DE1941336B2 - Verfahren zur Schätzwertbildung in einem Codierer für Differenz-Pulscodemodulation - Google Patents
Verfahren zur Schätzwertbildung in einem Codierer für Differenz-PulscodemodulationInfo
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- G10L19/00—Speech or audio signals analysis-synthesis techniques for redundancy reduction, e.g. in vocoders; Coding or decoding of speech or audio signals, using source filter models or psychoacoustic analysis
- G10L19/04—Speech or audio signals analysis-synthesis techniques for redundancy reduction, e.g. in vocoders; Coding or decoding of speech or audio signals, using source filter models or psychoacoustic analysis using predictive techniques
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Description
bZ
aj '"' - hZ
=l
wobei b ein Faktor ist, der Signalwerte während aufeinanderfolgender, gewählter Signalintervalle
darstellt, K eine Zahl, welche die Dauer der aufeinanderfolgenden Tonhöhenperioden des angelegten
Signals darstellt, a„, Amplitudenfaktoren sind, welche die spektrale Kurzzeithüllkurve des Sprachsignals
darstellt, und N eine gewählte Zahl dieser Faktoren »„,darstellt.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schätzwertbildung in einem Codierer für Differenz-Pulscodemodulation,
bei dem die Augenblickswerte eines zu übertragenden Sprachsignals nach bestimmten Charakteristiken
von vorhergehenden Augenblickswerten geschätzt werden und bei dem lediglich die Differenz
zwischen den geschätzten Augenblicksignalwerten und 4-, den vorhandenen Sprachsignalwerten übertragen wird,
und bei dem die Parameter zur Berechnung der voraussichtlichen Augenblickswerte wiederholt aufgrund
von ausgewählten Funktionen geändert werden, um die Differenz zwischen den geschätzten Augen- w
blickswerten und den tatsächlichen Augenblickswerten des angelegten Sprachsignals zu minimieren.
Ein bekanntes Verfahren zur Verringerung der Redundanz ist die Voraussage-Codierung. Dabei wird
die Redundanz dadurch verringert, daß von dem Signal r, derjenige Teil subtrahiert wird, welcher aus seiner
Vergangenheit vorausgesagt werden kann. Für zahlreiche Signale ist die Entropie erster Ordnung des
Differenzsignals viel kleiner als die Entropie erster Ordnung des Originalsignals. Somit ist das Differenzsi- t>o
gnal besser als das Originalsignal zur Codierung für die Übertragung geeignet. Die Voraussage-Codierung
bietet somit einen praktischen Weg für die wirksame Codierung von Signalen, ohne daß Speichereinrichtungen
großer Kapazität erforderlich sind. b>
Eines der bekannten Verfahren zur wirksamen
Codierung von Nachrichtensignalen sieht die Beseiti-Voraussageeinrichtungen sowohl im Sender als auch im
Empfänger einer Anlage vor. Der laufende Wert des Signals wird an beiden Stellen durch lineare Voraussage
geschätzt, die auf den vorher übertragenen Signalen beruht. Die Differenz zwischen diesem geschätzten und
dem richtigen Wert des Signals wird quantisiert, codiert und zum Empfänger übertragen. Im Empfänger wird das
decodierte Differenzsignal zum vorausgesagten Signal addiert, um das Eingangssprachsignal zu reproduzieren.
Solange eine gute Voraussage des jeweiligen Signalwertes durchgeführt werden kann, kann eine wirksame
Codierung stattfinden. Sprachsignale sind jedoch nicht stetig, so daß eine Voraussageeinrichtung mit festen
Koeffizienten den Wert eines Sprachsignals nicht wirksam voraussagt. Zum Beispiel ist das Sprachsignal
während stimmhafter Abschnitte annähernd periodisch. Somit kann eine gute Voraussage des derzeitigen
Wertes aufgrund des Wertes erfolgen, der genau eine Periode früher vorliegt. Jedoch ändert sich die Periode
mit der Zeit, so daß sich die Voraussageparameter mit der sich ändernden Periode des Eingangssprachsignals
ebenfalls ändern müssen.
Es ist auch bereits ein Verfahren bekannt (»Predictive Coding of Speech Signals«, Proceedings 1967 Conference
on Speech Communication and Processing, November 1967, Seiten 360,361), bei dem die Parameter, die bei
der Schätzung der Augenblickswerte des Signals verwendet werden, wiederholt geändert werden, um die
Differenz zwischen den geschätzten Augenblickswerten und den tatsächlichen Augenblickswerten des zugeführten
Sprachsignals zu minimieren. Für Sprachsignale werden die vergangenen Signalintervalle zur Voraussage
gewählt, die mit einzelnen Tonhöhenperioden vergleichbar sind. Die Länge der Periode und die
Amplitude des Signals innerhalb der Periode werden dabei periodisch neu definiert. Vorzugsweise werden die
Parametersignale, welche die Voraussageeinrichtung steuern, alle 5 Millisekunden geändert. Die Parameterwerte bilden sich langsam ändernde Signale, die gut
übertragen werden können. Um zu verhindern, daß sich Fehler anhäufen, werden bei dem bekannten Verfahren
auch schon Sprachsignalproben im Sender rekonstruiert, wobei die Voraussage an den rekonstruierten
Sprachsignalen und nicht an den Eingangssprachsignalen durchgeführt wird. Die Differenz zwischen dem
derzeitigen Wert des Signals und dem vorausgesagten Wert des Signals wird gegebenenfalls codiert und
zusammen mit den sich langsam ändernden Parametersignalen zu einem Empfänger übertragen. Mit dem
bekannten Verfahren wird bereits eine gute Qualität der nach der Übertragung reproduzierten Sprache erreicht.
