réactualisant les coef- ficients en réception diverge de celui du dispositif émission (fig. 2a) et peut entraîner des instabilités. Un tel phénomène s'explique mathématiquement en observant que la structure de l'étage prédicteur (fig. 2b) est récursive en réception et que la fonction de transfert du dispositif réception présente des pôles. Une telle conception des étages prédicteurs à l'émission et à la réception impose l'emploi de protections complexes en cas d'utilisation du système sur canal bruité.' L'objet de l'invention est de réaliser un dispositif de traitement numérique stable même en présence d'erreurs de trans- mission. L'invention consiste à prévoir un système de traitement numérique comportant un étage prédicteur à structure récursive à l'émission et un étage prédicteur à structure transversale à la réception. Le prédicteur réception ayant alors une mémoire finie, le tralnage de l'erreur est limité et n'affecte pas la convergence du système. Le système de l'invention comporte des premiers moyens pour former un échantillon xpn prédit et des seconds moyens pour soustraire ledit échantillon xpn prédit dudit échantil- lon x entrant, d'en déduire un échantillon dn différence repré- sentant l'erreur de prédiction, lesdits premiers moyens présen- tant à l'émission une structure récursive à l'émission en ce sens que chaque échantillon xpn prédit est obtenu à partir des échantillons dn, dnil, dn-2-* etc... précédemment obtenus à la sortie desdits seconds moyens et lesdits premiers moyens présentant à la réception une structure transversale, chaque échantillon x étant obtenu à partir des échantillons dif- férence dn, dn précédemment reçus. L'invention s'applique à tous les systèmes à prédiction linéaire par exemple à prédiction adaptative ou bien à prédic- tion fixe. D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront à la lecture de la description suivante illustrée par des dessins. La figure 1 est une représentation schématique des dispo- sitifs de réduction de débit numérique de l'art antérieur. Les figures 2a et 2b représentent schématiquement la struc- ture des étagesl'influence du quantificateur. La figure 3 est une représentation schématique du dispo- sitif de traitement numérique selon l'invention, en négligeant l'influence du quantificateur. La figure 4 est une représentation détaillée de l'étage prédicteur émission de la figure 3, incluant le quantificateur dans la boucle de contre réaction. La figure 5 est une variante de réalisation de la partie émission de la figure 3. La figure 6 est un schéma détaillé d'un étage prédicteur de la partie émission, variante de réalisation de la figure 3a. La figure 7 est une variante de réalisation de la figure 6. La figure 8 est une représentation détaillée du dispositif réception des figures 6 et 7. Les étages prédicteurs émission et réception selon l'in- vention sont représentés schématiquement sur les figures 3a et 3b respectivement. En se référant à la figure 3a, le signal S entrant est un signal échantillonné et codé en code numérique. De chaque échantillon xn entrant on retranche un échantillon Xpn prédit fourni par un prédicteur il au moyen d'un circuit de soustraction 10 qui fournit des échantillons dn différence en sortie représentatifs de la différence entre la valeur de l'échantillon entrant xn et de l'échantillon prédit xpn fourni par le prédicteur 11. Le prédicteur il reçoit selon l'invention à son entrée le signal différence dn émis en ligne et fournit le signal x au circuit 10 de soustraction. Les signaux d pn n différence sont ainsi formés à partir des échantillons dnil précédents selon la forme récurrente du type: N d =x -. a. d dn n = 1n- i ot ai sont les N coefficients fournis par le prédicteur 11. Le prédicteur il peut être du type à coefficients(ai) fixes ou bien encore du type à coefficients (ai) i=lN opti- misés. Dans ce dernier cas les coefficients sont réactualisés par exemple à chaque période d'échantillonnage selon l'algori- thme du gradient ou encore selon l'algorithme de Kalman ou en- core par tout algorithme bien connu de la technique. Un tel étage prédicteur présente une structure récursive à l'émission. La fonction de transfert du dispositif émission est du type: G (Z) = 1 N 1+Z a.Zi i=l 1 o les (ai) i=l-,N sont les coefficients du prédicteur 11. La figure 3b représente l'étage prédicteur du dispositif réception. Il consiste essentiellement en un prédicteur 11i', identique à celui du dispositif émission, fournissant à par- tir du signal dn différence reçu, un signal prédit xpn, qui est additionné