DE1067063B

DE1067063B - Pulse-Code-Modulationssystem

Info

Publication number: DE1067063B
Application number: DENDAT1067063D
Authority: DE
Inventors: Dr. Horst Beger Dipl.-Ing. BeIa Betzenhammer und Dipl.-Math. Ernst Henze Ulm/Donau Dr.-In<g. Wilhelm T. Runge
Original assignee: Telefunken AG
Current assignee: Telefunken AG
Priority date: 1958-03-07
Publication date: 1959-10-15
Also published as: US2970281A; FR1218272A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

KL.21B¹ 36 ,

INTERNAT. KL. H 03 k

AUSLEGESCHRIFT 1067 063

T 14852 VIII a/21a¹

ANMELDETAG: 7. MÄRZ 1958

B EKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UND AUSGABE DER AUSLEGESCHRIFT: 15. O KTO B E R 1959

Es ist bekannt, daß ein Signal, das aus einer stetig verlaufenden Zeitfunktion besteht, z. B. ein Sprachsignal, nach einer Amplituden- und Zeitquantisierung (Pulse-Code-Modulation) als eine Folge von Dualzahlen, also als eine Folge von n-stelligen Gruppen binärer Schritte dargestellt werden kann. Ist ein solches Signal z. B. in 2" Amplitudenstufen quantisiert worden, so wird jede dieser Amplitudenstufen durch eine n-stellige Dualzahl' dargestellt. Bei der üblicherweise verwandten Zuordnung entspricht jeder Amplitudenstufe genau die dazugehörige Dualzahl. Ein Beispiel soll das erläutern. Bei einem achtstufig quantisierten Sprachsignal, d.h.»einem 2³-stufigen Signal, entsprechen den Amplitudenstufen 0, 1, 2 ... 7 genau die dreistelligen Dualzahlen.000, 0OL, OLO . .. LLL, und zwar in der Zuordnung-so, daß etwa der Amplitudenstufe 5 genau die dual dargestellte Zahl 5 entspricht, das ist LOL. Bei dieser, üblichen Art der Zuordnung trägt nun die erste Stelle der Dualzahl, d. h. die Stelle mit der höchsten Wertigkeit (im vorstehenden Beispiel die Wertigkeit 2² = 4), den Hauptanteil der Information. Aus der Kenntnis dieser Stelle heraus ist doch schon abzulesen, ob sich das Signal in der unteren Hälfte oder in der oberen Hälfte des Wertevorrats befindet. Deutet man die Mitte des Signals, bei diesem Beispiel die Stufe 3, als Nullinie, so ist aus der ersten Stelle der Dualzahl, aus dem ersten bit, die Polarität des Signals abzulesen. Normiert man die Gesamtinformation eines mit n-stelligen Dualzahlen in üblicher Weise codierten Signals auf Eins, so trägt der erste bit allein schon die Information Z₁=2"—V2ⁿ-1, und das ist für alle endlichen η schon mehr als die Hälfte. Ein Sprachsignal, dessen Polarität man kennt und allein überträgt, ist aber praktisch schon voll verständlich.

Nach einem bekannten Verfahren zur Codierung werden die Codezeichen einem nach Amplitudenstufen geordneten Wertevorrat derart zugeordnet, daß bei Verlust eines Impulses die dadurch entstehende Werteänderung möglichst gering ist. Das hat zur Folge, daß in einem solchen Codealphabet die Codezeichen nach der Anzahl der darin enthaltenen Impulse geordnet sein müssen. Die Reihenfolge der einzelnen Impulsgruppen ist durch die Aufgabenstellung zur Verringerung der Störanfälligkeit durch Ausgleich der Ungleichwertigkeit der Impulse zwingend vorgeschrieben. Nur innerhalb der einzelnen Gruppen können Umstellungen vorgenommen werden, ohne daß der maximal mögliche Fehler bei Verlust eines Impulses wieder vergrößert wird.

Auch ein weiteres bekanntes Verfahren zur Aufstellung redundanter Fernschreibcodes hat zum Ziel, auftretende Fehler direkt erkennbar zu machen im Gegensatz zur vorherrschenden Problemstellung bei Pulse-Code-Modulationssystem

Anmelder:

Telefunken G.m.b.H.,
Berlin NW 87, Sickingenstr.71

Dr.-Ing. Wilhelm T. Runge, Dr. Horst Beger,

Dipl.-Ing. BeIa Betzenhammer

und Dipl.-Math. Ernst Henze, Ulm/Donau,

sind als Erfinder genannt worden

der Erfindung, den Informationsinhalt möglichst gleichmäßig auf die einzelnen Impulse des Binärcodes zu verteilen, um eine einfache, möglichst sichere Geheimverschlüsselung zu gewährleisten.

Gemäß der Erfindung wird für ein Pulse-Code-Modulationssystem, bei dem jeder der 2" Amplitudenstufen eines Signals eine n-stellige Binärzahl zugeordnet ist, vorgeschlagen, daß der Informationsinhalt des Signals dadurch möglichst gleichmäßig auf die einzelnen Stellen der Binärzahl verteilt ist, daß alle Binärzahlen mit einer geraden Anzahl von Nullen der ■einen Hälfte und alle Binärzahlen mit einer ungeraden Anzahl von Nullen der anderen Hälfte des nach der Stufenhöhe geordneten Wertevorrats der Amplitudenstufen zugeordnet sind. Um bei einer derartigen Zuordnung die Polarität des Signals zu erkennen, muß man sämtliche Stellen jeder einzelnen Dualzahl kennen, so daß eine Decodierung durch Entschlüsselung nur der ersten Stelle nicht mehr möglich ist.