Ferner können das binäre Differenzsignal und die Voraussageparameter zusammen mit weniger als 10
Kilobit je Sekunde übertragen werden. Das ist wesentlich langsamer als für eine gewöhnliche Pulscodemodulationsübertragung
mit vergleichbarer Sprachqualität erforderlich ist.
Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, das vorstehend erläuterte bekannte Verfahren dahingehend
zu optimieren, daß bei möglichst guter Wiederherstellung der übertragenen Sprachsignale die erforderliche
Kanalkapazität für die Übertragung möglichst klein wird, ohne dabei andere Nachteile in Kauf nehmen zu
müssen.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch angegebene Erfindung gelöst.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeich-
dcr Signalredundanz durch Verwendung von nungen näher beschrieben. Fs 7eigs
F i g. 1 das Blockschaltbild einer Sendewelle nach der
Erfindung,
F i g. 2 das Blockschaltbild einer Empfangsstelle nach der Erfindung,
F i g. 3 das Blockschaltbild einer sich anpassenden Voraussageeinrichtung, die sich zur Durchführung des
Verfahrens nach der Erfindung eignet,
F i g. 4 das Blockschaltbild, eines geeignete» Voraussage- Parameterrechners,
Fig.5 dar- Blockschaltbild einer Anordnung zur
Berechnung der Werte des Parameters x, der zur Einstellung einer sich anpassenden Voraussageeinnchtung
benutzt wird.
Ein voraussagendes Codierungssystem für Sprachsignale enthält: einen Sender (Fig. 1) zur Umwandlung
eines Eingangs-Sprachsignals in ein digitales Signal mit niedriger Geschwindigkeit zur Übertragung zu einem
Empfänger, einen Voraussage-Parameterrechner (F i g. 4), um die Parameter einer sich anpassenden
Voraussageeinrichtung (F i g. 3) zu berechnen, und einen Empfänger (Fig. 2), um ein Sprachsignal aus dem
empfangenen Digitalsignal zusammenzusetzen.
Ein Blockschema eines Senders ist in F i g. 1 gezeigt.
Ein dem Eingang zugeführtes Eingangs-Sprachsignal wird zunächst in einem herkömmlichen Tiefpaßfilter 10
gefiltert und in der Abtasteinheit 11 abgetastet. Nach dem bekannten Abtast-Lehrsalz beträgt die Abtastgeschwindigkeit
das Doppelte der Grenzfrequenz des Filters. Eine geeignete Abtastgeschwindigkeit für
Sprachsignale ist 6 kHz, so daß das Tiefpaßfilter 10 eine jo Grenzfrequenz von 3 kHz hat. Die Sprachproben des
Abtasters 11 werden um ein Intervall von 60 Proben (10
Millisekunden) durch die Verzögerungsleitung 12 verzögert und dem einen Anschluß des Differenznetzwerks
13 zugeführt, das z. B. ein Subtrahier-Netzwerk j-,
ist. (Da der Abtaster Il das Eingangs-Sprachsignal in eine Folge von kurzen Proben umwandelt, d. h. in eine
digitale Form, ist es zweckmäßig, die Arbeitsweise der Schaltung signalprobenweise zu betrachten.)
Ein vorausgesagter Wert Zn der Sprachprobe, der
durch Voraussagen (im Netzwerk 30) des derzeitigen Wertes des Signals, z. B. aufgrund des Wertes der
vergangenen Proben γν-\, r^_2... erhallen wird, wird
einer zweiten Klemme des Netzwerks 13 zugeführt. Die Differenz on zwischen Sm und Zn, die, wenn vorhanden, 4-,
vom Netzwerk ausgeht, wird dann einem Verstärker 14 mit einstellbarer Verstärkung zugeführt und in der
Amplitude um einen Faktor Q geändert. Das sich ergebende Signal wird dann auf einen von zwei Pegeln
quantisiert, z. B. in dem Quantisierer 15 mit zwei Pegeln, w
Um die Konstruktion eines vorausgesagten Wertes des Signals durchzuführen, wird das vom Quantisierer 15
gelieferte Signal in der Amplitude um einen Fak'or MQ im Verstärker 16 geändert und dem einen Anschluß des
Addiernetzwerks 17 zugeführt. Der vorausgesagte Wert -,·>
Zn wird dem anderen Anschluß des Addierers 17
zugeführt. Die Summe dieser Signale, die mit γν
bezeichnet wird, bildet das rekonstruierte Signal. Es sei bemerkt, daß zum /V-ten Abtastaugenblick die Voraussageeinrichtung
30 nur höhere Proben (N-1, /V-2 ...) des bo
rekonstruierten Signals benutzt. Die laufende Probe γν
des rekonstruierten Signals wird gebildet nachdem das Differenzsignal On quantisiert und zum vorausgesagten
Wert ΖΛ/addiert ist.
