DE1135034B

DE1135034B - System for transmission of message signals according to the principle of pulse code modulation

Info

Publication number: DE1135034B
Application number: DEK37114A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Wolfgang Andrich; Dr-Ing Karl Kuepfmueller
Original assignee: KARL KUEPFMUELLER DR ING; WOLFGANG ANDRICH DIPL ING
Current assignee: KARL KUEPFMUELLER DR ING; WOLFGANG ANDRICH DIPL ING
Priority date: 1959-02-28
Filing date: 1959-02-28
Publication date: 1962-08-23

Description

Anlage zur Übertragung von Nachrichtensignalen nach dem Prinzip der Pulscodemodulation Es ist bekannt, daß die Pulscodemodulation extreme Sicherheit gegen Störgeräusche bietet. Soweit es sich um die Übertragung kontinuierlich variabler Informationen handelt, also um Nachrichtenfunktionen wie insbesondere der Sprache, hat die Pulscodemodulation stets eine Quantisierung der anfallenden Größen, in der Regel Impulsamplituden, zur Voraussetzung. Hierdurch wird die bekannte Quantisierungsverzerrung eingeführt, die es selbst bei im übrigen idealer, verzerrungsfreier und störungsfreier Übertragung nicht erlaubt, die Nachrichtenfunktion verzerrungsfrei wiederherzustellen.System for the transmission of message signals according to the principle of Pulse Code Modulation It is known that pulse code modulation is extremely secure offers against background noise. As far as the transmission is continuously variable Information is concerned, i.e. message functions such as language in particular, the pulse code modulation always has a quantization of the resulting quantities in which Usually pulse amplitudes are a prerequisite. This causes the well-known quantization distortion introduced that it is even with otherwise ideal, distortion-free and interference-free Transmission not allowed to restore the message function without distortion.

Die Quantisierungsverzerrung wird um so größer, je geringer die Zahl der Quantisierungsstufen ist. Es hat sich bei der Sprachübertragung herausgestellt, daß z. B. vierundsechzig Stufen eine gute übertragungsqualität gewährleisten, während mit acht Stufen nur noch eine mäßige Fernsprechqualität erreichbar ist.The smaller the number, the greater the quantization distortion the quantization levels is. It has been found in the voice transmission that z. B. sixty-four levels ensure a good transmission quality while only a moderate telephone quality can be achieved with eight levels.

Es gibt nun Anwendungsfälle, bei denen man bereit ist, zu Gunsten anderer Vorteile nur sehr geringe Ansprüche an .die Übertragungsqualität zu stellen.There are now use cases where one is willing to favor other advantages only very low demands on the transmission quality.

Die Hauptrolle spielt hier die benötigte übertragungsbandbreite, die eng mit der Zahl der Quantisierungsstufen verknüpft ist.The main role here is played by the required transmission bandwidth is closely related to the number of quantization levels.

In den meisten Fällen erfolgt die Übertragung der quantisierten Amplitudenwerte in Form von Binärzahlen, die durch einzelne kurze Impulse dargestellt werden. Je größer nun die Zahl der zu unterscheidenden Amplitudenwerte ist, desto mehr Codeelemente (Impulse) umfassen die den einzelnen Werten zugeordneten Codesignale. Folglich sind in der Zeiteinheit insgesamt um so mehr Impulse zu übertragen, je größer die Zahl der Quantisierungsstufen ist. Also benötigt der einzelne Übertragungskanal ein entsprechend breites Band.In most cases, the quantized amplitude values are transmitted in the form of binary numbers, which are represented by individual short pulses. Ever The greater the number of amplitude values to be distinguished, the more code elements (Pulses) comprise the code signals assigned to the individual values. Hence are The larger the number, the more pulses to be transmitted in the unit of time the quantization levels is. So the individual transmission channel needs a corresponding one wide band.

Kommt es nun darauf an, einen vorhandenen Übertragungsweg ganz besonders gut im Mehrkanalbetrieb auszunutzen - etwa ein teures Seekabel -, und kann man sich unter Beibehaltung sicherer, fremdstörungsfreier Übertragung mit einer relativ niedrigen Übertragungsgüte begnügen, so werden Quantisierungssysteme mit extrem kleiner Stufenzahl bzw. Schwellenzahl interessant, weil diese nur ein geringes Band beanspruchen.It now comes down to an existing transmission path in particular good to use in multi-channel operation - such as an expensive submarine cable - and you can while maintaining secure, interference-free transmission with a relatively low If the transmission quality is satisfied, quantization systems with an extremely small number of stages are used or threshold number interesting because they only take up a small band.

