DE4135977A1 - Verfahren zur gleichzeitigen uebertragung von signalen aus n-signalquellen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur gleichzeitigen Übertragung von Signalen aus N- Signalquellen über eine entsprechende Zahl von Übertragungskanälen.

Verfahren, bei denen die einzelnen (Zeit-) Signale in Blöcke aufgeteilt und die Blöcke durch eine Transforma­ tion oder Filterung in Spektralkoeffizienten umgesetzt werden, die wiederum einem Datenreduktionsverfahren unterzogen bzw. zur Datenreduktion entsprechend codiert werden, sind bekannt. Hierzu wird beispielsweise auf die Übersichtsartikel "Perceptual Audio-Coding" von Jörg Houpert in Studio-Technik oder den Artikel "Daten- Diät, Datenreduktion bei digitalisierten Audio-Signa­ len" von Stefanie Renner in Elrad, 1991 verwiesen. Auf diese Übersichtsartikel sowie die PCT-Offen­ legungsschrift WO 88/01 811 wird im übrigen zur Erläute­ rung aller hier nicht näher beschriebenen Begriffe und Verfahrensschritte ausdrücklich Bezug genommen.

In einer Reihe von Fällen ist es nun erforderlich, Signale aus mehreren Signalquellen gleichzeitig über eine entsprechende Zahl von Übertragungskanälen zu übertragen. Als einfachstes Beispiel hierfür sei die Übertragung von Stereo-Signalen über zwei Übertragungs­ kanäle genannt.

Bei der Übertragung von Signalen aus N-Signalquellen über eine entsprechende Zahl von Übertragungskanälen stellt sich nun das Problem der Dimensionierung der Übertragungskanäle.

Dimensioniert man jeden einzelnen Übertragungskanal so, daß er den "maximal anfallenden Bit-Strom" übertragen kann, so bleibt "im Mittel" vergleichsweise viel Über­ tragungskapazität ungenutzt.

Nun ist es aus der digitalen Telefontechnik bekannt, bei der Übertragung von Signalen aus einer Vielzahl von Signalquellen über eine entsprechende Zahl von Übertra­ gungskanälen die Übertragungskanäle lediglich für einen "mittleren Bedarf" auszulegen und auf einzelnen Kanälen kurzfristig erhöhten Bedarf durch Zuweisung aus anderen Kanälen auszugleichen. Die Zuweisung erfolgt dabei ausschließlich über die Signalstatistik.

Zum Stand der Technik sei auf folgende Literaturstellen "ein digitales Sprachinterpolationsverfahren mit prä­ diktionsgesteuerter Wortaufteilung" von Dr. H. Ger­ häuser (1980), "ein digitales Sprachinterpolationsver­ fahren mit momentaner Prioritätszuteilung", von R. Woitowitc (1977) oder "ein digitales Sprachinter­ polationsverfahren mit blockweiser Prioritätszuteilung" von G.G. Klahnenbucher (1978) verwiesen.

Erfindungsgemäß ist nun erkannt worden, daß die in der digitalen Telefontechnik gebräuchlichen Verfahren zum Ausgleich eines schwankenden Bedarfs bei der Übertra­ gung einer Vielzahl von Signalen über eine entsprechen­ de Zahl von Übertragungskanälen dann keine guten Resul­ tate liefern, wenn die zu übertragenden digitalen Signale vorher einer Datenreduktion beispielsweise nach dem sogenannten OCF-Verfahren unterzogen worden sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur gleichzeitigen Übertragung von Signalen aus N- Signalquellen über eine entsprechende Zahl von Übertra­ gungskanälen anzugeben, mit denen "datenreduzierte Signale" über Übertragungskanäle, die lediglich für einen "mittleren Bedarf" dimensioniert sind, ohne wahrnehmbare d. h. beispielsweise hörbare Einbußen an Signalkapazität übertragen werden können.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfin­ dung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, zum Ausgleich des schwankenden Bedarfs bei der gleichzeiti­ gen Übertragung von Signalen aus N-Signalquellen über eine entsprechende Zahl von Übertragungskanälen die Zuteilung an die einzelnen Signale nicht nach statisti­ schen Gesichtspunkten vorzunehmen, sondern bereits in dem Verfahrensschritt, in dem die Signale zur Datenre­ duktion codiert werden, den schwankenden Bedarf durch entsprechende Maßnahmen auszugleichen.