Die sich anpassende Voraussageeinrichtung 30, die (,5
die in F i g. 3 dargestellte Form aufweisen kann, wird periodisch den sich ändernden Signiilbedingungen
aneenaßt. z.B. nach den Parametersienalen. die im
Rechner 40 erzeugt werden. Einzelheiten eines geeigneten Rechners werden später anhand der Fig.4
geschildert. Der Voraussage-Parameterrechner 40 wirkt auf Signalproben, die unmittelbar vom Abtaster 11
geliefert werden, und damit auf Signale vor ihrer Wechselwirkung in der Differeiizoperation, da das
Signal S/v in der Einheit 12 um eine Zeit verzögert wird, die ausreicht, um dem Rechner 40 die Beendigung seiner
Operationen zu erlauben. Bei der in dem Ausführungsbeispiel verwendeten Form des Rechners wurde
festgestellt, daß alle Rechneroperationen in der Zeit beendet werden können, die für etwa 60 Proben
erforderlich ist. Signale, die unmittelbar vom Abtaster 11 geliefert werden, werden somit mit S^+eo bezeichnet.
Die Parametersignale, die mit b, K und α bezeichnet sind, werden zur Voraussageeinrichtung 30 und
unmittelbar zum Multiplexer 18 geliefert. In gleicher Weise erzeugt der Rechner 40 ein Signal, das mit Q
bezeichnet wird, und das die Verstärkung der Verstärker 14 und 16 (und ihres Gegenstücks im Empfänger)
darstellt. Dieses Signal wird ebenfalls zum Multiplexer 18 geliefert.
Das binäre Signal am Ausgang des Quantisierers 15, die Parametersignale zum Einstellen der Voraussageeinrichtung
und das Signal Q, das die Verstärkung der Verstärker 14 und 16 darstellt, bilden somit Komponenten
des übertragenen Signals. Sie können zur Übertragung an eine entfernte Stelle in irgendeiner gewünschten
Weise kombiniert werden, z. B. durch die Tätigkeit des Multiplexernetzwerks 18.
Ein Blockschaltbild eines Empfängers ist in Fig. 2 dargestellt. Der Demultiplexer 21 dient dazu, die
verschiedenen Komponenten des am Eingang empfangenen, zusammengesetzten Signals zu trennen, nämlich
das quantisierte Differenzsignal, die Signale, welche die Voraussage-Parameter angeben und ein Signal, das die
Verstärkung der im Sender benutzten Verstärker darstellt. Die Voraussage-Parameter werden zur sich
anpassenden Voraussageeinrichtung 30' geliefert, die in jeder Hinsicht der sich anpassenden Voraussageeinrichtung
30 im Sender gleichen kann. Das Signal, das die Verstärkung Q darstellt, wird zum Verstärker 22
geliefert, während die decodierten Differenzsignale ebenfalls zum Verstärker 22 gehen. Nach Einstellen der
Verstärkung um den Faktor 1/Q wird das Differenzsignal
zu einem vorausgesagten Wert Z'n des derzeitigen Werts des Signals addiert, das im Empfänger, z. B. im
Addiernetzwerk 23 erzeugt wird. Die rekonstruierten Proben γ'ν gehen zur sich anpassenden Voraussageeinrichtung
30', ferner über das Tiefpaßfilter 24 zu einer Ausgangsklemme. Das Tiefpaßfilter 24, das eine
Grenzfrequenz von der Hälfte der Abtastfrequenz hat, glättet die gelieferten Proben, um ein Ausgangssprachsignal
r'(t)zu erzeugen.
Wenn keine digitalen Kanalübertragungsfehler vorhanden sind, sind offenbar die vorausgesagten Werte
Zugleich den am Sender vorausgesagten Werten Zn, da
die Voraussageeinrichtung 30' in gleicher Weise wie ihr Gegenstück 30 im Sender eingestellt ist. Demnach ist die
rekonstruierte Probe r's im wesentlichen gleich γν im
Sender. Offensichtlich ist der Fehler zwischen der rekonstruierten Sprachprobe rN und der Eingangssprachprobe
Sn gleich der Differenz ö"n—On zwischen
dem Ausgang des Verstärkers 16 und dem Eingang des Verstärkers 14. Da im Mittel die Energie der Proben Ön
viel kleiner im Vergleich zur Energie der Proben Sn ist,
beträgt die Quantisierungs-Rauschenergie im rekonstruierten Sprachsignal einen kleinen Bruchteil der
Energie im Eingangssprachsignal. Das Ausgangssignal rftjiai somit eine außerordentlich enge Annäherung an
das Signal, das als Eingang zum Sender geliefert wurde.