Anlagen mit kleiner Stufenzahl haben außerdem auch Vorteile hinsichtlich der aufzuwendenden Sendeenergie und dem an den Endstellen zu treibenden Aufwand - letzteres besonders bei Anwendung von Parallelcodern -,jedoch treten diese Gesichtspunkte gegenüber der Bandbreitenfrage zurück. Der Erfindung liegt die von den Erfindern gewonnene und in Versuchen erhärtete Erkenntnis zugrunde, daß die Übertragungsqualität im Bereich extrem kleiner Schwellenzahlen nicht einfach im Sinne der Wiedergabetreue nur eine Funktion eben der Schwellenzahl ist, sondern daß diskrete Schwellenzahlen den Vorzug verdienen.Systems with a small number of stages also have advantages in terms of the transmission energy to be used and the effort to be made at the terminals - the latter especially when using parallel coders -, however, these aspects arise back to the question of bandwidth. The invention lies with the inventors The knowledge gained and confirmed in experiments is based on the fact that the transmission quality in the area of extremely small threshold numbers, not simply in terms of fidelity is just a function of the threshold number, but that discrete threshold numbers deserve the privilege.

Dies liegt in erster Linie daran, daß in die übertragungsqualität bzw. Verständlichkeit in diesem Bereich niedriger Schwellenzahlen nicht nur die sich als eine Art Klirren auswirkenden Quantisierungsverzerrungen spürbar eingehen, sondern auch die in den Pausen zwischen den Sprachlauten auftretenden Störspannungen. Weiterhin hat sich erwiesen, daß auch die Wahl der Schwellenpotentiale und diejenige der Wiedergabeamplitude von Bedeutung für die Verständlichkeit sind.This is primarily due to the fact that in the transmission quality or understandability in this area of low threshold numbers not only the quantization distortions that are felt as a kind of clinking, but also the interference voltages occurring in the pauses between the speech sounds. Furthermore, it has been shown that the choice of threshold potentials and that the reproduction amplitude are important for intelligibility.

Als Folgerung aus den gewonnenen Erkenntnissen sind bei einer Anlage zur Übertragung von Nachrichtensignalen, wie z. B. Sprache, nach dem Prinzip der Pulscodemodulation zur Quantisierung der Signalamplituden weniger als sieben Stufen (Amplitudenbereiche) vorgesehen, und durch die Anordnung der Schwellenwerte ist eine ungerade Zahl von Stufen (gerade Zahl der Schwellen) eingestellt, insbesondere drei oder fünf Stufen (zwei oder vier Schwellen).As a consequence of the knowledge gained, in the case of a plant for the transmission of message signals, such as. B. Language, according to the principle of Pulse code modulation for quantizing the signal amplitudes less than seven levels (Amplitude ranges) provided, and by the arrangement of the threshold values is an odd number of levels (even number of thresholds) are set, in particular three or five levels (two or four thresholds).

Wie weiter unten nochmals festgestellt werden wird, geht die Einschränkung »weniger als sieben Stufen« nicht auf eine Diskontinuität zurück. Von sieben Stufen an aufwärts ergibt sich indessen aus der Wahl einer ungeraden Stufenzahl gegenüber einer geraden der erstrebte Vorteil hinsichtlich der übertragungsqualität nicht mehr in erheblichen Maße.As will be stated again below, the restriction works "Less than seven steps" does not go back to a discontinuity. Of seven levels an upwards results from the choice of an odd number of steps opposite one the desired advantage in terms of transmission quality no longer to a considerable extent.

Für die analoge übertragung von Sprache ist ein Zusammenhang zwischen der Begrenzung bzw. Unterdrückung kleinster Amplituden und der Verständlichkeit auf einer Fernsprechverbindung bereits bekannt. So ist ein Amplitudensieb angegeben worden, das eine Verbesserung der Verständlichkeit bei der Sprachübertragung mit Begrenzung großer Amplituden dadurch bewirkt, daß zusätzlich kleine Amplituden unterdrückt werden. Es stellt mithin eine Art Amplitudenbandpaß mit einem linearen Durchlaßbereich dar, innerhalb dessen die Sprachamplituden unquantisiert, also kontinuierlich, übertragen werden.For the analog transmission of speech there is a connection between the limitation or suppression of the smallest amplitudes and intelligibility already known on a telephone connection. An amplitude sieve is specified that an improvement of the intelligibility in the speech transmission with Limitation of large amplitudes has the effect that small amplitudes are also suppressed will. It therefore represents a kind of amplitude bandpass filter with a linear pass band within which the speech amplitudes are transmitted unquantized, i.e. continuously will.