au signal dn au moyen d'un circuit d'addition ', pour former le signal xn reconstitué. Un tel étage prédic- teur est en réception à structure transversale. Il effectue à la réception la prédiction à partir du signal différence d. Mais la fonction de transfert est du type G (Z)=l + a.z r en réception et ne présente pas de pôle. Donc quelles que soient les valeurs des coefficients a. du prédicteur il' ré- ception, ce dispositif de réduction de débit numérique del'in- vention sera stable car il disposera en réception d'un étage prédicteur à structure transversale. Donc même en présence d'erreurs de transmission le dispositif de l'invention sera stable. La figure 4 est une représentation plus complète des dis- positifs émission et réception de traitement numériques des signaux codés selon l'invention. Le signal S entrant MIC reçu par le circuit d'addition 10 est transformé en un signal dif- férence dn par soustraction du signal xpn prédit par le prédic- teur 11. Le signal différence dn issu du circuit d'addition dn est transformé en un signal Yn à faible débit au moyen d'un quantificateur 12 bien connu de la technique. Un tel quantifi- cateur a déjà été décrit dans la demande de brevet 79 20 445 de la demanderesse. Il consiste essentiellement à transformer les échantillons dn à grand débit en une suite d'échantillons Yn à faible débit en fonction de la distribution de probabili- té conditionnelle du signal d à quantifier. n Le choix de la courbe de quantification adoptée selon que le signal à traiter est un signal de données ou un signal de parole,peutde la même façon que dans la demande précitée être déterminé par la connaissance du vecteur des coefficients (aj) i _j AN du prédicteur 11. Un quantificateur inverse 13 disposé sur une boucle à con- tre-réaction reçoit à son entrée le signal yn émis en ligne et fournit un signal dn identique à celui qui serait reçu en récep- tion en l'absence d'erreurs de transmission. Cette grandeur dn est appliquée à l'entrée du prédicteur 11. En réception le signal Yn à faible débit est reçu par le quantificateur inverse 13' qui fournit en sortie un signal dn différence. Ce signal dn différence est appliqué d'une part>à l'entrée du prédicteur 11i', d'autre partà l'entrée du circuit d'addition 10'. Ce circuit d'addition 10' additionne le signal dn issu du pn quantificateur inverse 13' au signal xpn prédit fourni par le prédicteur 11', et fournit en sortie un signal x reconstitué n de débit égal à celui du signal S d'entrée. Les prédicteurs 11 et il' des dispositifs émission et ré- ception peuvent, par exemple, être des prédicteurs adaptatifs appliquant l'algorithme du gradient. On a alors une relation récurrente reliant les N coefficients A (n), permettant de les réactualiser. A (n+l) = A (n) + K (n) o A (n) = [al (n) --- aN (n)] est le vecteur des coefficients, et o K (n) représente le vecteur de correction à l'instant n, K (n) peut être calculé par tout algorithme utilisé dans les techniques de prédiction, par exemple l'algorithme du gradient, l'algorithme de Kalman ou autres. Toutefois, afin d'éviter toute instabilité en émission et d'assurer une convergence des dispositifs émission et réceptio4 en particulier des étages prédicteurs émission et réception, on ajoute un terme (1->) de fuite à l'algorithme de réactualisation des coefficients, r étant une constante de l'ordre de 10-3. La relation de réactualisation des coefficients s'écrit alors: A (n+l)= (1-) [A (n) + K (n)I La figure 5 représente une variante de réalisation de l'in- vention permettant d'améliorer la prédiction pour les signaux de parole. On dispose un filtre 14, à l'entrée de l'étage pré- dicteur émission qui effectue un préfiltrage favorisant la pré- diction du système selon l'invention. Ce filtre 14 reçoit le signal S entrant formé des échan- tillons xn et introduit un retard T d'une période d'échantil- lonnage, retard équivalent à celui d'un prédicteur classique fixe du premier ordre optimisé pour la parole. Le signal xpn pn fourni par le filtre 14 est soustrait du signal xn au moyen du circuit de soustraction 15. Le signal S' fourni à la sortie de ce circuit de soustraction 15 est un signal de même débit que S mais présentant une minimisation en énergie pour les fréquen- ces basses de parole. Ce signal S' est ensuite traité de la même façon que dans les dispositifs de l'invention décrits à l'aide des figures 3a et 4. En effet un prédicteur 11 du type connu en soi, par exem- ple adaptatif fonctionnant selon l'algorithme du gradient ainsi que décrit dans la demande de brevet 79 