Zwei der Hauptursachen der Redundanz in der Sprache sind (I) die Quasi-Periodizität während der
gesprochenen Abschnitte und (2) der Mangel an Flachheit der spektralen Kurzzeit-Hüilkurven. Die
Redundanz infolge der quasi-periodischen Natur der Sprache wird durch eine lineare Voraussageeinrichtung
verringert, die z. B. aus einer Verzögerung und einer Verstärkung besteht. Die z-Transformation der Voraussageeinrichtung
ist gegeben durch
Ir) = bz
(D
wobei z~ K eine Verzögerung von /(-Proben und b einen
Amplitudenfaktor darstellt. Für stimmhafte Sprache entspricht die Verzögerung K nominell einer Tonhöhen-Periode.
D'jr Faktor b kompensiert mögliche ungleiche Amjlituden des Sprachsignals während
benachbarter Schrittperioden. Während des Anfangs des Sprechens ist b häufig größer als Eins; das
Umgekehrte ist am Ende eines gesprochenen Abschnitts der Fall. Bei stimmlosen Sprachtönen liegt b
gewöhnlich dicht bei Null.
Die durch die spektrale Hüllkurve der Sprache verursachte Redundanz wird mit Hilfe einer linearen
Voraussageeinrichtung achter Ordnung verringert. Die ^-Transformation einer solchen Voraussageeinrichtung
ist gegeben durch
(2)
Eine lineare Voraussageeinrichtung achter Ordnung verringert die Redundanzen infolge von drei Formanten
der Rachen- und Mundhohlraum-Übertragungsfunküon und der spektralen Hüllkurve der Lautquelle wesentlich.
Eine sich anpassende Voraussageeinrichtung, die für Sprachsignale geeignet ist und die diesen Betrachtungen
entspricht, ist in F i g. 3 dargestellt. Sie besteht im wesentlichen aus zwei getrennten linearen Voraussagesystemen,
die Übertragungscharakteristiken entsprechend den Gleichungen (1) und (2) zeigen, sowie aus
Mitteln zu deren Kombination.
Rekonstruierte Signalproben t„ (geliefert vom Addiernetzwerk
17 des Senders und dementsprechend vom Addiernetzwerk 23 des Empfängers) gehen zur
SpeivHereinheit 31. Diese Einheit ist so ausgerüstet, daß
sie ein veränderliches digitales Signal y„ für Werte von
η = -120. -119 -1,0, +1 +29 speichert.
Somit hat sie eine Speicherkapazität von 130 Digits. Von diesen werden die letzten 30 Digits alle 5
Millisekunden ersetzt. Alle 5 Millisekunden wird die Speichereinheit 31. z. B. durch einen Impuls vom
Zeitgeber 37 betätigt, derart, daß das Signal in der
Speicherstelle yn das an der Stelle j_i gespeicherte
Signal ersetzt, das Signal yw das Signal _y_2 ersetzt usw.
Damit wird alle 5 Millisekunden eine neue Gruppe von Proben in die Stellen y_, .., y_|2o weitergeleitet, um
eine gespeicherte Foige von »vergangenen« Proben zu bilden. Die Stellen yK .., yo werden frei gemacht und
stehen den ankommenden rekonstruierten Signalen rN
für die nächsten 30 Probenintervalle zur Verfügung.
Während jedes 5 Millisekunden-Intervalls werden die Werte von y„. die in den Stellen y.;..., y. 120 gespeichert
sind, nacheinander zur arithmetischen Einheit 32 gegeben, die so ausgerüstet ist, daß sie den Wert c
entsprechend der Gleichung (la) für jeden Wert von y
berechnet. Die Gleichung (la), nämlich
cx = by„-K (la)
definiert eine Eingangs-Ausgangscharakteristik, die dei
Form der Gleichung (1) entspricht und gibt eir Ausgangssignal C1 für jeden gelieferten Wert von y„-n
ίο Die notwendigen Faktoren b und K werden dei
arithmetischen Einheit 32 vom Voraussage-Parameter rechner 40 (Fig. 1) zugeliefert. Die entstehender
Signale gehen sowohl zur arithmetischen Einheit 33 al: auch zur arithmetischen Einheit 34.
ι) Die arithmetische Einheit 33 ist so programmiert, daf
sie Werte von Un entsprechend der Beziehung
Wn = Tv-C1 (3)
liefert. Der Augenblickswert von r/v geht vom Eingang
der sich anpassenden Voraussageeinrichtung 30 zui arithmetischen Einheit 33, die aus einem einfacher
Subtrahiernetzwerk besteht.
In gleicher Weise liefert die Speichereinheil 35 eine
digitale Speichermöglichkeit für ein veränderliches u,
2ϊ für Werte von π = -8 .... - 1, 0 +29. Die Einher
35 kann ein Schieberegister oder dergleichen sein. Sie wird alle 5 Millisekunden, z. B. durch einen Impuls vorr
Zeitgeber 37 rückgestellt, um die in den Stellen 22 bi< + 29 gespeicherten Signale in die ersten 8 Stellen zi
so schieben, und die Stellen 0 bis +29 für ankommende Signale freizumachen. Die freien Speicherstellen werden
nacheinander mit Werten des Signals u„ gefüllt, die von der arithmetischen Einheit 33 erzeugt werden
Während jedes 5 Miilisekunden-Intervalis werden die ir
r> der Einheit 35 gespeicherten Werte von Un zui
arithmetischen Einheit 36 geliefert, die so eingerichtei ist, daß sie Werte von ο entsprechend der Gleichung
(2a) berechnet, die wie folgt lautet:
(2a)
m=l
Die Gleichung (2a) entspricht der verallgemeinerter Beziehung der Gleichung (2). Im wesentlichen ist die
arithmetische Einheit 36 ein kumulatives Multiplikator Netzwerk, das das Produkt von a. und u für Werte vor
m = 1 bis m = 8 für jeden vom Speicher zugelieferter
Wert von Un summiert. Die notwendigen Amplituden
faktoren α werden der Einheit 36 vom Voraussagepara
meterrechner 40 (Fig. 1) zugeliefert. Die berechneter
Werte von C2 gehen zur arithmetischen Einheit 34. wc
sie arithmetisch zu den Werten von c\, die durch die arithmetische Einheit 32 nach Gleichung (4) geliefen
werden, wie folgt addiert werden:
Zn = ei +C2
Die arithmetische Einheit 34 besteht aus einerr
to Addiernetzwerk.
Die entstehenden Werte von Zn bilden den vorausgesagten
Wert der ankommenden Sprachsignalprobe Si>
und gehen als Ausgangssignal zum Subtrahiernetzwerk 13 des Senders (Fig. 1) und entsprechend zurr
b5 Addiernetzwerk 23 des Empfängers (F i g. 2). Die ober
beschriebenen arithmetischen Operationen werden füi jeden Wert von π von 0 bis 29 nacheinandei
durchgeführt. Bei der obigen Diskussion gibt die ganze
Zahl N die Zählung der laufenden Probe des Eingangssignals, d.h. vom Probenabtaster 12 (Fig. I),
und zwar minus 60 Proben, um die Verzögerung von 10 Millisekunden zu berücksichtigen. Die ganze Zahl Λ/gibt
eine entsprechende Zählung innerhalb jeder Einheit ab. Die veränderlichen u„ und r/v werden nacheinander in
den Speichereinheiten 31 bzw. 35 gespeichert, und zwar in den Stellen 0 bis 29. Alle 5 Millisekunden werden
beide Speichereinheiten, wie oben beschrieben, rückgestellt und nachfolgende Proben von r/v in den Stellen 0
bis 29 in der Speichereinheit 31, und nachfolgende Proben un in den Stellen 0 bis 29 in der Speichereinheit
35 wieder gespeichert.
Die Parameter für die sich anpassenden Voraussageeinrichtungen im Sender und im Empfänger werden in
speziellen Recheneinrichtungen berechnet, welche die in F i g. 4 dargestellte Form haben können. Derartige
Einrichtungen erzeugen die Voraussage-Parameter, die notwendig sind, um die Voraussageeinrichtung trotz des
unstetigen zeitlich veränderlichen Charakters der Eingangs-Sprachsignale optimal einzustellen. Die Voraussage-Parameter
werden alle 5 Millisekunden neu berechnet, um sicherzustellen, daß die Erzeugung
wirksam ist, auch wenn sich die Spracheigenschaften verhältnismäßig schnell ändern.
Die Eingangs-Sprachproben Su+eo vom Probenabtaster
11 (Fig. 1) gehen zur Speichereinheit 41, die mit ausreichend Speicherkapazität ausgerüstet ist, um sich
einer Reihe w„ mit einer Form anzupassen, die der oben
beschriebenen gleicht. Ankommende Proben werden somit in der Reihe h'_i2o,..., w-\, ηό,..., ν/χ
gespeichert. Die Probe an der Stelle ho = 5m+6o, diejenige an der Stelle ηί = 5m+61. ■ · -, usw. bis
w& = Sm+89, wobei M die Probennummer der ersten
Probe der laufenden »Gruppe« von Proben, d. h. Proben in einer 5 Millisekunden-Gruppe anzeigt. Die Speichereinheit
41 wird alle 5 Millisekunden rückgestellt, z. B. durch einen Impuls vom Zeitgeber 37 der Fig.3
(Verbindungen sind der Einfachheit halber nicht dargestellt), derart, daß wj — tv,+3o für alle Werte von
j= —120, ..., —1 ist. Dementsprechend werden die
Speicherstellen ho, ..., w& alle 5 Millisekunden freigemacht
und verwendet, um neue, vom Abtaster 11 ankommende Proben zu speichern, Die Reihe von 30
neu erzeugten Proben bildet eine neue Gruppe von
Signalen.