Die Anlage nach der Erfindung hingegen arbeitet quantisiert und digital.The system according to the invention, on the other hand, works quantized and digital.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind die Schwellenwerte; d. h. die Abstände, in denen die Schwellen symmetrisch zum Bezugspotential liegen und, bei mehr als drei Stufen, die Größe der den Stufen zugeordneten Wiedergabeamplituden im Sinne bestmöglicher Verständlichkeit nach Maßgabe der maximalen Eingangsspannung gewählt. Es handelt sich also auch hinsichtlich der Lage der zudem konstanten Anzahl von Schwellen um eine Festlegung für ein bestimmtes System und nicht, wie bei einem bekannten Nachrichtensystem mit Quantisierung, um die Variierung der Zahl und Lage der Schwellen in Abhängigkeit vom momentanen Charakter der Nachricht. Auch diese bekannte Maßnahme dient allerdings, relativ zum Bandbreitenbedarf, letztlich der Verbesserung der übertragungsqualität und damit der Verständlichkeit, indem Zahl und Lage der Stufen bzw. Schwellen fortlaufend dem momentanen Bedürfnis angepaßt werden. Eine Bemessung im Sinne der vorliegenden Erfindung der den Stufen zugeordneten Wiedergabeamplituden liegt bei dem bekannten Nachrichtensystem nicht vor und läßt sich auch nicht daraus ableiten.According to a further development of the invention, the threshold values are; d. H. the distances at which the thresholds are symmetrical to the reference potential and, if there are more than three levels, the size of the playback amplitudes assigned to the levels in the sense of the best possible understandability in accordance with the maximum input voltage chosen. So it is also with regard to the position of the constant number of thresholds around a definition for a certain system and not how with one known messaging system with quantization to allow for the variation of the number and location the thresholds depending on the current character of the message. These too However, the known measure is ultimately used relative to the bandwidth requirement Improvement of the transmission quality and thus the comprehensibility by adding number and position of the steps or thresholds continuously adapted to current needs will. A dimensioning in the sense of the present invention is assigned to the stages Playback amplitudes are not present in the known communication system and cannot cannot be derived from it either.

An Hand der Diagramme der Zeichnung werden Erläuterungen zur Erfindung gegeben.Explanations of the invention are provided on the basis of the diagrams in the drawing given.

Mit ui ist die Eingangsamplitude (NF-Nachrichtenamplitude), mit u2 die Ausgangsamplitude (Wiedergabeamplitude) einer Quantisierungsschaltung bezeichnet.With ui is the input amplitude (LF message amplitude), with u2 denotes the output amplitude (reproduction amplitude) of a quantization circuit.

In den vier Diagrammen ist ui auf der Abszisse, u2 auf der Ordinate aufgetragen, und zwar in Gestalt der normierten Höchstwerte ± 1.In the four diagrams ui is on the abscissa, u2 on the ordinate plotted in the form of the standardized maximum values ± 1.

Bei ± x sind die Lagen der Schwellen eingetragen, ± y deutet die Wiedergabeamplituden an. Die Werte x und y sind nicht maßstäblich nach den später herausgestellten, bevorzugten Werten eingetragen, da dies zur Unübersichtlichkeit führen würde.The positions of the thresholds are entered at ± x, ± y indicates the playback amplitudes at. The values x and y are not to scale according to the preferred ones set out later Values, as this would lead to confusion.

Der Fäll einer Schwelle, dem das entsprechende Diagramm links oben gewidmet ist, gehört nicht mit zu der gemäß der Erfindung getroffenen Auswahl. Es soll lediglich im Vergleich zu den Diagrammen für geradzahlige Schwellenzahl gezeigt werden, welche Bedeutung das in den Sprechpausen auftretende Geräusch für die Verständlichkeit hat.The fall of a threshold, which is shown in the corresponding diagram at the top left is dedicated, does not belong to the selection made according to the invention. It should only be shown in comparison to the diagrams for even-numbered thresholds the importance of the noise occurring in the pauses in speaking for intelligibility Has.

