DE69738401T2

DE69738401T2 - Fehlerverdeckung in einem digitalen audioempfänger

Info

Publication number: DE69738401T2
Application number: DE69738401T
Authority: DE
Inventors: Matti SYDÄNMAA; Mauri Väänänen; Aki Mäkivirta
Original assignee: Nokia Oyj
Current assignee: Nokia Oyj
Priority date: 1996-09-27
Filing date: 1997-09-26
Publication date: 2008-12-04
Anticipated expiration: 2017-09-27
Also published as: FI963870A0; US20020147590A1; EP1008247B1; EP1008247A1; US6687670B2; AU4387897A; JP2001501063A; AU727623B2; WO1998013965A1; FI963870A; CA2267079A1; DE69738401D1

Description

Die Erfindung betrifft im Allgemeinen die Erfassung und Verdeckung von Fehlern in einem Signal, das in digitaler Form von einem Sender an einen Empfänger gesendet wird. Insbesondere betrifft die Erfindung die Erfassung und Verdeckung von Übertragungsfehlern in einem Tonsignal, das in der Form von Rahmen durch einen digitalen Tonempfänger verarbeitet wird.
Die Übertragung eines digitalen Tonsignals in digitaler Form von einem Sender an einen Empfänger ist an sich bekannt, und sie ist immer häufiger anzutreffen, da digitale Fernseh- und Rundfunksysteme ältere Systeme ersetzen, die auf der analogen Frequenzmodulation basieren. Bekannte Telekommunikationsstandards, die sich mit der Übertragung von digitalen Tonsignalen beschäftigen, umfassen den ETS 300 401 Standard von der Union Europäischer Rundfunkanstalten EBU (European Broadcasting Union) und dem Europäischen Institut für Telekommunikationsstandards ETSI (European Telecommunications Standards Institute), sowie die ISO/IEC 11172-3 und ISO/IEC 13818-3 Standards von der Internationalen Organisation für Normung ISO (International Standard Organization) und der Internationalen Elektrotechnischen Kommission IEC (International Electrotechnical Commission). Diese Standards schreiben eine bestimmte Rahmenstruktur für die Übertragung eines digitalen Tonsignals vor. Der ETS 300 401 Standard, der auch digitaler Hörfunk- oder DAB (Digital Audio Broadcasting)-Standard genannt wird, schreibt eine Rahmenstruktur vor, welche gewissermaßen ein Sonderfall der Rahmenstruktur ist, die in den ISO/IEC 11172-3 und ISO/IEC 13818-3 Standards festgelegt ist, da er zusätzliche Spezifikationen enthält, welche Rahmenstrukturangaben betreffen, die in den früheren Standards offen gelassen wurden. Bei einer Tonsignalabtastfrequenz von 48 kHz basiert der DAB-Standard auf dem ISO/IEC 11172-3 Standard und bei einer Abtastfrequenz von 24 kHz auf dem ISO/IEC 13818-3 Standard. Um den Hintergrund der Erfindung zu veranschaulichen, wird die Struktur des Tonrahmens gemäß den zuvor erwähnten Standards und seine Verarbeitung in Sende- und Empfangsvorrichtungen im Folgenden kurz beschrieben.
1 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm einer Vorrichtung 1 gemäß den ISO/IEC 11172-3 und 13818-3 Schicht 2 Standards, welche DAB-Rahmen aus einem pulscodemodulierten (PCM) Tonsignal erzeugt. Die Vorrichtung umfasst einen Eingangsport 2, einen Ausgangsport 3 und dazwischen eine Filterbank 4, einen Quantisier- und Codierblock 5 und einen Rahmerzeugungsblock 6, die in Reihe geschaltet sind. Parallel zur Filterbank 4 gibt es einen psychoakustischen Modellblock 7, dessen Eingangssignal dasselbe wie das Filterbankeingangssignal ist. Die Ausgaben der Blöcke 4 und 7 werden zu einem Bitzuweisungsblock 8 gebracht, dessen Ausgabe das Quantisieren und Codieren in Block 5 steuert. Die Vorrichtung umfasst auch einen Datenport 9, derart dass programmbezogene Digitaldaten, die zu ihm gebracht werden, zum Rahmenerzeugungsblock 6 geführt werden, der die programmbezogenen Daten in die Rahmenstruktur einfügt.
2 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm einer Vorrichtung 10 gemäß den ISO/IEC 11172-3 und 13818-3 Schicht 2 Standards, welche die Rahmen, die durch den Sender erzeugt werden, der in 1 dargestellt ist, in ein pulscodemoduliertes Tonsignal decodiert. Sie umfasst einen Eingangsport 11, einen Ausgangsport 12 und dazwischen einen Rahmendecodierblock 13, einen Wiederherstellungsblock 14 und eine Umkehrfilterbank 15, die in Reihe geschaltet sind. Der Rahmendecodierblock 13 ist auch mit einem Datenport 16 verbunden, um programmbezogene Daten zu anderen Schaltungen der Empfangsvorrichtung zu bringen.