Die Signale der Speichereinheit 41 gehen parallel zur
arithmetischen Einheit 42, wo die rechnerischen Werte Xj entsprechend Gleichung (5) wie folgt berechnet
werden:
n = 0
(5)
Die arithmetische Einheit 42 enthält einzelne Recheneinheiten 42a, 42Z>,.., 42n, die parallel arbeiten,
um Xj entsprechend der Gleichung für Werte von
j= 15,.., 120, zu berechnen. Es kann ein spezieller
Rechner, der entsprechend der zu verwendenden Gleichung programmiert ist, zur Berechnung dieser
Signalwerte oder alternativ von verschiedenen arithmetischen Operationen, z. B. Multiplikation. Summierung,
Wurzelziehen und Division serienmäßig nach bekannten Verfahren ausgeführt werden.
Die berechnete Reihe von Werten von X, d. h. X^
Ä'i2o ■ · · geht parallel zum Spitzenbestimmungsnetzwerk
43, wo der größte Wert von X bestimmt wird. So findet das Spitzenbestimmungsnetzwerk 43 den Wert von j, so
daß Xjdas Maximum aller Werte von X ist. Netzwerke
zur Abnahme des »größten« Werts einer Vielzahl von Signalen sind bekannt. Ein geeignetes Netzwerk enthält
typischerweise eine fortschreitend vorgespannte Diodenmatrix.
κι Der Index des größten gewählten Wertes von X ist
mit K bezeichnet, er wird als ein Parameter geliefert, der notwendig ist, um die sich anpassenden Voraussageeinrichtungen
an den Sende- und Empfangsstellen einzustellen.
ι, Der Parameter K geht ferner zum b Rechner 44 und
zur arithmetischen Einheit 45. Der Rechner 44 erhält ferner die Signale Wn von der Speichereinheit 41. Er
berechnet b aus diesen Daten nach der Gleichung (6) wie folgt:
£ WnWn
B = O
b =
Σ «*
Wie vorher kann ein spezieller Rechner oder eine herkömmliche Anordnung von arithmetischen Einheiten
zur Berechnung von b verwendet werden. Der berechnete Wert von b bildet ebenso einen Parameter,
der notwendig ist, um die sich anpassenden Voraussageeinrichtungen einzustellen. Werte von b werden ferner
zur arithmetischen Einheit 45 geliefert.
Die arithmetische Einheit 45 ist so eingerichtet, daß sie eine Reihe von Signalwerten u„ nach Gleichung (7)
für Werte von η = 0,..., 29 liefert.
Un = wn-bw„-j
H = O 29.
H = O 29.
Die Werte der Signale in der Reihe w„ gehen vom
Speicherneizwerk 41 zur arithmetischen Einheit 45.
Die verschiedenen oben angegebenen Berechnungen werden in der angegebenen Reihenfolge ausgeführt. Die
Unteroperationen, z. B. die Berechnung der Werte von X in der arithmetischen Einheit 42, von b im Rechner 44
so und von Un in der arithmetischen Einheit 45 werden in
parallelen Kreisen in diesen Einheiten durchgeführt.
Alle 5 Millisekunden wird die Reihe der Signalwerte Un in die Speichereinheit 46 übertragen, um die früheren
Reihen von Signalen im Speicher zu ersetzen. Die Speichereinheit 46 speichert somit eine Reihe von
Signalwerten u_s, u-7,..-, u-i, tfo,··-, U29. Alle 5
Millisekunden werden die Werte u-s,.., u.1 durch die
Werte u&,.., «29 ersetzt. Die ankommenden Proben
werden in die freigemachten Speicherstellen U0, ■ - ·, £/29
bo eingebracht. Somit werden die Signale i/o,-··. u&
nacheinander gespeichert, wie sie in der Speichereinheit 46 empfangen werden.
Unter dem Einfluß von Zeitgebersignalen wird eine Reihe von Signalwerten un periodisch von der Speichereinheit
46 abgelesen und zur arithmetischen Einheit 47A
übertragen. Diese Einheit besteht aus 36 arithmetischen Einheiten, die mit f\.w /1.2;...; /i.e: 42; /2.3;-.-; 4b:
/3.3;-·-; &8 bezeichnet sind und die parallel arbeiten.
