PULSE CODE MODULATION SYSTEM

Abstract: 1. Pulse code modulation system, in which from an analog video signal is produced a digital signal with code words with which are associated amplitude values of the analog video signal and in which the digital signal is passed across a recording or transmission channel and is then converted back into an analog video signal, characterized in that the association of the different words of the digital signal to the different amplitude values takes place in such a way that starting from the limits of the amplitude range provided for the analog video signal, code words are formed in which n bits are changed for one limit of the amplitude range compared with the code word and for the amplitude stages following on one limit all code words with n = 1 form a first group, to which is connected a second group of code words with n = 2 and further groups with in each case one more n rising up to a group. of n = (number of bits of a code word minus 1), and a code word in which all bits are changed, corresponding to the other limit of the amplitude range.

Description: Pulscodemodulationssystem stand der Technik Die Erfindung geht aus von einem System nach der Gattung des Ilauptanspruchs. Bei der magnetischen Aufzeichnung, aber auch bei der Übertragung digital codierter elektrischer Analog-Signale, können durch Störsignale - beispielsweise Rauschen - Teile der Signale verfälscht werden. Als Hass für eine olce Verfälschung wird die sogenannte Bitfehlerrate angegeben, welche besagt, wieviele gestörte bzw. verfälschte Bits auf ein richtig wiedergegebenes entfallen. In der praxis vorkommende Werte für die Bitfehlerrate liegen im Bereich von 10 4 bis Während die ehlerrate selbst von Eigenschaften des Auf zeichnungs- oder Übertragungskanals abhängig ist, sind die Auswirkungen von Bitfehlern auf das wiederzugebende Signal auc#h von der Art des Codes abhängig. Es sind daher Codes erforderlich, bei welchen Bitfehler eine möglichst geringe Auswirkung auf die rückgewandelten analogen Signale haben. Hierbei sind auch Auswirkungen im Sinne der Wahrnehmbarkeit der Fehler durch Auge oder Ohr eines Betrachters bzw. Hörers gemeint¯ So haben beispielsweise Versuche und theoretische Betrachtungen gleichlautend gezeigt, dass für eine bestimmte Verschlechterung des Bildeindrucks eines Fernsehbildes wesentlich mehr Fehler mit kleinerer Amplitude zugelassen werden können als solche mit grosser Amplitude. Es hat sich gezeigt, dass die Fehlerrate jeweils um den Faktor 10 erhöht werden kann, um bei binär codierten Signalen bei einer Störung in einem weniger wichtigen Bit die gleiche Störempfindung wie bei dem um eine Binärstelle wichtigeren Bit hervorzurufen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Pulscodemodulationssystem vorzuschlagen, bei welchem sich Bitfehler möglichst wenig im wiedergegebenen analogen Signal bemerkbar machen. Vorteile der Erfindung Das erfindungsgemässe System mit den kennzeichnenden Merk- malen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, dass bei gegebener Fehlerrate des digitalen Signals das analoge Signal weniger gestört ist. Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Massnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Systems möglich. Das erfindungsgemässe System kann besonders vor @leilhar@@ zur Ausfzeichnung oder Übertragung von Videosig- nalen aber auch anderen Analogsignalen - wie beispielsweise Audiosignalen - verwendet werden. Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Einrichtung zur Codie rung und zur Decodierung nach dem erfindungsge nässen System, Fig. 2 tabellarisch ein einfaches Beispiel für einen im erfindungsgemässen System anwendbaren Code und Fig. 3 ebenfalls tabellarisch ein weiteres Beispiel, nämlich auszugsweise einen Code für ein 8 Bit Signal und Fig. 4 eineDarstellung der Häufigkeit der Amplituden fehler als Funktion der Grösse der Amplitudenfehler. Beschreibung der Ausführungsbeispiele Figur 1 stellt ein erfindungsgemässes Ausführungsbeispiel dar. Bei 1 wird das aufzuzeichnende Videosignal zugeführt. Es