Das Tonsignal wird als Rahmen zwischen den Vorrichtungen gemäß 1 und 2 übertragen. Die Datenmenge in einem einzigen Rahmen entspricht einem 24 oder 48 ms langen Tonsignalteil. Zusätzlich zu den eigentlichen Tondaten enthält der Rahmen Kopfinformationen, Prüfsummen, Informationen in Bezug auf die Verarbeitung von Tondaten und programmbezogene Daten PAD (program associated data). Da die Übertragungswege nicht ideal sind, können in den Inhalten der Rahmen Fehler auftreten, welche den Betrieb des Empfängers in Abhängigkeit von der Stelle des Fehlers im Rahmen unterschiedlich beeinflussen.
3 stellt die Struktur eines Tonrahmens 17 gemäß dem DAB-Standard dar. Der Rahmen umfasst eine ganze Zahl von Acht-Bit-Bytes (nicht dargestellt). Er beginnt mit einem 32-Bit-Kopf 18, auf den ein 16-Bit-CRC-Wort 19 folgt. Die Länge des Bitzuweisungsteils 20 beträgt in Abhängigkeit vom Tonmodus (Einkanal, Zweikanal, Stereo, Joint Stereo) und der verwendeten Abtastfrequenz, sowie von der Bitrate, die zum Senden des Tonprogramms verwendet wird, 26 bis 176 Bits. EIN SCFSI-Teil enthält Befehle für die Interpretation des Skalenfaktorteils 22, der ihm folgt. Die Skalenfaktoren in Letzterem liefern Informationen darüber, wie die verschiedenen Teile des Signals auf der Rahmenerzeugungsstufe angehoben wurden. Jeder Skalenfaktor wird durch ein Sechs-Bit-Codewort (nicht dargestellt) gebildet, und die Anzahl von Codewörtern im Rahmen variiert gemäß der Menge von Änderungen, die es in den verschiedenen Teilen des Tonsignals während der Zeitdauer gibt, die durch den Rahmen gebildet wird. Teil 23 enthält die eigentlichen Abtastwerte, welche das abgetastete Tonsignal darstellen. Wenn die Bits, welche die Abtastwerte darstellen, die Länge des für sie reservierten Raums nicht füllen, wird der leere Teil mit Füllbits 24 gefüllt.
Am Ende des Rahmens 17, von rechts nach links in der Figur, gibt es ein festes Feld für programmbezogene Daten (F-PAD) 25, einen Fehlerschutz zur zyklischen Redundanzprüfung von Skalenfaktoren (SCF CRC) 26 für die Tondaten und ein erweitertes Feld für programmbezogene Daten (X-PAD) 27. Letzteres ist nicht unbedingt in jedem Tonrahmen enthalten. Gemäß dem ETS 300 401 Standard sind die Felder 25 und 27 für programmbezogene Daten zur Übertragung von Daten bestimmt, die mit den eigentlichen Tondaten, die im Rahmen enthalten sind, eng verbunden sind und die Synchronisierungsanforderungen hinsichtlich der Tondaten aufweisen können. Ihre Verwendung ist nicht obligatorisch. Die F-PAD- und X-PAD-Felder bilden zusammen den Teil der programmbezogenen Daten (PAD). Das F-PAD-Feld umfasst konkret einen Zwei-Bit-X-PAD-Indikator (nicht dargestellt), um anzugeben, ob der Rahmen ein X-PAD-Feld enthält, und, wenn dies der Fall ist, ob es ein sogenanntes kurzes Vier-Byte-X-PAD-Feld oder ein X-PAD-Feld veränderlicher Größe ist.
4 stellt einen Tonrahmenkopf 18 genauer dar, dessen Länge 32 Bits (vier Bytes) beträgt. Die folgende Beschreibung betrifft sowohl die ISO/IEC 11172-3 und ISO/IEC 13818-3 Standards als auch den DAB-Standard, so dass die Spezifikationen, die durch den DAB-Standard gefordert werden, getrennt erwähnt werden. Die ersten zwölf Bits bilden ein Synchronisierungswort 29, in welchem alle Bits Einsen sind. Das nächste Bit 30 ist ein sogenanntes ID-Bit, wobei der Wert "1" der Anwendung des ISO/IEC 11172-3 Standards entspricht, und der Wert "0" der Anwendung des ISO/IEC DIS 13818-3 Standards in der Tonsignalverarbeitung entspricht. Die Länge des Schichtenfelds 31 beträgt zwei Bits, und ihr Wert entspricht der Schicht des ISO/IEC 11172-3 Standards in Verwendung. Der DAB-Standard lässt die Werte "10" (Schicht 2) und "00" (reserviert für eine künftige Erweiterung) zu. Das Schutzbit 32 gibt an, ob es eine Prüfsumme im Rahmen gibt, und sein Wert ist gemäß dem DAB-Standard "0", was bedeutet, dass eine Prüfsumme verwendet wird. Das nächste Vier-Bit-Feld 33 stellt die Bitrate des Tonprogramms in Verwendung dar. Die ISO/IEC 11172-3 und ISO/IEC 13818-3 Standards lassen den Wert "111" in Feld 33 nicht zu. Außerdem lässt der DAB-Standard den Wert "0000" nicht zu. Das Abtastfrequenzfeld 34 umfasst zwei Bits, welche die Abtastfrequenz des pulscodemodulierten Originalsignals darstellen. Gemäß dem DAB-Standard sind die Werte "00" und "01" in diesem Feld 34 nicht zugelassen. Der Wert "01" entspricht einer 48-kHz-Abtastfrequenz, wenn das ID-Bit "1" ist, und einer 24-kHz-Abstastfrequenz, wenn das ID-Bit "0" ist. Der Wert "11" ist für eine künftige Erweiterung reserviert. Ein Füllindikatorbit 35 ist gemäß dem DAB-Standard "0", da es in dem Tonrahmen, der aus einem 48-kHz- oder 24-kHz-PCM- Signal gebildet ist, keine Füllbits gibt. Gemäß den ISO/IEC 11172-3 und ISO/IEC 13818-3 Standards ist Bit 35 "1", wenn es Füllbits im Tonrahmen gibt. Das Privat-Bit 36, das zur privaten Verwendung reserviert ist, hat gemäß den DAB-, ISO/IEC 11172-3 und ISO/IEC 13818-3 Standards keine Bedeutung.
Ein Zwei-Bit-Feld 37 gibt den Übertragungsmodus des Tonprogramms an, welcher Stereo ("00"), Joint Stereo ("01"), Zweikanal ("10") oder Einkanal ("11") sein kann.

Der Joint Stereo-Modus gemäß dem DAB-Standard ist auch als "Intensitätsstereomodus" bekannt. Bei einer Abtastfrequenz von 48 kHz stehen die Werte von Feld 37 und 33 derart in Beziehung zueinander, dass nur die folgenden Kombinationen zugelassen sind:

Bitrate (kbit/s)	Zugelassene Modi	Wert Feld 33	Wert Feld 37
32, 48, 56, 80	Einkanal	"0001", "0011", "0010", "0101"	"11"
224, 256, 320, 384	Stereo, Joint Stereo, Zweikanal	"1011", "1101", "1100", "1110"	"00", "01", "10"
64, 160, 96, 112, 128, 192	alle Modi	"0100", "0111", "1001", "0110", "1000", "1010"	alle Werte

Bei einer Abtastfrequenz von 24 kHz sind alle Modi bei allen Bitraten, die für 24 kHz festgelegt, sind, zugelassen.
Die Modusfelderweiterung 38, deren Länge ebenfalls zwei Bit beträgt, ist gemäß dem DAB-Standard nur von Bedeutung, wenn der Modusfeldwert "01" ist, d. h. der Joint Stereo-Modus in Verwendung ist. Dann zeigt der Wert des Erweiterungsfelds 38 gemäß einer bestimmten Tabelle an, welche der 32 Teilbänder des Signals im Intensitätsstereomodus sind. Das folgende Copyright-Bit 39 ist "0", wenn das übertragene Tonprogramm nicht copyrightgeschützt ist, und "1", wenn das Programm durch einen Copyrightschutz gedeckt ist. Der Wert "1" des Kopie-Bits 40 gibt an, dass das übertragene Programm eine Originalaufzeichnung ist, und der Wert "0" gibt an, dass das Programm eine Kopie ist. Der Wert des Emphase-Felds 41 entspricht gemäß dem ISO/IEC 11172-3 der Emphase, die bei der Codierung des Programms verwendet wird. Der DAB-Standard lässt keine Emphase zu, so dass gemäß dem DAB-Standard der Wert des Feldes 41 stets "00" ist.
Für die Verarbeitung von Abtastwerten und die Erzeugung von Rahmen teilt der ISO/IEC 11172-3 oder ISO/IEC 13818-3 Codierer das pulscodemodulierte Originalsignal in 32 Teilbänder (siehe Filterbank 4 in 1). Für einen Rahmen liest der Codierer 36 Abtastwerte aus jedem Teilband aus und ordnet sie in drei Gruppen zu je 12 Abtastwerten an. Für jede Gruppe bestimmt der Codierer einen Skalenfaktor oder einen Koeffizienten zur Normierung der Teilbänder für die Übertragung. Die gegenseitige Beziehung der Größe der Gruppenskalenfaktoren bestimmt, ob der Codierer alle drei Skalenfaktoren in den zu sendenden Rahmen einfügt oder ob er die (Beinahe-)Übereinstimmung der Skalenfaktoren durch Einfügen nur eines oder zweier Skalenfaktoren in den Rahmen verwendet. Die Anzahl von Skalenfaktoren je Einzelteilband wird durch einen teilbandspezifischen SCFSI-Parameter dargestellt, auf den zuvor in der Beschreibung von 3 Bezug genommen wurde. Für jeden Skalenfaktor gibt es ein Sechs-Bit-Codewort im Rahmenskalenfaktorteil, wobei Werte von "000000" bis "111110" zugelassen sind.
Der Codierer der Sendevorrichtung überwacht kontinuierlich das Frequenzspektrum des codierten Tonsignals und vergleicht es mit einem sogenannten psychoakustischen Modell, auf dessen Basis er die begrenzte Anzahl von Bits, die in jeden Rahmen kommen, unter die Teilbänder aufteilt. Diese sogenannte Bitzuweisungsprozedur reserviert die meisten Bits für jene Teile des Signals, die für den Höreindruck am wichtigsten sind. Dieselbe Prozedur bestimmt die Anzahl von Quantisierungsstufen für jedes Teilband. Den niedrigstwertigen Teilbändern werden gar keine Bits im Rahmen zugewiesen, so dass ihre Anzahl von Quantisierungsstufen null ist. Auf anderen Teilbändern umfassen zugelassene Anzahlen von Quantisierungsstufen 16 ganze Zahlen. Bei der Abtastfrequenz von 48 kHz ist die kleinste Anzahl 0 und die größte 65.535, mit Ausnahme der Modi mit niedriger Bitrate (32 oder 48 kbit/s), bei welchen die maximale Anzahl von Stufen auf den beiden höchstwertigen Teilbändern 32.767 und auf den folgenden sechs Teilbändern 127 beträgt. In den Modi mit niedriger Bitrate umfasst der Rahmen nur die Abtastwerte der acht höchstwertigen Teilbänder (Teilband 0 bis 7). In anderen Modi umfasst der Rahmen die Abtastwerte der 27 höchstwertigen Teilbänder (Teilband 0 bis 26). Bei der Abtastfrequenz von 24 kHz beträgt die maximale Anzahl von Quantisierungsstufen für die vier ersten Teilbänder 16.383, auf den nächsten sieben Teilbändern 127 und auf den folgenden neunzehn Teilbändern 9 und auf den zwei unwichtigsten Teilbändern 0.
Um die Abtastwerte zu codieren, wird jeder Abtastwert durch den Skalenfaktor geteilt, der mit ihm verbunden ist, und es wird ein Codewort aus dem Ergebnis gemäß einer Abbildungsoperation gebildet, die in den Standards definiert ist. Jedes Codewort umfasst in Abhängigkeit von der Anzahl von Quantisierungsstufen mindestens 3 und höchstens 16 Bits. Auf Teilbändern, welchen die Bitzuweisungsprozedur drei, fünf oder neun Quantisierungsstufen zuwies, bilden drei aufeinander folgende Abtastwerte eine Granule, die durch ein gemeinsames Codewort dargestellt wird. Ihr maximal zulässiger Wert im Falle von drei Quantisierungsstufen beträgt 26, im Falle von fünf Quantisierungsstufen 124 und im Falle von neun Quantisierungsstufen 728. Die Abbildungsoperation, die bei der Codeworterzeugung verwendet wird, wird so gewählt, dass das Codewort nicht nur Einsen umfassen kann. Dies dient dazu, ein Verwechseln von Codewörtern und dem Synchronisierungswort "1111 1111 1111", das sich am Beginn des Rahmens befindet, in der Empfangsvorrichtung zu verhindern.
In der Digitalübertragung eines Tonsignals gemäß dem Stand der Technik basieren die Fehlererfassung und die resultierenden Fehlerverdeckungsversuche auf der Verwendung von Prüfsummen. Gemäß dem Vorhergesagten weist der Tonrahmen gemäß den ISO/IEC 11172-3 und ISO/IEC 13818-2 Standards ein Prüfsummenfeld (Bezugszeichen 19 in 3) auf, und der Tonrahmen gemäß dem DAB-Standard weist zusätzlich ein zweites Prüfsummenfeld (Bezugszeichen 26 in 3) auf. Erstere ist eine 16-Bit-CRC-Prüfsumme, welche die dritten und vierten Bytes im Rahmenkopf, sowie den Bitzuweisungsteil (Bezugszeichen 20 in 3) und den SCFSI-Teil (Bezugszeichen 21 in 3) abdeckt. Das Polynom, das die CRC-Prüfsumme erzeugt, ist G₁(X) = X¹⁶ + X¹⁵ + X² + 1. Der Empfänger verwendet dasselbe Polynom, um die CRC-Prüfsumme für die Bits des zuvor erwähnten Abdeckungsbereichs zu berechnen, und, wenn sie nicht der Prüfsumme im empfangenen Rahmen entspricht, wird ein Übertragungsfehler im Rahmen erfasst.