Dieser erfindungsgemäße Grundgedanke wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels unter der Zeichnung näher erläutert, in der zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm zur Erläuterung des er­ findungsgemäßen Verfahrens, und

Fig. 2a und 2b den erfindungsgemäßen Signalaufbau.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die einzel­ nen Signale in Blöcke aufgeteilt und die Blöcke durch eine Transformation oder Filterung in Spektralkoeffi­ zienten umgesetzt. Zum Ausgleich des schwankenden Be­ darfs werden die zu den einzelnen Signalen gehörenden Blöcke in Abschnitte aufgeteilt, und die jeweils aktu­ ellen Abschnitte aller Signale gemeinsam bearbeitet. Dies ist in Fig. 1 durch entsprechende "Funktions­ blöcke" grafisch dargestellt.

Unter Verwendung eines wahrnehmungsspezifischen Mo­ dells, das beispielsweise bei der Übertragung von Audio-Signalen ein psycho-akustisches Modell sein kann, wird für jeden Abschnitt die erlaubte Störung bestimmt und hieraus die Anforderung an aktuell erforderliche Gesamt-Übertragungskapazität berechnet. Die Berechnung der Gesamt-Übertragungskapazität, d. h. der nötigen Bitzahl, erfolgt für alle Blöcke gleichzeitig. Aus der insgesamt zur Verfügung stehenden Übertragungskapazität und der aktuell benötigten Gesamt-Übertragungskapazität wird die Zuteilung an maximal zur Verfügung stehender Übertragungskapazität für jedes Einzelsignal berechnet. Mit der für jedes Einzelsignal zugeteilten "Bitzahl" erfolgt die Codierung des Einzelsignals und entspre­ chend die Übertragung dieses Einzelsignals. Dabei erfolgt im einfachsten Falle ein Ausgleich der jeweils benötigten Übertragungskapazität nur zwischen den Kanälen.

Bei der im Anspruch 2 angegebenen Weiterbildung ist eine Reserve an Übertragungskapazität, ein sogenanntes Bitreservoir vorhanden, aus dem in dem Falle, daß die benötigte Gesamt-Übertragungskapazität die im Mittel zur Verfügung stehende Übertragungskapazität über­ steigt, eine Zuteilung an Übertragungskapazität er­ folgt.

Dieses Bitreservoir wird immer dann aufgefüllt, wenn die angeforderte Übertragungskapazität kleiner als die zur Verfügung stehende Übertragungskapazität ist (Anspruch 3).

In jedem Falle ist es erforderlich, daß - um ein zu großes Anwachsen des Bitreservoirs zu verhindern - in dem Falle, daß die Übertragungskapazität sehr viel kleiner als die zur Verfügung stehende Übertragungska­ pazität ist, eine Zwangs-Zuteilung von Bits an die einzelnen Kanäle erfolgt (Anspruch 4). Diese Zwangs- Zuteilung erfolgt dabei bevorzugt lediglich an die Kanäle bzw. Signalquellen, die einen Bedarf angemeldet haben, der größer als ein mittlerer Bedarf ist. Ein wesentlich größerer Bedarf als der durchschnittliche Bedarf bedeutet nämlich, daß diese Signale wesentlich schwerer zu codieren sind als übliche Signale.

In jedem Falle ist es gemäß Anspruch 9 bevorzugt, wenn aus allen getrennt codierten Signalen der Signalquellen ein Gesamtblock gebildet wird, der auf einem festen Bereich, der Information beinhaltet, aus der die Separierung der Signale ermittelt werden kann, sowie aus mehreren Bereichen flexibler Länge besteht, die die codierten Signale aufnimmt. Dies ist schematisch in Fig. 2a dargestellt.