Ein derartiges Verfahren ist besonders dann von großem Vorteil, wenn zusätzlich zur Codierung eine Geheimverschlüsselung der Signale vorgenommen werden soll. Derartige Verschlüsselungen werden z. B. durch die Addition von beliebigen Zahlenreihen zu den die codierte Nachricht darstellenden Dualzahlen durchgeführt, und der unberufene Entzifferer könnte bei Verwendung der in üblicher Weise codierten Sprache sich auf die Entschlüsselung jeweils nur der ersten Stelle jeder Binärzahl beschränken, um bereits ein verständliches Signal zu erhalten. Bei der Codierung gemäß der Erfindung müssen bei der Entzifferung jedoch sämtliche Stellen jeder Binärzahl entziffert werden, weil die Polarität des Signals erst nach Entschlüsselung aller Dualstellen erkennbar ist.

Um die Unterschiede der erfindungsgemäßen Codierung gegenüber der üblichen Codierung klarer zu erläutern, soll ein einfaches Beispiel für eine acht-

stufige Pulsc-Code-Modulation an Hand der nachstehenden Tabelle näher betrachtet werden:

Amplitudenstufen	Normale Codierung	Vorgeschlagene Codierung
7	LLL	OLO
6	LLO	LLL
5	LOL	LOO
4	LOO	0OL
3	OLL	OLL
2	OLO	LOL
1	0OL	000
0	000	LLO

In der ersten Spalte der Tabelle sind die acht Amplitudcnstufcii von 0 bis 7 angegeben und in der zweiten Spalte die übliche Binärcodierung, wie sie z. B. durch Verwendung einer an sich bekannten Codierungsröhre erzielt wird. Man sieht, daß schon aus der ersten Binärstelle zu erkennen ist, ob die Amplitudenstufe zur oberen oder der unteren Hälfte des Wertevorrats gehört.

In der dritten Spalte der Tabelle ist eine mögliche Codierung gemäß der Erfindung dargestellt, bei der sämtliche Dualzahlen mit einer ungeraden Anzahl von Nullen der unteren Hälfte des Werfevorrats und die Dualzahlen mit einer geraden Anzahl von Nullen der oberen Hälfte des Wertevorrats zugeordnet sind.

Eine Lochplatte für eine an sich bekannte Codierungsröhre würde etwa die in der Zeichnung dargestellte Form besitzen. Wie bekannt, streicht über eine solche Lochplatte ein Kathodenstrahl hinweg, der in der y-Richtung, entsprechend der momentan darzustellenden Amplitudenstufe, abgelenkt ist und in der jf-Richtung z. B. durch eine sägezahnförmige Spannung periodisch über die Platte geführt wird. Hinter der Platte befindet sich eine Auffangelektrode, an der die die Codierung darstellenden Binärzahlen in Form von dreistelligen Impulskombinationen auftreten. Man erkennt, daß bei der in der Zeichnung dargestellten Lochkombinntion gerade die in Spalte 3 der Tabelle wiedergegebenen Impulskombinationen für die einzelnen Amplitudenstufen auftreten, wobei eine Eins (L) jeweils dem Auftreten eines Stromimpulses, eine Null (0) dem Fehlen eines Stromimpulses entspricht.

Um die vorgeschlagene Zuordnung für eine n-stelligo Dualcodierung herzustellen, geht man folgendermaßen vor:

Bekanntlich gibt es bei den 2" »-stelligen

zahlen (¹O) = 1 mit nur binären Nullen, (ϊ) mit je einer binären Eins, (3) mit je zwei binären Einsen, allgemein (J) mit je k binären Einsen und n — k binären Nullen. Diese Anzahlen machen gerade die «.-te Zeile des bekannten Pascalschen Zahlendreiecks aus. Schreibt man diese hin, so lautet sie:

/l.\. ln\. l»\. In \. lii\. Iu \. . In \. In\

Um nun die allein nötige Einteilung in die obere oder untere Hälfte des Zuordnungsschemas vorzunehmen, hat man nur jede zweite der Zahlen herauszustreichen. Die stehengebliebenen Zahlen bedeuten Anzahlen von Dualzahlen (J) mit je k binären Einsen. Diese hat man z. B. in die obere Hälfte des Zuordnungsschemas zu setzen, die vorhin fortgestrichenen Anzahlen von Dualzahlen in die untere Hälfte. Bis auf die Vertauschung der oberen und unteren Hälfte

ao bzw. die je (2""··¹)! Permutation der Dualzahlen in jeder der beiden Hälften ist die Aufstellung der gewünschten Zuordnung eindeutig. In jeder Halbspalte der Aufstellung sind gleich viele binäre Nullen und Einsen vorhanden, und die Änderung irgendeines bits führt von einer Dualzahl in einer Hälfte zu einer Dualzahl in der anderen Hälfte der Aufstellung.

Claims

Patentansprüche

1. Pulse-Code-Modulationssystem, bei dem jeder der 2" Amplitudenstufen eines Signals eine ra-stellige Binärzahl zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Informationsinhalt des Signals dadurch möglichst gleichmäßig auf die einzelnen Stellen der Binärzahlen verteilt ist, daß alle Binärzahlen mit einer geraden Anzahl von Nullen der einen Hälfte und alle Binärzahlen mit einer ungeraden Anzahl von Nullen der anderen Hälfte des nach der Stufenhöhe geordneten Werte\'orrats der Amplitudenstufen zugeordnet sind.

2. Pulse-Code-Modulationssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Information über die Polarität des Signals gleichmäßig auf alle η Dualstellen der 2" Binäfzahlen verteilt ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Archiv für elektr. Übertragung, 1954, S. 132 bis 136; SEG-Nachrichten, 1956, Heft 4, S. 174 bis 180.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen