Signalverarbeitungsverfahren für ein blockweise codiertes Au- diosignal . in einem Audio-Nachrichtenübertragungssystem

In Nachrichtenübertragungssystemen mit einer Nachrichtenüber¬ tragungsstrecke zwischen einer Nachrichtenquelle und einer Nachrichtensenke werden zur Nachrichtenverarbeitung und - Übertragung Sende- und Empfangsgeräte verwendet. Die von der Nachrichtenquelle erzeugte Nachricht wird von dem Sendegerät über einen Nachrichtenkanal dem Empfangsgerät übertragen, das die empfangene Nachricht anschließend an die Nachrichtensenke abgibt . Die Nachrichtenverarbeitung und -Übertragung kann dabei in einer bevorzugten Übertragungsrichtung oder in bei¬ den Übertragungsrichtungen (Duplexbetrieb) erfolgen.

"Nachricht" ist ein übergeordneter Begriff, der sowohl für den Sinngehalt (Information) als auch für die physikalische Repräsentation (Signal) steht. Signale können z. B.

(1) Bilder,

(2) gesprochene Wörter,

(3) geschriebene Wörter,

(4) verschlüsselte Wörter oder Bilder repräsentieren. Die Übertragungsart gemäß (1) ... (3) ist da¬ bei normalerweise durch kontinuierliche (analoge) Signale charakterisiert, während bei der Übertragungsart gemäß (4) gewöhnlich diskontinuierliche Signale (z. B. Impulse, digita¬ le Signale) entstehen.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Übertragung von Audio-Nachrichten wie beispielsweise Sprach- oder Musik¬ nachrichten.

Als mögliche Signalformen für ein Audio-Nachrichtenübertra¬ gungssystem treten entweder kontinuierliche Signale (reine Analogsignale) oder eine Mischung aus kontinuierlichen und

diskontinuierlichen Signalen unter Verwendung von A/D- bzw. D/A-Wandlern auf. Für die Funktionen "Senden" und "Empfangen" sind jeweils nachrichtentypspezifische Geräte erforderlich. Die Frage, welche dieser Geräte letztlich eingesetzt werden, hängt unter anderem auch davon ab, welcher Nachrichtenkanal in dem Audio-Nachrichtenübertragungssystem zugrundegelegt wird. Die vorliegende Erfindung bezieht sich daher vorrangig auf Telekommunikationssysteme, die einen drahtlosen Telekom¬ munikationskanal aufweisen.

Telekommunikationssysteme mit einer derartigen Struktur sind beispielsweise Schnurlostelefone nach dem DECT-Standard (ßigital jϊuropean C_ordless Telecommunication; vgl. European Telecommunication Standard - Final Draft -, prETS 300 175/1, 5/1992, Teil 1 bis 4, ETS-Institute 06921 Sofia Antipoleε,

France und Philips Telecommunication Review: "DECT, Universal Cordless Access System", Vol. 49, Nr. 3, 09/1991, Seiten 68 bis 73) oder Mobilfunktelefone nach dem GSM-Standard (Qroupe ≤peciale Mobile oder Gobal Systems for Mobile Communication,- vgl. Informatik Spektrum, Springer Verlag Berlin, Jg. 14,

1991, No. 3, Seiten 137 bis 152, "Der GSM-Standard - Grund¬ lage für digitale europäische Mobilfunknetze") .

Das DECT-Schnurlostelefon und das GSM-Mobilfunktelefon sind Audio-Nachrichtenübertragungssysteme, in denen blockweise co¬ dierte Audiosignale - z. B. nach dem TDMA- bzw. CDMA-Verfah¬ ren (Time Division Multiple Access bzw. C_ode ßivision Multi¬ ple Access) codierte Signale - verarbeitet werden. Die mit diesen Telefonen übertragene Nachricht besteht gemäß der vor- stehenden Definition von Nachrichtentypen in der Regel aus einer Mischung von kontinuierlichen und diskontinuierlichen Signalen. Diese Signalmischung entsteht dabei durch die Ver¬ wendung von Analog/Digital- bzw. Digital/Analog-Wandlern.