Eine weitere Einsparung an Übertragungskapazität erhält man dadurch, daß gleiche Eingangssignale erkannt und durch ein geeignetes Übertragungsformat nur einmal übertragen werden (Anspruch 6). Dies ist schematisch in Fig. 2b dargestellt.

In jedem Falle ist es möglich, die aktuell benötigte Übertragungskapazität exakt zu bestimmen oder lediglich abzuschätzen (Ansprüche 7 und 8).

Darüberhinaus ist es möglich, das erfindungsgemäße Verfahren weitgehend parallel auszuführen. Hierzu ist es bevorzugt, wenn gemäß Anspruch 11 die Codierung der Einzelsignale bereits während der Berechnung der Zutei­ lung der Übertragungskapazität für jedes Signal er­ folgt.

Eine weitere bevorzugte Realisierung des erfindungsge­ mäßen Grundgedankens ist im Anspruch 11 angegeben.

Wenn die benötigte Übertragungskapazität die zur Verfü­ gung stehende Übertragungskapazität übersteigt und keine Zuteilung aus dem Bit-Reservoir erfolgen kann, so ist es möglich, den Wert der erlaubten Störung für sämtliche Signale so anzuheben, daß die benötigte Gesamt-Übertragungskapazität die zur Verfügung stehende Übertragungskapazität nicht übersteigt (Anspruch 11).

Im folgenden soll ein numerisches Beispiel für eine Vorgehensweise für Audio-Signale angegeben werden. Ausdrücklich wird darauf hingewiesen, daß der erfin­ dungsgemäße Grundgedanke nicht auf Audio-Signale be­ schränkt ist; vielmehr können auch Video-Signale oder andere, einer wahrnehmungsspezifischen Beurteilung unterliegende Signale ähnlich behandelt werden.

Beispiel für eine mögliche Vorgehensweise für Audio- Signale:

Seien y(t) Abtastwerte des Audio-Signals.

• 1) Das Audio-Signal y wird in an sich bekannter Weise in Abtastwerte (y(t) zerlegt, die digitalisiert werden. Die digitalisierten Abtastwerte werden in Blöcke der Länge 2n zerlegt, die bei dem gewählten Ausführungsbei­ spiel überlappende Blöcke mit der Überlappung n sind: x(k,b) = y(b*n+k) für k=0..2n (b Blocknummer).
• 2) Jeder Block der Länge n wird durch eine Transformation, beispielsweise eine Fast-Fourier- Transformation oder eine Cosinus-Transformation in Spektralkoeffizienten transformiert: x(j,b) = SUM (1 = 0 . . . 2n; x(1,b) · f(1) · cos (pi · (21+1+n) (2j+1)/(4n))) für j = 0 . . . n mit f(1) = sqrt(2) · sin (pi · (1+0,5)/(2n))
• 3) Jeder der Blöcke wird in Abschnitte zerlegt und die Energiedichte für jeden Abschnitt berechnet: E(i,b) = (SUM(k = a(i) + 1 . . . a(i+1); X(k,b)))/ (a(i+1)-a(i)) für i = 1 . . . c,wobei die Koeffizienten a(i) aus der untenstehenden Tabelle 1 entnommen werden.
• 4) Für jeden Abschnitt wird mit einem geeigneten psycho-akustischen Modell, bezüglich dem auf die Lite­ ratur verwiesen wird, die erlaubte Störung berechnet. Aus der erlaubten Störung ergibt sich die Maskierung zwischen den Bändern T(i,b) = MAX (k = 1 . . . i-1; E(k,b) · z(i-k))die Maskierung im Band:s(i,b) = max (E(i,b) · e(i), T(i,b))und die Maskierung zwischen den Blöcken:ss(i,b) = max (s(i,b-1(/16, s(i,b))anschließend erfolgt für jeden Block die Berechnung der benötigten Bitzahl.
• 5) Berechnung der nötigen Bitzahl für den Block:
  • a) für eine Codierung wie bei OCF (Huffmancodierung): p = p0 + SUM(i = 1 . . . c; (a(i+1) -α(i) · (s(i,b)/ss(i,b)))
  • b) für PCM Codierung (SNR = 6dB/bit):
    Für jeden Abschnitt wird ein Skalenfaktor und die Anzahl der Bit pro Abtastwert als zusätzliche Informa­ tion übertragen p = p0 + SUM(i = 1 . . . c; (a(i+1)) · 10/6 · log (E(i,b)/ ss(i,b)))