gelangt einerseits über einen Tiefpass 2 zu einem Analog/Digital-Wandler 4 und andererseits zu einem Takt- und Synchrongenen#tor. In diesem wird vom Videosignal das bynchronisiersignal abgetrennt, aus welchem der Abtasttakt für den Analog/bigital-Wandler 4 und weitere später zu erläuternde Taktsignale abgeleitet werden. Das digitale Ausgangssignal eines Analog/Digital-Wandlers besteht üblicherweise aus einem mehrstelligen Binärwort, welches beispielsweise beim niedrigsten Videopegel mit 0000 an J?jflgt- ux beim höchsten Videopegel den Wert 11-11 aufweist. Zur Erzielung einer gerügend hohen Auflösung der 1#egelstufen des Videosignals wird meistens ein 8-stelliges Digitalwort übertragen. Um jeden zweiten Abtastwert zu invertieren, wird vom llakt- und Synchrongenerator 3 ein Signal mit halber Abtastfrequenz einem Umschalter 7 zugeführt. Der Umschalter 7 leitet jeweils während einer Abtastperiode das über den Inverter 5 geleitete-Digitalsignal und das über einen Buffer geleitete Digitalsignal an einen Codewandler 8 weiter. Diese Invertierung trägt bei Videosignalen zu einer Verringerung des Gleichspannungsanteils der digitalen Signale bei, ist aber für die Lösung der erfindungsgemässen Aufgabe nicht unbedingt erforderlich. Im Codewandler 8 wird aus dem binär-codierten Ausgangssignal des Anaiog/Digital-Wandlers 4 ein Digitalsignal mit einem erfindungsgemässen Code. In einer realisierten Ausführungsform der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 wurde selbstverständlich der Umschalter 7 mit den in -der Digitaltechnik üblichen Verknüpfungsschaltungen realisiert. Der Codewandler kann aus einem programmierbaren Auslesespeicher (PROM) bestehen. Ein Beispiel eines erfindungsgenässen 8-Bit-Codes wird anhand einer Code-Tabelle in Fig. 3 dargestellt. Das Wesen der Erfindung wird jedoch zunächst anhand eines in Fig. 2 dargestellten 4-Bit-Codes erläutert. In der Schaltung 9 wird dem Digitalsignal ein digitales bynchronsignal zugeführt, welches-im Takt- und Synchrongenerator 3 aus dem Synchronsignal des Videosignals abgeleitet wurde. Der Farallelseriewandler 10 wandelt dann schliesslich das Digitalsignal in ein serielles Digital signal um, welches der schematisch dargestellten Aufzeich nungseinrichtung oder einem Ubertragungskanal zugeführt wird. Anhand der Figuren 2 und 3 werden nun Beispiele für erfindungsgemässe Codes erläutert. Da derartige Codes an die Eigenschaften des Übertragungs- bzw. Aufzeichnungskanals angepasst sind, werden diese Codes auch als Kanalcodes bezeichnet. Die im vorliegenden Fall wesentliche Kanaleigenschaft ist die Annahme, dass eine Störung bei allen Bits gleich wahrscheinlich, die Störung mehrerer Bits eines Wortes jedoch recht unwahrscheinlich ist. Bevor jedoch auf die Figuren im einzelnen eingegangen wird, eine kurze Erläuterung des Binärcodes im Zusammenhang mit Fehlern: Bei der Wahl eines Kanalcodes ist auch seine Fehlerempfindlichkeit zu beachten. Beim 8-Bit-Binärcode werden statistisch gesehen auf jedes Bit, ob MSB oder LSB, 12,5% aller Fehler entfallen. Zur Vbertragun oder Aufzeichnung über gestörte Kanäle können die Daten jedoch in einen Code umgewandelt werden, der eine geringere Fehlerempfindlichkeit aufweist. Dabei ist zu beachten, dass Fehler im MSB wesentlich stärker stören als in den weniger wichtigen Bitstellen. Das heisst, es ist vorteilhaft, einen Kanalcode zu verwenden, bei dem keine Gleichverteilung der Fehler auf alle Bitstellen vorliegt, sondern bei dem die Fehlerhäufigkeit zu den weniger wichtigen Bits des Binärcodes hin verschoben ist; das heisst, im Kanalcode dürfen Bitfehler auftreten, die im Binärcode mehrere Bitfehler zur Folge haben, wenn im Binärcode geringwertige Bits betroffen sind. Anhand von sehr einfachen Beispielen soll nun das Wesen der Erfindung erläutert werden. Dazu sind in Sig. 2 drei verschiedene Codes mit jeweils drei Bit dargestellt. Und zwar ist unter b der sogenannte Binärcode gezeigt, welcher durch Abzählen der Amplitudenstufe im Binärzahlensystem entsteht. Unter a ist ein erfindungsgemässer Code dargestellt, während mit