Gemäß dem DAB-Standard deckt das zweite Prüfsummenfeld am Ende des Rahmens die höchstwertigen Bits der Skalenfaktoren ab. Bei einer Abtastfrequenz von 48 kHz weisen Modi, in welchen die kanalspezifische Bitrate mindestens 56 kbit/s ist (entspricht einer Gesamtbitrate von mindestens 56 kbit/s im Einkanalmodus und mindestens 112 kbit/s in den anderen Modi), die Skalenfaktoren auf, die durch vier getrennte CRC-Prüfsummen geschützt sind, wobei die erste (ScF-CRC0) Teilband 0 bis 3, die zweite (ScF-CRC1) Teilband 4 bis 7, die dritte (ScF-CRC2) Teilband 8 bis 15 und die vierte (ScF-CRC3) Teilband 16 bis 26 abdeckt. In Modi, in welchen die kanalspezifische Bitrate unter 56 kbit/s ist, werden die Skalenfaktoren durch zwei CRC-Prüfsummen geschützt, wobei die erste (ScF-CRC0) Teilband 0 bis 3 und die zweite (ScF-CRC1) Teilband 4 bis 7 abdeckt. Bei der Abtastfrequenz von 24 kHz werden die Skalenfaktoren stets durch vier getrennte CRC-Prüfsummen geschützt, wobei die erste (ScF-CRC0) Teilband 0 bis 3, die zweite (ScF-CRC1) Teilband 4 bis 7, die dritte (ScF-CRC2) Teilband 8 bis 15 und die vierte (ScF-CRC3) Teilband 16 bis 29 abdeckt. Damit die Positionen der ersten und zweiten Prüfsummen nicht gemäß der Bitrate vertauscht werden, sind die Prüfsummen in Feld 26 von 3 in umgekehrter Reihenfolge angeordnet, d. h. im Falle der höheren Bitrate von 48 kHz und 24 kHz ist die Prüfsumme ScF-CRC3 die erste, gelesen vom Anfang des Rahmens, und die Prüfsumme ScF-CRC0 ist die letzte, gelesen vom Anfang des Rahmens. Im Falle der niedrigeren Bitrate von 48 kHz ist die Prüfsumme ScF-CRC1 die erste, gelesen vom Anfang des Rahmens, und die Prüfsumme ScF-CRC0 kommt danach. Das Polynom, das alle CRC-Prüfsummen erzeugt, welche die Skalenfaktoren schützen, ist G₂(X) = X⁸ + X⁴ + X³ + X² + 1, und jede von ihnen deckt die drei höchstwertigen Bits der Skalen gemäß der zuvor erwähnten Gruppenbildung ab. Der Empfänger verwendet dasselbe Polynom, um die CRC-Prüfsummen für die höchstwertigen Bits der Skalenfaktoren zu berechnen, und, wenn irgendeine davon nicht der Prüfsumme im empfangenen Rahmen entspricht, wird ein Übertragungsfehler im Rahmen erfasst.
Die zuvor erwähnten Standards ETS 300 410, ISO/IEC 11172-3 und ISO/IEC 13818-3 schreiben kein obligatorisches Betriebsmodell vor, gemäß dem der Empfänger auf Übertragungsfehler, die er in empfangenen Tonrahmen erfasst, reagieren sollte. Es sind jedoch verschiedene Betriebsmodellalternativen aus empfehlenden Teilen der Standards und aus der übrigen Telekommunikationstechnologie bekannt. In der digitalen Mobilfunktechnologie, in der das Sprechsignal in Rahmen übertragen wird, ist es üblich, dass ein Empfänger einen Tonteil, der durch einen Rahmen mitgeführt wird, der als fehlerhaft erfasst wurde, nicht wiedergibt, sondern die Klangwiedergabeeinheit für einen Augenblick abgeschwächt oder den abgelehnten Rahmen durch Rauschen ersetzt. Eine andere Option ist, dass der Empfänger anstelle des fehlerhaften Rahmens den vorhergehenden fehlerfreien Rahmen erneut wiedergibt. Da jedoch die Tontechnologie gemäß dieser Patentanmeldung eine Klangwiedergabe mit einer wesentlich besseren Qualität als die der Fernsprechtechnologie anstrebt, würde eine automatische Abschwächung oder Ersetzung eines ganzen Rahmens den Höreindruck zu sehr verschlechtern.
Ein anderer Nachteil des Standes der Technik ist, dass die Prüfsummen kein 100%ig zuverlässiges Verfahren zur Erfassung aller Übertragungsfehler darstellen. Wenn mehrere Fehler in ein und demselben Rahmen auftreten, ist es möglich, dass ihr Einfluss auf die Prüfsumme außer in der entgegengesetzten Richtung gleich ist, so dass die Prüfsummen trotz der Fehler im Rahmen als korrekt erscheinen.
Ein bekannter Stand der Technik wird in den Veröffentlichungen EP-A-718982 und US-A-5148487 erörtert, welche verschiedene Aspekte des Decodierens von Rahmen beschreiben, welche digitale Toninformationen enthalten und Fehler verdecken, die in den decodierten Rahmen gefunden werden.
Eine Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein Verfahren und ein Gerät bereitzustellen, mit welchen eine Erfassung und eine Verdeckung von Fehlern beim Empfang eines digitalen Tonsignals zuverlässiger als bei den Lösungen des Standes der Technik durchgeführt werden können. Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und ein Gerät bereitzustellen, welche zum digitalen Tonempfang geeignet sind und mit welchen die Verdeckung von Übertragungsfehlern den Höreindruck eines wiedergegebenen Klangs nur wenig verzerrt wird.
Die Aufgaben der Erfindung werden durch Beobachten in den Decodier- und Fehlerverdeckungseinheiten des Empfängers von mehreren aufeinander folgenden Rahmen und Auslegen ihrer Decodierung und der Tonsignalwiederherstellung in geeigneter Weise erreicht.
Das Verfahren gemäß der Erfindung ist durch die Merkmale gekennzeichnet, die im kennzeichnenden Teil des unabhängigen Anspruchs dargelegt werden, der an ein Verfahren gerichtet ist.
Die Erfindung ist auch an eine Decodiervorrichtung zur Realisierung des Verfahrens gemäß der Erfindung gerichtet. Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ist durch die Merkmale gekennzeichnet, die im kennzeichnenden Teil des unabhängigen Anspruchs dargelegt werden, der an eine Vorrichtung gerichtet ist.