Im folgenden sollen in Form von Tabellen die sinnvollen Werte für die einzelnen Größen bzw. Konstanten wieder­ gegeben werden:

n = 512
c = 23
p0 = 1200 für OCF (mittlere Bitzahl pro Block)
p0 = 345 für PCM (Skalenfaktoren: 10 Bit/Abschnitt), Codierung der Anzahl der Quantisierungsstufen: 5 Bit/Abschnitt

Tabelle 1

Tabelle 2

Tabelle 3

Im Anschluß hieran erfolgt die Zuteilung der Bit-Zahlen an die einzelnen Signale. Hierzu wird angenommen, daß zur Codierung der K-Eingangssignale k(k)-Bits angefor­ dert werden, während die zur Verfügung stehende Bitzahl p_soll sei.

psum = SUM((p))k

Nun ist eine Fallunterscheidung nötig:

• 1) wenn psum = psoll
  Jedes Signal bekommt die angeforderte Bitzahl: z(k) = P(k)
• 2) Wenn psum < psoll
  Jedes Signal bekommt mehr als die angeforderte Bitzahl: z(k) = (psoll/psum) · p(k)
  z. B. K = 2, psoll = 1600, p(1) = 540, p(2) = 660
  psum = 1200
  z(1) = 1600/1200 · 540 = 720 (180 bit mehr)
  z(2) = 1600/2000 · 660 = 880 (220 bit mehr)
• 3) Wenn psoll < psum:
  Jedes Signal bekommt weniger als die angeforderte Bitzahl:
  • a) für OCF:
    z(k) = (psoll/psum) · p(k)
  • b) für PCM:
    Die Mindestbitzahl für jedes Signal darf dabei nicht unterschritten werden: z(k) = p0 + ((psoll-K · p0)) · (p(k)-p0)z. B. K = 2, psoll = 1600, p0 = 500, p(1) = 600, p(2) = 1200
    dann ist psum = 1800
    z(1) = 500 + (1600-2 · 500)/(1800-2 · 500) · (600-500) = 575 (25 bit weniger)
    z(2) = 500 + (1600-2 · 500)/(1800-2 · 500) · (1200-500) = 1025 (175 bit weniger)

Zur Korrektur der erlaubten Störung ist folgende Fall­ unterscheidung erforderlich, wenn für jedes Signal p- Bits angefordert, jedoch z-Bits zugeteilt werden:

• 1) Wenn zugeteilte Bitzahl gleich der angeforderten:
  keine Korrektur nötig.
• 2) Wenn mehr Bits zugeteilt wurden als angefordert:
  Für OCF:
  keine Korrektur nötig.
  Für PCM:
  Die Anzahl der für die Quantisierung in jedem Abschnitt zur Verfügung stehenden Bit wird um (z-p)/512 vermehrt.
• 3) Wenn weniger Bits zugeteilt wurden als angefordert:
  Für OCF: ss(i,b) = s(i,b) + (z-p0)/(p-o0) · (ss(i,b)-s(i,b)) für p < p0
  ss(i,b) = s(i,b) für p <= p0Für PCM:
  Die Anzahl der für die Quantisierung in jedem Abschnitt zur Verfügung stehenden Bit wird um (z-p)/512 ver­ mehrt.

Bei PCM ist eine Rundung Bit pro ATW auf eine ganze Zahl notwendig: Hierzu werden zunächst alle Bit/ATW auf die nächstniedrige ganze Zahl abgerundet und die daraus resultierende Bitsumme bestimmt.