Figur 1 zeigt ein DECT-Schnurlostelefon mit einer Schnurlos- Basisstation FT (£ixed Jermination) , der für die Schnurlos- Telekommunikation über einen Funkkanal FK maximal zwölf

Schnurlos-Mobilteile PT1...PT12 (£ortable Jermination) zuge¬ ordnet sind. Schnurlos-Basisstationen mit einem solchen Auf¬ bau sind unter der Produktbezeichnung "Gigaset 952" - vgl. DE-Z: Funkschau 12/1993, Seiten 24 und 25; "Digitale Freiheit - Gigaset 952: Das erste DECT-Telefon"; Autor: G. Weckwerth - 1993 auf dem Markt eingeführt worden. Dieser Aufbau ist im wesentlichen auch aus der DE-Z: Funkschau 10/1993; Seiten 74 bis 77; Titel: "Digital kommunizieren mit DECT-DECT-Chipsatz von Philips"; Autor: Dr. J. Nieder und der WO 94/10812 (Figur 1 mit der dazugehörigen Beschreibung) vorbekannt.

Figur 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau des DECT-spezifischen Schnurlos-Mobilteils PT1...PT12, wie es für die Übertragung von Sprachnachrichten in dem Schnurlostelefon verwendet wird. Schnurlos-Mobilteile mit einem solchen Aufbau sind ebenfalls unter der Produktbezeichnung "Gigaset 952" - vgl. DE-Z: Funk¬ schau 12/1993, Seiten 24 und 25; "Digitale Freiheit - Gigaset 952: Das erste DECT-Telefon"; Autor: G. Weckwerth - 1993 auf dem Markt eingeführt worden. Dieser Aufbau ist im wesentli- chen auch aus der DE-Z: Funkschau 10/1993; Seiten 74 bis 77; Titel: "Digital kommunizieren mit DECT-DECT-Chipsatz von Philips"; Autor: Dr. J. Nieder und der WO 94/10812 (Figur 1 mit der dazugehörigen Beschreibung) vorbekannt.

Für die Übertragung von Sprach- und/oder Musiksignalen (Au¬ diosignale) mit dem DECT-Schnurlostelefon werden blockorien¬ tierte Codierverfahren als Zeitmultiplexverfahren (TDMA-Ver- fahren) eingesetzt, um zum einen eine Korrelation zwischen zeitlich aufeinanderfolgenden Signalabschnitten zur Datenre- duktion auszunutzen und/oder zum anderen eine blockorientier¬ te Fehlersicherung durch Parity-Bits vorzunehmen.

In im Zeitmultiplexverfahren arbeitenden Funkübertragungssy¬ stemen, bei denen die Information eines Zeitintervallε mit erhöhter Datenrate in Blöcken oder Bursts über die Funk¬ strecke übertragen wird, ist nicht zu verhindern, daß an den Reichweitegrenzem des Systems oder bei einer Störung der

Übertragungsstrecke einzelne Signalblöcke fehlerhaft übertra¬ gen werden. Wenn die Fehleranzahl so hoch ist, daß ein vom Empfänger empfangener Signalblock nicht sicher als zu diesem Empfänger gehörig erkannt werden kann, so wird dieser Signal- block ausgewiesen. Dies führt zu einer Unterbrechung in der übertragenen Information.

Im Umgang mit solchen als fehlerhaft erkannten und ausgewie¬ senen Signalblöcken gibt es empfängerseitig mehrere Möglich- keiten.

Eine erste, aus der WO 94/10769 bekannte Möglichkeit besteht darin, den entsprechenden, als fehlerhaft erkannten Signal- block "stumm zu schalten", d. h. den Code beispielsweise durch eine Folge von Nullwerten entsprechend zu verändern. Diese Methode wird heute bei digitalen DECT-Schnurlostelefo- nen, wie dem Gigaset 952, angewendet.

Eine zweite Möglichkeit der Fehlerkorrektur besteht darin, davon auszugehen, daß der auftretende Fehler nur gering sein wird. Hierbei gilt es aber zu unterscheiden, ob anhand des Algorithmus erkennbar ist, wie wichtig die jeweils gestörten Bits sind. Bei einer herkömmlichen linearen Codierung würde beispielsweise ein gestörtes niederwertiges Bit (LSB = Least ≤ignificant Bit) kaum hörbare Fehler produzieren, während ein fehlerhaft gesetztes hδherwertiges Bit (MSB = Most ≤ignifi- cant lit) starke Sprünge im Übertragungssignal und damit knackartige Störungen erzeugen würde. Indes ist nicht in al¬ len Fällen ohne weiteres erkennbar, wie stark die einzelnen zu erwartenden Störungen sein werden.

Ein ganz anderer Weg bei der Fehlerkorrektur von gestörten Audiosignalen wird in den Druckschriften: (1) A. Papoulis: "A new algorithm in Spectral Analysis and Band-Limited Extrapolation"; IEEE Transactions on

Circuits and Systems, Band 22 (9), Seiten 735 ff., 1975 und

(2) R. Sottek: "Modelle zur SignalVerarbeitung im menschli¬ chen Gehör"; Dissertation am Institut für elektrische Nachrichtentechnik, RWTH Aachen 1993 vorgeschlagen. Aus den genannten Druckschriften ist jeweils ein Verfahren bekannt, bei dem durch Störungen hervorgerufene Signalfehler des Audiosignales durch eine Interpolation des Signals verschleiert werden. Nachteilig bei dieser Methode ist zum einen der hohe technische Aufwand, der unter Umstän¬ den die komplette Rechenleistung eines heute marktüblichen digitalen Signalprozessors (DSP = Digital Signal P_rocessor) verlangt und zum anderen die algorithmische Verzögerung des Signals notwendig macht, falls über die Fourier-Tranεforma- tion im Frequenzbereich gearbeitet wird. Diese Verzögerung wäre beispielsweise bei der Telefonie, insbesondere der Schnurlostelefonie nicht tolerierbar.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, die Übertragungsqualität von blockweise codierten Audiosignalen in Audio-Nachrichtenübertragungssystemen beim Auftreten von Ubertragungsfehlem derart zu verbessern, daß der Bedarf an Rechenleistung und somit die Kosten minimal sind sowie keine zusätzliche Verzögerung des zu übertragenden Audiosignaleε auftritt.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches l gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in die nach einem Burstausfall entstehende Lücke, d. h. an die Stelle eines fehlenden Signalblockes im Audiosignal ein Substitutionssi¬ gnal ein- oder mehrmals eingefügt. Dieses Substitutionsεignal enthält zumindest einen Teil des dem gestörten Signalblock vorhergehenden Signalblockes, wobei der Anfang des Substitu¬ tionssignals phasenrichtig bzw. stetig an das Ende des vor- hergehenden Signalblockes anschließt.

Bei Audiosignalen (Musik- oder Sprachsignalen) besteht eine starke Korrelation zwischen Signalabschnitten, die zeitlich dicht beieinander liegen. Der Grund hierfür liegt darin, daß die Lauterzeugungsmechanismen (z. B. Seitenschwingung bei der Musikerzeugung, Bewegungen im Vokaltrakt bei der Spracherzeu¬ gung etc.) eine gewisse mechanische Trägheit aufweisen. Ver¬ gleicht man aufeinanderfolgende Signalabschnitte des Audiosi¬ gnals in der Größenordnung von 10 bis 20 ms, so stellt man fast immer eine sehr große Ähnlichkeit im Zeitsignal fest (Figur 3) .

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter¬ ansprüchen angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Figuren 3 bis 5 erläutert. Es zeigen:

Figur 3 ein in mehrere Zeitabschnitte eingeteiltes Sprachsi¬ gnal de Vokalε "a",

Figur 4 ausgehend von der Figur 2 die modifizierte Topologie des Schnurlos-Mobilteils PT zur Verbesserung der Übertra¬ gungsqualität von TDMA-spezifischen (Time Division Multiple Access) , DECT-Sprachsignalen in DECT-Schnurlostelefonen beim Auftreten von Übertragungsfehlern,

Figur 5 das aus Fig 3 bekannte Sprachsignal deε Vokals "a", bei dem ein fehlender Signalblock gemäß der Erfindung ersetzt wurde.