Das Verfahren gemäß der Erfindung strebt eine ausgeglichene Lösung an, in welcher das optimale Übertragungsfehlererfassungs- und -verdeckungsniveau unter Verwendung einer zumutbaren Rechenleistung erreicht wird. Der Empfänger empfängt und speichert mehrere aufeinander folgende Rahmen, welche, wenn gespeichert, eine bestimmte Rahmentabelle bilden. Um die Tabelle zu lesen, verwendet der Empfänger ein bestimmtes Fenster, dessen Größe eine ganzzahlige Anzahl von Rahmen größer als null ist und das wenigstens den aktuellen Rahmen abdeckt. In einer bevorzugten Ausführungsform deckt das Fenster auch wenigstens einen Rahmen, der vor dem aktuellen Rahmen empfangen wurde, und wenigstens einen Rahmen ab, der nach dem aktuellen Rahmen empfangen wird. Das Decodieren von Rahmen im Fensterbereich erfolgt in Stufen. Der letzte Rahmen, der im Fensterbereich ankommt, wird zunächst decodiert, bis seine Skalenfaktoren ermittelt sind. Dann verdeckt der Empfänger mögliche Fehler, die in den Skalenfaktoren des aktuellen Rahmens gefunden werden. Bei der Verdeckung verwendet er Skalenfaktoren anderer Rahmen im Fensterbereich. Als Nächstes setzt der Empfänger das Decodieren des letzten Rahmens fort, bis seine Abtastwerte dequantisiert, aber noch nicht skaliert sind. Danach verwendet der Empfänger Rahmen im Fensterbereich, um Fehler zu verdecken, die er möglicherweise in den unskalierten Abtastwerten des aktuellen Rahmens gefunden hat. Nur dann werden die Abtastwerte des aktuellen Rahmens skaliert und wird mittels einer Umkehrfilterung ein PCM-Signal erzeugt, welches zum Ausgangsport des Decodierers gebracht wird.
Nach der Verarbeitung eines Rahmens bewegt der Empfänger das Beobachtungsfenster in Bezug auf die Rahmentabelle einen Rahmen vorwärts, woraufhin die zuvor beschriebene Rahmendecodierung wieder von vorne beginnt. Das Verfahren gemäß der Erfindung eignet sich sehr für eine Parallelverarbeitung, da der Empfang von neuen Rahmen, ihr Speichern in der Rahmentabelle, die Erfassung und Verdeckung von Fehlern im aktuellen Rahmen, die Umkehrfilterung des korrigierten Rahmens und das Schreiben in den Ausgangsdatenfluss getrennte, parallel funktionierende Teile sein können.
Im Verfahren gemäß der Erfindung basiert eine Erfassung von Fehlern sowohl auf der Verwendung von Prüfsummen als auch auf der Verwendung von sogenannten Basissätzen von zugelassenen Werten.
Letzteres bedeutet, dass, wenn der Empfänger in einem bestimmten Teil eines empfangenen Rahmens eine Bitkombination erfasst, die keine Kombination ist, die für diesen Teil des Rahmens zugelassen ist, wie durch die Standards festgelegt, angenommen wird, dass ein Übertragungsfehler in diesem konkreten Teil vorliegt. Sowohl für die Skalenfaktoren als auch die Abtastwerte versucht der Empfänger, die Werte, die als fehlerhaft angenommen werden, durch korrekte Werte zu ersetzen, die im nächstmöglichen Rahmen gefunden werden. Nur in einer Situation, in welcher im ganzen Beobachtungsfensterbereich keine korrekten Ersetzungswerte gefunden werden können, wird die völlige oder teilweise Abschwächung des wiedergegebenen Signals als Mittel zum Verdecken des fehlerhaften Teils verwendet.
Die Größe des Beobachtungsfensters kann in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein dynamisch veränderlicher Parameter sein, so dass das Verfahren an verschiedene Bedingungen angepasst wird, die Übertragungsfehler verursachen. Eine Art und Weise, Fehlerbedingungen eine längere Dauer als einen Rahmen zu schätzen, ist, einen kontinuierlich aktualisierten Fehlerparameter zu führen, der die Bitfehlerrate (BER) des empfangenen Signals darstellt. Der Empfänger kann auch den Fehlerparameterwert auch verwenden, um andere Entscheidungen hinsichtlich Decodierung und Fehlerverbergung zu treffen. Wenn das mittlere Fehlerniveau hoch ist, kann es vorteilhafter sein, einen unkorrigierbaren Fehler durch Abschwächen eines ganzen Rahmens zu verarbeiten, während bei einem niedrigen mittleren Fehlerniveau ein Abschwächen eines oder einiger Teilbänder eine bessere Lösung ist.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die bevorzugten Ausführungsformen, die als Beispiele dargelegt werden, und auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben, wobei
1 einen bekannten Codierer darstellt,
2 einen bekannten Decodierer darstellt,
3 einen bekannten digitalen Tonrahmen darstellt,
4 einen bekannten Kopf im Rahmen gemäß 3 darstellt,
5 eine Tabellen- und Fensterbildung von Tonrahmen gemäß der Erfindung darstellt,
6 ein Detail des Verfahrens gemäß der Erfindung in der Form eines Flussdiagramms darstellt,
7 die Reihenfolge von Aktivitäten in einer Stufe des Verfahrens gemäß der Erfindung darstellt, und
8 den Decodierer gemäß der Erfindung darstellt.