Jede Einheit dient dazu, einen Wert von Aentsprechend
Gleichung (8) wie folgt zu berechnen:
JiJ- Zj "»--·"»-J (8>
Index ; ändert sich von I bis 8
Index / ändert sich von / bis 8
Index / ändert sich von / bis 8
Die Berechnungen von /i, werden gleichzeitig
ausgeführt und die mil F bezeichneten Ausgangswerte periodisch zum Rechner 48 gegeben.
Die Reihe von Signalen un geht ferner zur arithmetischen
Einheit 47B, wo eine Reihe von Werten nach der
Gleichung (9) wie folgt ausgerechnet wird:
UnIln. j.
(9)
Die arithmetische Einheit 47 ß besteht vorzugsweise aus einer Reihe von 8 einzelnen Einheiten, die parallel
arbeiten, um die verschiedenen Werte von g zu berechnen. Die sich ergebende Reihe g\,.. .,gs, die mit G
bezeichnet wird, geht alle 5 Millisekunden zum Rechner 48.
Der Rechner 48 ist so programmiert, daß er die Matrixgleichung
= G
(10)
löst, um Werte von λ zu liefern. Wenn auch jeder
spezielle Rechner für diese Berechnung programmiert werden kann, so wird doch eine geeignete Anordnung
unten anhand F i g. 5 beschrieben. Es genügt hier zu sanen, daß der Ausgang des Rechners 48 eine Reihe «
vcn Signalwerten a%, β2 as ist, die Parameterwerte
bildet, weiche notwendig sind, um die sich anpassenden Voraussageeinrichtungen an den Sende- und Empfangsstellen einzustellen. Diese Signale gehen demnach
unmittelbar zur sich anpassenden Voraussageeinri"htung 30 im Sender (Fig. 1) und zum Multiplexer 18 im
Sender, um zum Empfänger und zur sich anpassenden Voraussageeinrichtung 30' geliefert zu werden.
Die Reihe λ geht ferner zum (^-Rechner 49. Der
Rechner 49 bildet eine arithmetische Einheit, die so eingerichtet ist, daß sie Werte von Q entsprechend der
Beziehung
»η - Σ α"
m=l
Mn-,
(Π)
berechnet. Arithmetische Einheiten zum Erhalt von Produkten, Summierungen, Differentialen, absoluten
Werten usw. sind dem Fachmann bekannt. So berechnete Werte von Q werden sowohl im Sender als
auch im Empfänger benutzt, um die Verstärkungen der verschiedenen Verstärker mit einstellbarer Verstärkung
in den Voraussagenetzwerken einzustellen. Im Sender werden die Werte des Signals Q benutzt, um die
Verstärkungen der Verstärker 14 und 16 einzustellen, im
Empfänger, um die Verstärkung des Verstärkers 22 einzustellen.
Wenn auch die verschiedenen einzelnen Bearbeitungsgänge, die zur Berechnung der verschiedenen
Zwischen-Parameterwerte erforderlich sind, in den Einrichtungen der Fig.4 nacheinander stattfinden, so
finden doch offensichtlich in den verschiedenen Rechnereinheiten in jedem Gruppenintervall im wesentlichen
augenblickliche Verarbeitungen statt. Die verschiedenen Parameter-Signalreihen werden von
einer Einheit zur nächsten, z. B. mit Impulsen eines Zeitgebers (wie des Zeitgebers 37 in F i g. 3) weitergeleitet.
Die verschiedenen Voraussage-Parameter und der Verstärkungsfaktor Q werden alle 5 Millisekunden neu
berechnet; die berechneten Werte werden für die Dauer von 5 Millisekunden festgehalten der Periode, in der die
Voraussage-Parameter optimiert wurden. Infolge der Verzögerung von 10 Millisekunden der ankommenden
Signale im Sender berechnet der Voraussage-Parameterrechner die Parameter vor der Zeit, in der sie im
Sender benötigt werden. Die sich anpassenden Voraussageeinrichtungen werden kurz vor der Ankunft der
ersten Sprachprobe jeder Gruppe im Sender rückgestellt.
Die Operationen, die zur Berechnung von χ nach Gleichung (10) ausreichen, sind z.B. auf den Seiten
145—146 der »Computational Methods of Linear Algebra« von D. K. Faddeevund V. N. Faddena
(englische Übersetzung von R. C. Williams), veröffentlicht von W. H. Freeman & Co., San Francisco, 1963
beschrieben. Wenn auch in der Literatur beschriebene herkömmliche Operationen verwendet werden können,
so wird doch eine Anordnung, die sich als besonders geeignet erwiesen hat, in dem Blockschema der Fig.5
dargestellt.