20 445 de la demande- resse, fournit une prédiction à partir des signaux dn diffé- rence fournis par les échantillons précédents à la sortie du circuit d'addition 10. Le prédicteur 11 fournit à sa sortie un signal-prédit xp2n qui est additionné à l'échantillon xln contenu dans le signal S'. Les échantillons d différence fournis à la sortie de n l'étage prédicteur émission de la figure 5 permettent de con- server des performances peu altérées pour les signaux de don- nées et d'obtenir pour les signaux de parole un gain compara- ble à celui obtenu à la sortie d'un prédicteur adaptatif à me^m nombre de coefficients. Une représentation détaillée du dispositif de traitement numérique émission selon l'invention et en particulier de son étage prédicteur est illustrée sur la figure 6. Le circuit de soustraction 10 fournit,à partir des échantillons xn entrants et des échantillons xpn préditsdes échantillons dn différence représentatifs de la différence entre la valeur de l'échantil- lon xn entrant et de l'échantillon xp, prédit. Cet échantillon dn sortant est transformé en un signal yn à faible débit au moyen d'un quantificateur 12 bien connu de la technique. Un quantificateur inverse 13 dispose sur une boucle à contre réac- tion reçoit à son entrée le signal yn émis en ligne et fournit en sortie un signal dn identique à celui qui serait reçu en ré- ception en l'absence d'erreurs de transmission. Ce signal dn est appliqué, d'une part à l'entrée du prédicteur 11i d'autre part?à l'entrée du dispositif 16 de calcul permettant de réactualiser les coefficients (ai) 1 est bien connu de l'état de la technique, il applique l'algori- thme du gradient ou encore l'algorithme de Kalman ou encore tout algorithme connu en soi. Ce dispositif 16 fournit les 4 coef- ficients ai, a2, a3, a4 dans l'exemple de réalisation de la figure 6 au prédicteur il à l'entrée des quatre circuits de multiplication 110, 111, 112, 113 chacun de ces circuits de multiplication 110, 111, 112, 113 reçoit le signal dn fourni par le quantificateur inverse 13 respectivement retardé d'un temps T, 2T, 3T et 4T au moyen de quatre registres décalage 114, , 116, 117 respectivement. Les deux signaux obtenus en sor- tie des circuits de multiplication 110, 111, sont appliqués à l'entrée d'un circuit d'addition 118. Le résultat obtenu à la sortie de ce circuit d'addition 118 est additionné avec le ré- sultat du circuit 112 de multiplication au moyen du circuit d'addition 119. Le résultat obtenu à la sortie du circuit 119 d'addition est appliqué à l'entrée du circuit 120 d'addition au moyen duquel il est additionné avec le résultat obtenu à la sortie du circuit de multiplication 113. Le résultat obtenu à. la sortie du circuit d'addition 120 est un signal xp2n prédit. Cette prédiction est améliorée selon l'invention en insérant un filtre transversal 14 constitué d'un registre à décalage 140 suivi d'un circuit 141 de multiplication. A cet effet un cir- cuit d'addition 17 additionne l'échantillon xpn prédit, fourni à l'entrée du circuit d'addition 10, à l'échantillon dn obtenu à la sortie du quantificateur inverse 13 pour former l'échan- tillon xn reconstitué. C'est cet échantillon xn qui est suc- cessivement retardé d'un temps T au moyen du registre à décala- ge 140 puis multiplié par un coefficient fixe b0 au moyen d'un circuit de multiplication 141. L'échantillon xpln fourni à la sortie du filtre transversal 14 est additionné avec l'échantil- lon xp2n prédit fourni par le prédicteur il au moyen du circuit d'addition 15. A la sortie du circuit d'addition 15 on obtient un échantillon xpn prédit qui est utilisé à l'entrée du circuit d'addition 10. Les échantillons d fournis à la sortie du circuit d'addi- n tion 10 sont transformés en un signal à faible débit d'échantil- lons yn au moyen du quantificateur 12. Dans ce cas de figure, si les niveaux de quantification sont suffisamment fins (le nombre de bits des mots du signal y n est supérieur ou égal à 3 bits), et si le quantificateur n'écrête pas le signal le bruit de quantification induit est blanc. En se référant à la figure 7, un autre mode d'insertion du filtre transversal 14 est prévu selon l'invention. L'opération de préfiltrage est effectuée directement à l'entrée de l'étage prédicteur émission, à partir des échantillons xn entrants. Le filtre 14 fournit des échantillons, en sortie, qui sont addi- tionnés avec les échantillons prédits, issus du prédicteur 11, au moyen d'un circuit d'addition 15. L'échantillon issu du cir- cuit 15 est appliqué à l'entrée du circuit de soustraction 10 pour