Zuvor wurde in Verbindung mit der Beschreibung des Standes der Technik auf 1 bis 4 Bezug genommen, so dass in der folgenden Beschreibung der Erfindung und ihrer bevorzugten Ausführungsformen hauptsächlich auf 5 bis 8 Bezug genommen wird. Gleiche Elemente in den Figuren sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Im Verfahren gemäß der Erfindung verwendet der Empfänger Dateninhalte von mehreren aufeinander folgenden Rahmen, um den Rahmen, der zu einem bestimmten Zeitpunkt verarbeitet wird, zu decodieren und die darin möglicherweise erfassten Fehler zu verdecken. 5 stellt eine ringähnliche Rahmentabelle 42 dar. Die Form der Tabelle an sich hat keine konkrete Bedeutung, da sie in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung nur als eine bestimmte Anzahl von Computerspeicherstellen vorhanden ist, da aber vorteilhafterweise ein sogenanntes zyklisches Zeigen zum Zeigen auf Ein-Rahmen-Blöcke 42a in der Tabelle verwendet wird, dient es der Veranschaulichung, die Tabelle in einer ringähnlichen Form darzustellen. Zyklisches Zeigen bedeutet, dass auf einen bestimmten Block mit der Adresse [k] ein Block in der Tabelle folgt, dessen Adresse [(k + 1) mod NFRMS] ist, wobei NFRMS die Anzahl von Blöcken in der Tabelle ist. Der Empfänger gemäß der Erfindung speichert anfänglich jeden empfangenen Rahmen in der Tabelle 42 gemäß 5 in der Form, die der Rahmen hat, wenn er am Eingangsport des Decodierers ankommt.
5 stellt auch ein Fenster 43 dar, das durch den Decodierer des Empfängers verwendet wird, um die Rahmen zu decodieren und die Übertragungsfehler zu verdecken, die möglicherweise darin auftreten. Die Größe des Fensters ist eine ganzzahlige Anzahl von Rahmen größer als null. Der Index des Rahmens in der Mitte des Fensters, welcher den Rahmen innerhalb des Fensters identifiziert, ist 0, und der Rahmen wird der aktuelle Rahmen genannt. Jene Rahmen im Fenster, die nach dem aktuellen Rahmen empfangen und in der Tabelle 42 gespeichert wurden, sind Nachfolgerrahmen, und der Rahmen, der vom aktuellen Rahmen am weitesten entfernt ist, ist der vordere Rahmen. Jene Rahmen im Fenster, die vor dem aktuellen Rahmen empfangen und in der Tabelle 42 gespeichert wurden, sind Vorgängerrahmen, und der Rahmen, der am weitesten vom aktuellen Rahmen entfernt ist, ist der hintere Rahmen. Die Anzahl von Nachfolgerrahmen ist mit cnnxt ("aktuelle Anzahl von nachfolgenden Rahmen" nach engl. current number of next frames) gekennzeichnet, und die Anzahl von Vorgängerrahmen ist mit cnpre ("aktuelle Anzahl von vorhergehenden Rahmen" nach engl. current number of previous frames) gekennzeichnet. Die Werte von cnnxt und cnpre können sich in einer Weise dynamisch ändern, die später ausführlich beschrieben wird, aber sie müssen die doppelte Ungleichheit 0 = (cnpre + cnnxt) < NFRMS erfüllen, damit die Größe des Fensters 43 in Rahmen (= cnpre + cnnxt + 1) stets mindestens 1 und nicht mehr als NFRMS ist. Wenn die Größe des Fensters 43 ein Rahmen ist, beziehen sich die Bezeichnungen vorderer Rahmen, hinterer Rahmen und aktueller Rahmen auf ein und denselben Rahmen.
Rahmen im Fenster 43 sind in einer Weise indiziert, welche von der Rahmenstelle in der Tabelle 42 unabhängig ist. Der Index des aktuellen Rahmens ist 0, wie bereits erwähnt. Die Indizes von Nachfolgerrahmen sind positive ganze Zahlen, derart dass der Index des Nachfolgerrahmens, der dem aktuellen Rahmen am nächsten ist, 1 ist, der Index des nächsten Nachfolgerrahmens 2 ist und so weiter; der Index des vorderen Rahmens ist +cnnxt.