c eine Tabelle des Gray-Codes bezeichnet ist. Jeweils in der linken Spalte sind die Amplitudenstufen bezeichnet, rechts davon folgt die Codetabelle. In den weiteren rechts anschliessenden Spalten sind Fehler dargestellt, welche durch die Verfälschung jeweils eines Bits entstehen. So ist beispielsweise beim Binärcode eine Verfälschung des analogen Signals um vier Amplitudenstufen die Folge davon, dass in der ersten Binärstelle eine 1 anstelle einer 0 oder eine 0 anstelle einer 1 übertragen wird. Änderungen in der zweiten Binärstelle haben jeweils einen Amplitudensprung von 2 zur Folge, während Änderungen der dritten Stelle nur einen Amplitudensprung um 1 nach sich Zehen. Gemäss den oben erwahnten Versuchen hat nun eine Verdoppelung des Amplitudenfehlers eine Verzehnfachung der Störerwirkung zur Folge. Bei einer Annahme,- dass alle möglichen Bitfehler gleich häufig auftreten, ergibt sich folgende Rechnung für die Störwirkungfür den unter b) dargestellten Binärcode: Es sind vier Bitfehler möglich mit jeweils einem Amplitudensprung, es sind weitere vier Bitfehler möglich mit der Folge eines Amplitudensprunges um 2 Stufen; daraus ergibt sich eine Störwirkung von 4 x 10 = 40. Schliesslich sind 4 Bitfehler möglich mit einer Wirkung von jeweils vier Amplitudenstufen, welche jeweils mit 100 zu bewerten sind, so dass sich ein Mass für die Störwirkung von 444 ergibt. Bei dem in Fig. 2a dargestellten Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemässen Code ergeben sich nur zwei Sprünge um jeweils vier Amplitudenstufen, Dafür sind vier fehler von jeweils drei Amplitudenstufen möglich, welche mit 38 zu bewerten sirld. Insgesamt ergibt sich eine Störwirkung von 392, welche deutlich niedriger als bei dem Binärcode liegt. Zum Vergleich ist in Zeile c der Figur 2 noch ein sogenannter Gray-Code angegeben. Bei diesem Code ist bei einer Verfälschung der ersten Stelle sogar eine Verfälschung der Amplitude um 7 Stu fen gegeben, so dass, wie die nebenstehende Rechnung zeigt, die gesamte Störwirkung des Gray-Codes wesentlich grösser ist. Die Wirkung des erfindungsge#mässen Systems auf die Störwirkung ist zwar bei dem 3-Bit-Signal deutlich, es ergeben sich jedoch grössere Verbesserungen bei Codes mit mehr stellen, beispielsweise bei einem 8-Bit-Code, wie er in der Fernsehtechnik häufig angewandt wird. Bei der in Fig. 3 dargestellten Codetabelle sind in der linken Spalte die Amplitudenstufen der Reihenfolge nach im Dezimalsystem angegeben. Die rechte Spalte zeigt die den Amplitudenstufen zugeordneten zur tibertragung bzw. Aufzeichnung vorgesehenen digitalen Signale. Die kleinste Amplitudenstufe, nämlich die Stufe 0, wird durch acht Nullen dargestellt. Bis zur Amplitudenstufe 8 weisen die digitalen Signale jeweils eine 1 an verschiedenen Stellen auf. Bis zur Amplitudenstufe 36 befinden sich zwei Einsen in einem achtstelligen digitalen Wort. Mit noch höheren Amplitudenstufen steigt dann die Anzahl der Einsen an. Zur Vereinfachung wurde die Tabelle lediglich bis zur Amplitudenstufe 127 geschrieben, da für noch höhere Amplitudenstufen die Verhältnisse symmetrisch sind, bis schliesslich bei der Amplitudenstufe 255 ein digitales Signal mit acht Einsen vorhanden ist. Eine Verfälschung des Codewortes für die Amplitudenstufe O um 1 Bit ergibt also eine Fehleramplitude von höchstens 8 Amplitudenstufen. Allgemeiner ausgedrückt: ein Bitfehler macht sich also höchstens derart bemerkbar, dass anstelle der richtigen Amplitudenstufe eine aus einer benachbarten Gruppe übertragen bzw. #iedergegeben wird. Hierbei sind eine Gruppe jeweils diejenigen aufeinanderfolgenden Am plitudenstufen, welche durch ein Digitalwort mit der gleichen Anzahl von Nullen oder Einsen repräsentiert werden. Die Gruppen sind verschieden gross; so umfasst die Gruppe mit einer Eins und sieben Nullen acht Amplitudenstufen, während die Gruppe mit vier Einsen und vier Nullen 70 Amplitudenstufen umfasst, wobei jedoch nur 35 dargestellt sind. Bereits nach dem, was bisher erläutert wurde, ist eine Reduzierung der Fehlerempfindlichkeit möglich. Es sind jedoch