Figur 3 zeigt den zeitlichen Verlauf eines Sprachsignals SS _a für den Vokal "a", das in mehrere (10 ms) -Signalabεchnitte eingeteilt ist. Bei dieser zeitlichen Einteilung des Sprach¬ signals SS _a wird die Ähnlichkeit von benachbarten Zeitab- schnitten sichtbar. Diese Korrelation zwischen Teilstücken des Sprachsignales SS _a , die dicht beieinander liegen, ist da-

durch gegeben, daß die Lauterzeugungsmechanismen (Bewegungen im Vokal rakt) eine gewisse mechanische Trägheit aufweisen.

Figur 5 zeigt ausgehend von der Figur 2 die modifizierte To- pologie des Schnurlos-Mobilteils PT zur Verbesserung der Übertragungsqualität von TDMA-spezifischen (lime Division Multiple Access) DECT-Sprachsignalen in DECT-Schnurlostele- fonen beim Auftreten von Ubertragungsfehlem. Die Übertra¬ gungsfehler treten häufig in Grenzbereichen bei der Funknach- richtenübertragung der DECT-Schnurlostelefone auf, so daß es in diesen Bereichen zu DECT-spezifischen Burst- bzw. Informa¬ tionsverlusten kommt.

Das modifizierte Schnurlos-Mobilteil PT weist dazu eine Um- schaltlogik UL auf, die auf einer Ubertragungsstrecke US des Schnurlos-Mobilteils PT von einer Antenne ANT mit einem nach¬ geschalteten Funkteil FKT (Sender/Empfänger) zu einer Hörkap¬ sel HK in Empfangsrichtung bzw. von einem Mikrofon MIK zur Antenne ANT in Senderichtung - zwischen einer Signalsteue- rungseinrichtung BMC (Burst Mode Controller) und einer

Signalumformungseinrichtung SUE (Codec, AD/DA-Wandler) ange¬ ordnet ist.

Der Umschaltlogik UL zugeordnet ist eine Sensorschaltung SS. Weiter sind eine Rechenstufe RS und ein Speicher SP vorgese¬ hen, die miteinander und jeweils selbst mit der Umschaltlogik UL verbunden sind.

Die alle 10 ms von einem Sender ausgesendeten Signalblöcke (Bursts) werden vom Empfänger des Funkteils FKT empfangen. Diese Signalblöcke entsprechen den in den Fig. 3 bzw. 5 dar¬ gestellten Signalabschnitten mit einer Dauer von jeweils 10 ms. Die im Signalblock enthaltenen ADPCM-Datenworte, die daε übertragene Audiosignal repräsentieren, werden in der dem Funkteil FKT nachgeschalteten Signalsteuerungseinrichtung BMC in PCM-Datenworte umgewandelt und über die Umschaltlogik UL an die Signalumformungseinrichtung SUE weitergeleitet. In der

Signalumformungseinrichtung SUE werden die PCM-Datenworte in analoge FrequenzSignale gewandelt, die mit der Hörkapsel HK in akustische Schwingungen umgewandelt und damit hörbar ge¬ macht werden.

Die PCM-Datenworte in jedem korrekt empfangenen Signalblock werden dabei gleichzeitig über die Umschaltlogik UL in den Speicher SP eingeschrieben.

Bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung werden nur die letzten 5 ms jedes korrekt empfangen Signalblockes im Speicher SP gespeichert. Bei dieser Ausführungsform weist der Speicher SP eine minimale Speichergröße von 40 Byte auf, da den 5 ms entsprechend 40 PCM-Datenworte gespeichert werden müssen.

Der Wert von 5 ms ist aus der für die Telefonübertragungen benutzten untersten Sprachfrequenz von ca. 200 Hz abgeleitet. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß mindestens eine vollständige Signalperiode der im aktuellen Audiosignal ent¬ haltenen Grundfrequenz zwischengeεpeichert iεt. Wenn das er¬ findungsgemäße Verfahren für andere Frequenzbänder angewendet wird, kann die Grundfrequenz variieren und die Speichertiefe des Speichers SP ist entsprechend anzupasεen.