Falls noch Bits verfügbar sind, werden in einem ersten Durchgang die von den untersten Bändern beginnend jedem Band ein Bit/ATW mehr zur Verfügung gestellt, bis die zur Verfügung stehende Bitzahl erreicht wird.

Beispiel

Zur Verfügung stehen 104 Bit

Vorstehend ist die Erfindung anhand von Ausführungsbei­ spielen beschrieben worden. Innerhalb des allgemeinen Erfindungsgedankens sind selbstverständlich die ver­ schiedensten Variationen möglich.

So ist es möglich, eine feste Gesamt-Blocklänge zu verwenden, wobei Füll-Bits eingesetzt werden oder eine Weitergabe an noch nicht beendete Coder erfolgt. Ferner ist es möglich, eine flexible Blocklänge zu verwenden, bei der eine maximale Blocklänge vorgegeben ist und zusätzlich eine Zeitmittelung erfolgt.

Claims (11)

1. Verfahren zur gleichzeitigen Übertragung von Signalen aus N-Signalquellen über eine entsprechende Zahl von Übertragungskanälen, bei dem die einzelnen Signale in Blöcke aufgeteilt und die Blöcke durch eine Transformation oder Filterung in Spektralkoeffizienten umgesetzt werden, die einem Datenre­ duktionsverfahren unterzogen werden, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• - die zu den einzelnen Signalen gehörenden Blöcke werden in Abschnitte aufgeteilt,
• - die jeweils aktuellen Abschnitte aller Signale werden gemeinsam bearbeitet,
• - unter Verwendung eines wahrnehmungsspezifischen Modells wird die erlaubte Störung für jeden Abschnitt bestimmt und eine Anforderung an aktuell erforderlicher Gesamt-Übertra­ gungskapazität berechnet,
• - aus der insgesamt zur Verfügung stehenden Übertragungs­ kapazität und der aktuell benötigten Gesamt-Übertragungs­ kapazität wird die Zuteilung an maximal zur Verfügung stehender Übertragungskapazität für jedes Einzelsignal berechnet und jedes Einzelsignal mit dieser so bestimmten Kapazität codiert und übertragen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Reserve an Übertragungs­ kapazität (Bit-Reservoir) vorhanden ist, aus der in dem Falle, daß die benötigte Gesamt-Übertragungskapazität die im Mittel zur Verfügung stehende Übertragungskapazität übersteigt, eine Zuteilung erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bit-Reservoir aufgefüllt wird, wenn die angeforderte Übertragungskapazität kleiner als die zur Verfügung stehende Übertragungskapazität ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß - um ein zu großes Anwachsen des Bit-Reservoirs zu verhindern - in dem Falle, daß die angeforderte Übertragungskapazität sehr viel kleiner als die zur Verfügung stehende Übertragungskapazität ist, eine Zwangs-Zuteilung von Bits erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwangs-Zuteilung ledig­ lich bei einem Bedarf erfolgt, der größer als ein mitt­ lerer Bedarf ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß gleiche Eingangssignale er­ kannt und durch ein geeignetes Übertragungsformat nur einmal übertragen werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der aktuell nötigen Übertragungskapazität exakt erfolgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der aktuell nötigen Übertragungskapazität nur abgeschätzt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß aus allen getrennt codierten Signalen der Signalquellen ein Gesamtblock gebildet wird, der aus einem festen Bereich, der eine Information beinhal­ tet, aus der die Separierung der einzelnen Signale ermittelt werden kann, sowie aus mehreren Bereichen flexibler Länge besteht.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Codierung der Ein­ zelsignale bereits während der Berechnung der Zuteilung der Übertragungskapazität für jedes Signal erfolgt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Falle, daß die angeforderte Bitzahl die insgesamt zur Verfügung ste­ hende Bitzahl übersteigt, die erlaubte Störung für alle Signalquellen vergrößert wird, so daß sich eine verrin­ gerte Bit-Anforderung ergibt.