y être retranché de l'échantillon xn entrant. L'échantil- lon dn issu du circuit de soustraction 10 est appliqué à l'en- trée du quantificateur 12. Sur la boucle de contre-réaction à partir des échantillons yn, le quantificateur inverse 13 four- nit des échantillons d reconstitués à l'entrée du prédicteur n 11. Le prédicteur 11 associé à son dispositif de réactualisa- tion des coefficients non représenté fournit des échantillons prédits à chaque instant à l'entrée du circuit d'addition 15. Un tel mode d'insertion du filtre transversal 14, en dehors de la boucle de contre-réaction sur laquelle est insérée le quan- tificateur inverse procure un bruit plus coloré de fonction de transfert s'écrivant 1 (bruit blanc filtré par le prédic- 1-Bo(z) teur fixe) ce qui peut être intéressant subjectivement dans le cas du traitement de parole. La figure 8 représente schématiquement les dispositifs réception correspondants aux dispositifs émission des figures 6 et 7. Le signal y n entrant est appliqué à l'entrée du quanti- ficateur inverse 13' qui fournit en sortie des échantillons à l'entrée du circuit d'addition 10' et à l'entrée du prédicteur il'. Ce prédicteur 11' associé à son dispositif de réactuali- sation des coefficients, non représenté sur la figure, four- nit à l'entrée du circuit d'addition 15' des échantillons pré- dits, qui sont additionnés avec les échantillons fournis par le filtre transversal 14'. L'opération de préfiltrage effectuée par ce filtre 141est effectuée à partir de l'échantillon xn reconstitué fourni à la sortie du circuit d'addition 10'. Le circuit d'addition 15' fourni en sortie des échantillons qui sont additionnés avec ceux issus du quantificateur inverse 13' au moyen du circuit d'addition 10'. REVENDICATIONS 1 - Etage prédicteur pour système de traitement numérique pour signaux résultant du codage en code MIC d'un signal de données, de parole, ou encore de signalisation multifréquence se présentant sous la forme d'une suite d'échantillons xni comprenant des premiers moyens-pour former un échantillon xpn prédit et des seconds moyens pour soustraire ledit échantil- lon xpn prédit dudit échantillon xn entrant, d'en déduire un échantillon d- différence représentant l'erreur de prédiction, n dispositif caractérisé par le fait que lesdits premiers moyens présentent à l'émission une structure récursive en ce sens que chaque échantillon xpn prédit est obtenu à partir des échan- tillons dn, dnî dn-2 etc... précédemment obtenus à la sortie desdits seconds moyens et par le fait que lesdits pre- miers moyens présentent à la réception une structure transver- sale, chaque échantillon xpn étant obtenu à partir des échan- tillons différence dn, dni. x précédemment reçus. 2 - Etage prédicteur pour système de traitement numérique selon la revendication 1 caractérisé par le fait que lesdits premiers moyens se composent essentiellement d'un prédicteur fixe connu en soi, optimisé pour les signaux S entrants. 3 - Etage prédicteur pour système de traitement numérique selon la revendication 1 caractérisé par le fait que lesdits premiers moyens se composent essentiellement d'un prédicteur adaptatif à coefficients réactualisés, à chaque période d'é- chantillonnage par exemple selon tout algorithme de calcul connu en soi. 4 - Etage prédicteur pour système de traitement numérique selon l'une des revendication 1, 2 ou 3 caractérisé par le fait que les échantillons dn, dni1' dn-2' obtenus à l'émission sont transformés en un signal à faible débit au moyen d'un quantifi- cateur connu en soi. - Etage prédicteur pour système de traitement numérique selon l'une des revendications 1, 2, 3 ou 4 caractérisé par le fait qu'à l'émission les échantillons xn, avant d'être appli- qués à l'entrée desdits seconds moyens, sont additionnés avec les échantillons xn préalablement traités par un filtre trans- versal effectuant un préfiltrage, et en ce qu'à la réception les échantillons Rn reconstitués sont additionnés avec les échantillons xn préalablement traités par le même filtre trans- 24?1084 versai. 6 - Etage prédicteur pour système de traitement numérique selon l'une des revendications 1, 2, 3 ou 4 caractérisé par le fait qu'on dispose à l'émission sur la boucle de contre-réac- tion, comportant lesdits premiers moyens pour former un échan- tillon xpn prédit, un filtre transversal effectuant un pré- filtrage à partir des échantillons in reconstitués et en ce qu'à la réception les échantillons An reconstitués sont addi- tionnés avec les échantillons An préalablement traités par le même filtre transversal.