In Abhängigkeit von der verwendeten TDMA-Struktur ist die zeitliche Lage der zu speichernden Abtaεtwerte derart zu wäh¬ len, daß eine εolche Signalperiode gespeichert wird, die mit dem Ende des Signalblockes endet.

Wenn der Verlust eines Signalblockeε (Burstverlust) von der Senεorεchaltung SS erkannt wird, dann wird von der Umschalt- logik UL unter Verwendung der Rechenεtufe RS und deε Spei¬ chers SP ein Subεtitutionssignal generiert und an die Signalumformungseinrichtung SUE weitergegeben. Bei der fol¬ genden Beschreibung wird auch auf die Fig. 5 bezug genommen.

In der Fig. 5 ist als Audiosignal das aus der Fig. 3 bekannte Sprachsignal SSa dargestellt. Das Sprachsignal SSa ist in mehrere 10 ms-Signalabschnitte eingeteilt, die jeweils einem Signalblock entsprechen. Es wird angenommen, daß der Signal- block zwischen 1280 und 1290 msec gestört ist. Dieser Zeitbe¬ reich ist in Fig. 5 durch einen Doppelpfeil gekennzeichnet.

Um diesen gestörten Signalblock zu ersetzen wird von der Re¬ chenstufe RS im Speicher SP dasjenige PCM-Datenwort im vor- hergehenden Signalblock (1270 bis 1280 msec) gesucht, welches mit dem letzten Datenwort des vorhergehenden Signalblocks am genauesten übereinstimmt, und zwischen dem und dem letzten Datenwort eine Signalperiode der Grundfrequenz des aktuellen Sprachsignals SSa liegt. Das bedeutet, daß zwischen den bei- den Datenworten mindestens zwei, aber nicht mehr als drei Nulldurchgänge liegen. Dieses gesuchte Datenwort ist in der Fig. 5 mit einem Pfeil markiert.

Die eben beschriebene Rechenoperation muß in der Rechenstufe RS innerhalb von 125 μsec erfolgen, d.h. der Zeit zwischen der Umwandlung von zwei PCM-Datenworten in das Analogsignal. Bei einem anderen linearen Codierverfahren muß die Rechenzeit aus der entsprechenden Abtastfrequenz abgeleitet werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird also in dem einem gestörten Signalblock vorangehenden Signalblock ein Substitu- tionεεignal gesucht, welches stetig und damit phasenrichtig an das Signalende im vorhergehenden Signalblock anschließt. Bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform entspricht die Dauer des Substitutionssignals einer Signalperiode der Grundfre¬ quenz des aktuellen Sprachsignals bzw. Audiosignals.

Die dem Substitutionssignal entsprechenden Datenworte des vorhergehenden Signalblocks werden während der Zeitspanne von 1280 bis 1290 ms (siehe Fig. 5) an die Signalumformungsein¬ richtung SUE gegeben. Hierzu muß das Substitutionssignal bei¬ spielsweise bei einer aktuellen Grundfrequenz von 200 Hz

zweimal während der Dauer des gestörten Signalblocks wieder¬ holt werden.

Die Amplitude der Datenworte im Substitutionssignal wird bei der Abgabe an die Signaluttiformungseinrichtung SUE innerhalb der Zeitspanne des gestörten bzw. verschleierten Signal- blockeε kontinuierlich verringert. Die jeweilige Reduzierung ist von Ausgangsamplitude abhängig und wird so berechnet, daß nach spätestens 10 msec bzw. 80 PCM-Datenworten, d.h. am Ende des gestörten Signalblockes, der Wert für die Amplitude des letzten Datenwortes dem Wert für "Ruhe" entspricht.

Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung werden die zwi¬ schengespeicherten Datenworte, nach dem sie an die Signalum- formungseinrichtung SUE gegeben wurden, jeweils um einen Wert verkleinert und als neue Datenworte im Speicher SP abgelegt. Dieser Wert ist so gewählt, daß zum Ende des Signalblockes ein Datenwort erreicht wird, das dem Ruhesignal entspricht.

In TDMA-System mit von 10 ms abweichender Rahmenlänge kann die hier gewählte Wiederholzeit von 10 ms der Rahmenlänge entsprechend angepaßt werden.