Er entspricht einer vollkommenen Amplitudenbegrenzung, für die charakteristisch ist, daß auch in den Pausen zwischen den Sprachlauten die Störspannungen mit voller Amplitude am Ausgang auftreten. Am Rande sei erwähnt, daß die Verständlichkeit von Wörtern und Sätzen dennoch überraschend groß ist. So sind bei einer Begrenzung auf 2,5 % der Spitzenspannung noch Silbenverständlichkeitswerte von 70% bei einer gewöhnlichen Fernsprechverbindung festgestellt worden. Allerdings erfordert das Verstehen der stark verzerrten, mit Geräuschen durchsetzten Sprache eine gewisse Anstrengung.It corresponds to a complete limitation of the amplitude, which is characteristic of is that even in the pauses between the speech sounds the interference voltages with full Amplitude occur at the output. As an aside, it should be mentioned that the comprehensibility of Words and sentences is surprisingly large nonetheless. So are limited to 2.5% of the peak voltage and syllable intelligibility values of 70% for an ordinary one Telephone connection has been established. However, it requires understanding the heavily distorted, noisy speech required a certain amount of effort.

Solche Bereiche um das Null-Potential herum, in denen das Störgeräusch in den Sprechpausen am Ausgang auftritt, gibt es nun bei jeder ungeraden Schwellenzahl, wenn es auch bei ungeraden Schwellenzahlen größer als 1 durch die benachbarten Schwellen begrenzt wird.Such areas around the zero potential in which the background noise occurs in the speaking pauses at the exit, there is now for every odd threshold number, if it is also with odd threshold numbers greater than 1 through the neighboring thresholds is limited.

Wie das Diagramm rechts oben für zwei Schwellen zeigt, existiert bei gerader Schwellenzahl ein solcher Bereich um den Nullpunkt herum nicht. Vielmehr werden z. B. bei zwei Schwellen alle Eingangsamplituden, die zwischen -x und x1 liegen, unterdrückt. Dasselbe gilt entsprechend für vier Schwellen und sechs Schwellen (s. zugehörige Diagramme).As the diagram above right shows for two thresholds, there exists at an even threshold number does not have such a range around the zero point. Much more are z. B. with two thresholds all input amplitudes between -x and x1 lying, suppressed. The same applies accordingly to four thresholds and six thresholds (see associated diagrams).

Es hat sich nun weiter gezeigt, daß für die Verständlichkeit auch die Lage der Schwellen, im folgenden kurz Schwellenwerte genannt, von Bedeutung ist; wie auch die Größe der Wiedergabeamplituden, die man den einzelnen Stufen zuordnet. Unter Schwellenwerten werden hier die Abstände verstanden, in denen die Schwellen x symmetrisch zum Bezugspotential, d. h. in den Diagrammen symmetrisch zur Ordinate, liegen.It has now also been shown that for comprehensibility, too the position of the thresholds, hereinafter referred to as threshold values for short, is important is; as well as the size of the playback amplitudes that are assigned to the individual levels. Threshold values are understood here to mean the intervals at which the thresholds x symmetrical to the reference potential, d. H. in the diagrams symmetrical to the ordinate, lie.

Für zwei Schwellen ergibt sich als im Sinne der Verständlichkeit günstigster Schwellenwert für das Schwellenpaar x1, -x1 ungefähr 0,04. Diese Zahl ist ebenso wie die folgenden Angaben für die Werte x und y auf den normierten Höchstwert ± 1 der Eingangsspannung ui undAusgangsspannung u2 bezogen.For two thresholds it is found to be the most favorable in terms of comprehensibility Threshold value for the threshold pair x1, -x1 approximately 0.04. This number is also like the following data for the values x and y to the standardized maximum value ± 1 related to the input voltage ui and output voltage u2.

Für vier Schwellen (Diagramm links unten) sind folgende Werte zu empfehlen: -x1 ungefähr 0,04 x2 ungefähr 0,2.The following values are recommended for four thresholds (diagram below left): -x1 about 0.04 x2 about 0.2.