In Fig. 5 geht die Reihe von Signalen F die Werte
von /' darstellt, die in der arithmetischen Einheit 47A
erzeugt werden, zu den arithmetischen Einheiten 51. Das System von arithmetischen Einheiten wirkt auf die
zugelieferten Werte von f, um eine Reihe von abgeänderten Funktionen zu erzeugen, die mit hjj
bezeichnet werden, und zwar für Werte von / = 1,.... 8 und für Werte von j = ;'..., 8. Die Werte von h werden
einzeln in der Speichereinheit 52 gespeichert. Die arithmetische Einheit 51a erzeugt z. B. einen Wert von
h\, ι nach der Gleichung (12) wie folgt:
Λι.ι = I.A..-
(12)
Offensichtlich besteht die arithmetische Einheit 51a aus einer Quadratwurzel-Einrichtung. Die Werte von
Λ1.2.···. Λι,β werden in der arithmetischen Einheit 51£>
nach der Gleichung (13) berechnet, nämlich
(13)
Offensichtlich besteht die arithmetische Einheit 516
aus einer Vielzahl von einzelnen Einheiten zur Erzeugung eines Quotienten-Signals. Der notwendige
Wert von h\.\ wird von der Speichereinheit 52 zur arithmetischen Einheit 51 b geliefert
In gleicher Weise werden nacheinander Werte von hj.j in den arithmetischen Einheiten 51 fortschreitend
von links nach rechts in der Zeichnung nach der Beziehung:
I '-ι
(14)
i-l
.//.j— Zj "I'"'-J
1=1
(15)
j> i und 2 </<8,
geliefert.
Offensichtlich führen die in der Zeichnung dargestellten, und mit51c,51eund51^bezeichneten Einheiten die
Berechnung nach Gleichung (14), d. h. für die Werte von
Λ2.2, Λ3.3 />8,8 durch. Die übrigen Rechnungen nach
Gleichung (15) werden in den Einheiten 5Id, 51/usw.
durchgeführt.
Es ist selbstverständlich möglich, daß Werte von h,j
zeitweise Null sind. Um daher jede Zweideutigkeit bei der Berechnung von Funktionen nach den Gleichungen
(14) und (15) zu vermeiden, wird erfindungsgemäß eine willkürliche Regel zur Anpassung an diese Situation
vorgeschrieben. Es kann selbstverständlich auch eine ähnliche Regel verwendet werden. Nach der gewählten
Regel wird zu jedem Eingang für einen festgestellten Eingang Null ein Zusatz ε addiert. Als Ergebnis nimmt
der Eingang stets einen endlichen Wert an, so daß die erforderliche Teilungsoperation stattfinden kann. Ein
kleines Signal e, das z. B. von der Batterie 53 kommt, geht zum Addierer 54 in den Eingangsschaltungen der
erforderlichen arithmetischen Einheiten 51. Die Größe von ε wird nach den relativen Signalgrößen, angepaßt
an die Einheiten 5t, so gewählt, daß sie in bezug auf die Signalberechnung unbedeutend ist, daß sie jedoch
ausreicht, um die Zweideutigkeit bei der Division durch i2
Null zu vermeiden. Wenn gewünscht, kann der Schalter 55 benutzt werden, um den ε-Kreis zu öffnen, wenn kein
Signal Null festgestellt ist.
Die berechneten Werte von Λ werden den arithmetischen Einheiten 56 zusammen mit den Werten von C
(von der arithmetischen Einheit 47B) zugeführt, wobei
die Funktionen p, wie folgt erzeugt werden:
Pi =
G1
huPi
I=I
(16)
Pj
=
2<7<8.
Die Reihe von Werten von ρ, nämlich p\ pe wird in
den Speichereinrichtungen 57 gespeichert und nach Bedarf zu den arithmetischen Einheiten 58 gegeben, wo
eine Reihe von Signalwerten λ für die Werte von /' = I,.. .,8 nach der Gleichung
Ps
Ks
Ks
Pj-
(17)
nj.j
i < 8
erzeugt wird.
Die notwendigen Werte von h für diese Berechnung werden von der Speichereinheit 52 zugeliefert. Die
entstehende Reihe von Werten « geht zur Speichereinrichtung 59. Diese Reihe wird periodisch zur arithmetischen
Einheit 49 für die Berechnung von Q und zu den sich anpassenden Voraussageeinrichtungen 30 und 30'
(Fig. 3) geliefert.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
- Patentanspruch:Verfahren zur Schätzwertbildung in einem Codierer für Differenz-Pulscodemodulation, bei dem die Augenblickswerte eines zu übertragenden Sprachsignals nach bestimmten Charakteristiken von vorhergehenden Augenblickswerten geschätzt werden und bei dem lediglich die Differenz zwischen den geschätzten Augenblicksignalwerten und den vorhandenen Sprachsignalwerten übertragen wird, und bei dem die Parameter zur Berechnung der voraussichtlichen Augenblickswerte wiederholt aufgrund von ausgewählten Funktionen geändert werden, um die Differenz zwischen den geschätzten Augenblickswerten und den tatsächlichen Augenblickswerten des angelegten Sprachsignals zu minimieren, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung der Schätzwerte durch eine Voraussageeinrichtung erfolgt, die durch eine z-Transformation gekennzeichnet ist, die gegeben ist durch
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