relativ grosse Amplitudenverfälschungen aufgrund eines Bitfehlers möglich, kommen jedoch seltener vor, als beim Binärcode. So ist es beispielsweise ohne weitere Massnahmen durchaus möglich, dass ein am oberen Ende der Gruppe mit vier Einsen und vier Nullen liegendes Codewort durch einen Bitfehler dahingehend verfälscht wird, dass es dann einem Codewort am unteren Ende der Gruppe mit drei Einsen entspricht. Der sich ergebende Amplitudenfehler wäre 123 Amplitudenstufen. Es wurden deshalb die Code wort innerhalb der Gruppen derart geordnet, dass ein Codewort, welches an dem einen Ende einer Gruppe liegt, durch Verfälschung eines Bits möglichst ein Codewort an dem entsprechenden Ende der benachbarten Gruppe ergibt. Das erste bzw. unterste Codewort mit drei Einsen für die Amplitudenstufe 37 kann durch Verfälschung einer Null in eine Eins zu den Codeworten für die Amplitudenstufen 93 bis 97 werden - also zu den ersten bzw. unteren Amplitudenstufen der Gruppe mit vier Einsen. Der nach diesen Gesichtspunkten aufgebaute Code nach Fig. 3 führt zu einer Häufigkeitsverteilung der Fehleramplituden wie sie in Fig. 4 dargestellt ist; und zwar ist in Fig. 4 sowohl für den Binärcode als auch für den Code nach Fig. 3 auf der Abszisse die Fehleramplitude und auf der Koordinate die Häufigkeit des Auftretens von Fehlern entsprechend der Amplitude. Die Häufigkeit wurde entsprechend der eingangs genannten Abhängigkeit, dass nämlich ein Fehler halber Amplitude, 10mal so häufig auftreten darf, um gleich störend in Erscheinung zu treten, bewertet. Beim Binärcode können durch Verfälschung eines Bits des 8-Bit-Wortes nur die Fehler 1,2,4,8,16,32,64 und 128 auftreten. Diese sind in Fig. 4 durch senkrechte Linien dargestellt. Wegen der grossen Unterschiede in der Häufigkeit wurde hierfür ein logarithmischer Massstab gewählt, was jedoch nicht darüber hinwegtäuschen sollte, dass beispielsweise ein Fehler von 64 Amplitudenstufen 10malwe- niger stört als ein Fehler von 128 Amplitudenstufen. Als Punkte sind nun die einzelnen Häufigkeiten der Fehler bei einem Code nach Fig. 3 in das Diagramm eingetragen. Der grösste auftretende Fehler beträgt 88 Amplitudenstufen. Das mit der Störwirkung bewertete Integral aller Fehler amplituden ist kleiner als beim Binärcode. Eine Verbesserung des Störabstandes um 6 dB konnte nachgewiesen werden. Das erfindungsgemässe System ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Es kann für kürzere oder längere Bitworte angewendet werden. Bei dem im Zusammenhang mit den Figuren n und 3 beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde eine ansteigende Anzahl von Einsen angenommen. Dieses stellt eine Kombination mit dem Gegenstand der Patentanmeldung P 31 13 397 dar, bei welchem zur günstigeren Spektralverteilung des digitalen Signals bei der Aufzeichnung von Videosignalen jeder zweite Bildpunkt in vertiert wird und ausserdem die Anzahl der Einsen etwa proportional zur Videoamplitude ist. Die vorliegende Erfindung kann jedoch auch ohne die Merkmale nach der Patentanmeldung P 31 13 397 angewendet werden. Es kann also die Invertierung innerhalb der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 entfallen. Ebenso ist es nicht erforderlich, von einem Datenwort 00000000 auszugehen. Für die Amplitudenstufe 0 beispielsweise kann jedes beliebige Datenwort verwendet werden; es ist lediglich erforderlich, dass sich die Änderungen gegenüber diesem Datenwort so wie in dieser Anmeldung beschrieben verhalten. Die Beziehung zwischen den Codeworten für die Amplitudenstufen 1 bis 8 zu dem Codewort für die Amplitudenstufe 0 wäre also in allgemeinerer Form wie folgt auszudrücken: Ausgehend von dem Codewort für die Amplitudenstufe 0 werden die Codeworte für die Amplitudenstufe 1 bis 8 dadurch festgelegt, dass jeweils eine andere Bitstelle geändert wird. Falls diese Bitstelle bei dem Codewort für die Amplitudenstufe 0 eine 0 ist, in den Wert 1 bzw. falls bei dem Codewort für die Amplitudenstufe 0 eine 1 vorliegt, in den Wert 0. Da bei vorangegangenen Betrachtungen kein Unterschied zwischen einem Bitfehler, welcher