Hier kommt nun als weitere Variationsmöglichkeit diejenige für die -Wiedergabeamplitude y1 hinzu; das ist diejenige Amplitude, mit der Eingangsspannungen, die zwischen x1 und x2 liegen, am Ausgang gekennzeichnet werden. Beim vorliegenden Fall mit vier Schwellen ist die Wiedergabeamplitude y1 zweckmäßig zu 0,05 bis 0,1 zu wählen.Another possible variation is the one for them Playback amplitude y1 added; this is the amplitude with which the input voltages that lie between x1 and x2 are marked at the output. With the present In the case with four thresholds, the reproduction amplitude y1 is expediently 0.05 to 0.1 to choose.

Schließlich sei noch der Fall mit sechs Schwellen betrachtet. Hier ergeben sich folgende günstigste Schwellenwerte: XI: 0,04 bis 0,08 x.: 0,2 bis 03 x3 :0,4 bis 0;7 und folgende günstigste Wiedergabeamplituden: y1 : 0,05 bis 0,1 y2: 0,2 bis 0,3.Finally, consider the case with six thresholds. This results in the following best threshold values: XI: 0.04 to 0.08 x .: 0.2 to 03 x3: 0.4 to 0; 7 and the following best playback amplitudes: y1: 0.05 to 0.1 y2: 0 , 2 to 0.3.

Es ist interessant zu wissen, daß wegen der Unterdrückung der Störgeräusche in den Sprechpausen unter sonst gleichen Verhältnissen die Qualität der Übertragung bei Anwendung von zwei Schwellen besser ist als bei Anwendung von drei Schwellen.It is interesting to know that because of the noise suppression the quality of the transmission in the speaking pauses, all other things being equal when using two thresholds is better than when using three thresholds.

Verwendet man vier Schwellen und die oben angegebene zugehörige Bemessung, so hat man bereits eine recht beachtliche Verständlichkeit, und auch schwierigere Wörter sind vielfach leicht zu verstehen. Vorläufige Messungen der Verständlichkeit von sinnlosen Silben ergaben einen Wert von 65 %.Using four sleepers and the associated dimensioning given above, so one already has a quite considerable intelligibility, and also more difficult ones Words are often easy to understand. Preliminary measurements of intelligibility of meaningless syllables gave a value of 65%.

Bei höheren Schwellenzahlen nähern sich die Verhältnisse ziemlich rasch denen einer ungestörten Übertragung; indessen ist zunächst der Unterschied zwischen gerader und ungerader Schwellenzahl noch deutlich, um bei sechs Schwellen schon nicht mehr sehr ausgeprägt aufzutreten, so daß sich bei dieser Schwellenzahl schon kein ins Gewicht fallender Qualitätsunterschied bei Quantisierung mit gerader oder ungerader Schwellenzahl mehr ergibt. Daher wurden oben die zugehörigen Bemessungsangaben jeweils in Gestalt eines Spielraumes gemacht.At higher threshold numbers, the ratios get pretty close quickly to those of an undisturbed Transmission; meanwhile is first the difference between even and odd threshold numbers is still clear to see six thresholds are no longer very pronounced, so that this Threshold number already no significant quality difference in quantization results in more with an even or odd number of thresholds. Therefore, the related Dimensioning information is given in the form of a margin.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. System for the transmission of communication signals, such as B. Speech, according to the principle of pulse code modulation, characterized in that that for the quantization of the signal amplitudes less than seven steps (amplitude ranges) are provided, and that by the arrangement of the threshold values an odd number of levels (even number of thresholds) is set, in particular three or five Levels (two or four thresholds).

2. Transmission system according to claim 1, characterized characterized in that the threshold values, i. H. the distances at which the sleepers symmetrical to the reference potential and, if there are more than three levels, the size the playback amplitudes assigned to the levels for the best possible understanding are selected in accordance with the maximum input voltage.

3. Transmission system according to claim 2 with three stages, characterized in that the threshold value (x1, Diagram above right) is approximately 0.04 when the input voltage is at its maximum value ± 1 is normalized.

4. Transmission system according to claim 2 with five stages, characterized in that the threshold values are approximately (x1) 0.04 and (x2) 0.2 and the reproduction amplitude (y ) associated with the stage (x2, -x1) (y) 0.05 to 0 , 1 if the input and output voltage are normalized to the maximum value ± 1 (diagram below left). Documents considered: German Patent No. 857 818; Philips Techn. Rundschau, March 1952, pp. 257 to 266; Electrical communications engineering, 1936, Vol. 13, pp. 341 to 357.