eine Verfälschung einer Eins in eine Null zur Folge hat, und einem Bitfehler im entgege-ngesetzten Sinn gemacht wird, kann bei der Tabelle nach Fig. 3 eine gesamte Spalte invertiert werden, ohne dass der damit entstehende andere Code gegenüber dem in Fig. 3 dargestellten eine unterschiedliche Störwirkung aufweist. Das wiedergegebene bzw. übertragene serielle Digitalsignal wird bei 13 (Fig. 1) einem Serie/Parallel-Wand ler 14 und einem Takt- und Synchron-Regenerator 15 zugeführt. Das Ausgangssignal wird zu einem Codewandler 16 geleitet, dessen Funktion entgegengesetzt zur Funktion des Codewandlers 8 ist, so dass an dessen Ausgang ein wie eingangs beschriebenes binär-codiertes Signal ansteht. Dieses wird wiederum mit Hilfe der Schaltungen 17, 18 und 19 von Abtastwert zu Abtastwert invertiert, womit die entsprechende Invertierung mit Hilfe der Schaltungen 5, 6 und 7 aufgehoben wird. Hierzu wird dem Schalter 19 vom Takt- und Synchron-Regenerator 15 erzeugtes Signal mit halber Abtastfrequenz #fa/2 zugeführt. Mit Hilfe eines Digital/Analog-Wandlers 20 wird schliesslich das analoge Videosignal erzeugt, das am Ausgang 21 zur weiteren Verwendung zur Verfügung steht. Die Schematisch als Blöcke dargestellten einzelnen Schaltungen entsprechen grundsätzlich bekannten Schaltungen udn brauchen im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht näher erläutert zu werden.

Claims: Ansprüche 1. Pulscodemodulationssystem, bei welchem ein Digitalsignal über einen Aufzeichnungs- oder Ubertragungskanal geleitet wird, wobei jeweils ein Wort des Digitalsignals einem Amplitudenwert eines Analogsignals zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuordnung der verschiedenen Worte des Digitalsignals zu den verschiedenen Amplitudenwerten derart erfolgt, dass die durch die Änderung eines Bits eines Wortes bedingten Änderungen des Amplitudenwertes integriert über alle möglichen Bitänderungen eine möglichst geringe Störwirkung zur Folge haben. 2. Pulscodemodulationssystem, bei welchem ein Digitalsignal über einen Aufzeichnungs- und/oder Wiedergabekanal geleitet wird, wobei jeweils ein Wort des Digitalsignals einem Amplitudenwert eines Analogsignals zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuordnung der verschiedenen Worte des Digitalsignals zu den verschiedenen Amplitudenwerten derart erfolgt, dass die durch die Änderung jeweils eines Bits eines Wortes bedingten Änderungen des Amplitudenwertes kleiner als 40% des gesamten Amplitudenbereichs des Analogsignals sind. 3. Pulscodemodulationssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da ausgehend von einer der Grenzen des für das Analogsignal vorgesehenen Amplitudenbereichs Codeworte gebildet sind, bei welchen gegenüber dem Codewort für die eine Grenze des Amplitudenbereichs n Bits geändert sind, wobei für die an die eine Grenze anschlie ssenden Amplitudenstufen alle Codeworte mit n = 1 eine erste Gruppe bilden, dass eine zweite Gruppe von Codeworten mit n = 2 und weiter aufsteigend bis zu einer Gruppe von n = (Anzahl der Bits eines Codewortes minus 1) und ein Codewort bei welchem alle Bits geändert sind, für die andere Grenze gebildet wird. 4. Pulscodemodulationssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Gruppen von Codeworten die Codeworte derart gewählt sind, dass jeweils aus Codeworten einer Gruppe durch einen möglichen Bitfehler Codeworte der benachbarten Gruppe entstehen, welche sich bezüglich der Lage der Amplitudenstufe innerhalb der Gruppen möglichst wenig voneinander unterscheiden. 5. Pulscodemodulationssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Codewort für eine Grenze des Amplitudenbereichs aus Nullen und das Codewort für die andere Grenze aus Einsen besteht und dass dazwischen Gruppen aus Codeworten mit gleicher Anzahl von Einsen derart angeordnet sind, dass von Gruppe zu Gruppe die Anzahl der Einsen jeweils um eins steigt.

Inventors: HEITMANN, JURGEN, DIPL.-ING., Heitmann, Jürgen, Dipl.-Ing.
Applicants: ROBERT BOSCH GMBH
Application year: 1983
Main classification: G11B20
IPC codes: H04B14, G11B20