6 stellt in der Form eines Flussdiagramms eine Programmschleife dar, die zum Umwandeln der Tondaten, die durch den aktuellen Rahmen mitgeführt werden, in ein PCM- Format in einer so fehlerfreien Weise als möglich bestimmt ist. Es ist besonders zu erwähnen, dass in der folgenden Beschreibung die Operationen abwechselnd auf verschiedene Rahmen gerichtet werden, und um die Beschreibung zu verstehen, ist es notwendig, dass der Leser die Rahmen nicht miteinander verwechselt. Die Ausführung der Programmschleife beginnt gemäß 6 damit, dass der Empfänger in Schritt 44 beginnt, den vorderen Rahmen zu decodieren und damit fortfährt, bis die Skalenfaktoren des vorderen Rahmens decodiert sind. Danach prüft der Empfänger in Schritt 45 auf eine Weise, die später beschrieben wird, ob es Übertragungsfehler in den Skalenfaktoren des aktuellen Rahmens gibt, und verdeckt sie nötigenfalls unter Verwendung eines Verfahrens, das später beschrieben wird. Dann setzt der Empfänger das Decodieren des vorderen Rahmens gemäß Schritt 47 fort, bis die Teilbandabtastwerte darin dequantisiert, aber noch nicht durch Multiplizieren derselben mit den im Rahmen enthaltenen Skalenfaktoren skaliert sind. Als Nächstes prüft der Empfänger in Schritt 48 auf eine Weise, die später beschrieben wird, ob es Übertragungsfehler in den Teilbandabtastwerten des aktuellen Rahmens gibt, und verdeckt sie nötigenfalls in Schritt 49 unter Verwendung eines Verfahrens, das später beschrieben wird. Dann führt der Empfänger in Schritt 50 das Skalieren von Abtastwerten des aktuellen Rahmens auf eine bekannte Weise durch und leitet die skalierten Abtastwerte zur Umkehrfilterung, wo ein PCM-Signal erzeugt und zum Ausgangsport des Decodierers weitergeführt wird. Schließlich bewegt der Empfänger gemäß Schritt 51 das Fenster um einen Tabellenblock weiter (d. h. er nimmt einen neuen Rahmen als vorderen Rahmen, subtrahiert einen von den Indizes von allen Rahmen, die bereits im Fenster waren, und wirft den hinteren Rahmen aus dem Fenster) und beginnt in Schritt 44 wieder mit dem Decodieren beim neuen vorderen Rahmen. Das Decodieren dauert an, solange der Empfänger in Betrieb ist und neue Rahmen empfangen und in der Tabelle 42 gespeichert werden.
Das Flussdiagramm in 6 setzt nicht voraus, dass das Verfahren gemäß der Erfindung nur als eine Reihe von zeitlich aufeinander folgenden Operationen ausgeführt werden könnte. Wenn der Empfänger mehrere parallele Prozesse gleichzeitig ausführen kann, kann das Leiten eines decodierten aktuellen Rahmens zur Umkehrfilterung und von da im PCM-Format zum Ausgangsport des Decodierers parallel zum Beginn einer neuen Decodierungsoperation stattfinden. Ähnlich können das Speichern von neuen Rahmen in der Tabelle 42 außerhalb des Bereichs, der durch das Fenster 43 abgedeckt ist, und das Entfernen von Rahmen, die bereits aus dem Fenster 43 geworfen wurden (in der Praxis überschreibt der Empfänger die alten Rahmen im Speicher mit neuen), zur selben Zeit stattfinden, zu der die Rahmen im Fenster verarbeitet werden.
Die Größe des Fensters 43 kann sich während des Betriebs des Empfängers ändern, solange die größenbegrenzenden Anzahlen cnnxt und cnpre nicht gegen die zuvor in der Form der doppelten Ungleichheit festgelegte Bedingung verstoßen. Die Anzahl von Nachfolgerrahmen ist direkt proportional zur Decodierungsverzögerung, die durch den Decodierer hervorgerufen wird. Wenn es aus irgendeinem Grund wünschenswert ist, die Verzögerung zu verlängern, kann der Empfänger die Programmschleife gemäß 6 derart ausführen, dass er die Indexsubtraktionsoperation gemäß Schritt 51 auslässt, bis die gewünschte Verzögerung erreicht ist. Dann bleibt der aktuelle Rahmen in jedem Zyklus gleich und es tritt nur ein neuer vorderer Rahmen im Fenster auf, welcher einen Index weiter vom aktuellen Rahmen entfernt ist als der vorhergehende vordere Rahmen (cnnxt nimmt zu). Wenn es wünschenswert ist, die Verzögerung zu verkürzen (cnnxt nimmt ab), kann der Empfänger in Schritt 51 von den Indizes der Rahmen im Fenster eine Anzahl größer als 1 subtrahieren (um genau zu sein, die Anzahl [1 + (cnnxt_alt – cnnxt_neu)], wobei cnnxt_alt der Wert von cnnxt vor dem Verkürzen der Verzögerung ist, und cnnxt_neu der Wert von cnnxt nach dem Verkürzen der Verzögerung ist). Dann springt der Index wenigstens eines Rahmens über null, d. h. der betreffende Rahmen wird nie der aktuelle Rahmen. Dies kann zu einer vorübergehenden Verzerrung im Höreindruck des wiedergegebenen Klangs führen, selbst wenn eine Umkehrfilterung im Allgemeinen dazu neigt, den Einfluss solcher Verzerrungen zu verringern. Der Empfänger kann auch die hintere Grenze (die Grenze auf der Seite des hinteren Rahmens) des Fensters 43 vorwärts (cnpre nimmt ab) oder rückwärts (cnpre nimmt zu) bewegen. Dies hat keinen Einfluss auf die Decodiererverzögerung.
Als Nächstes wird erörtert, wie der Empfänger feststellt, dass ein Übertragungsfehler in einem Rahmen vorliegt. Der ISO/IEC 11172-3 Standard umfasst Spezifikationen zum Berechnen einer ersten CRC-Prüfsumme hinsichtlich eines Teils des Tonrahmenkopfs (siehe Bezugszeichen 19 in 3). Außerdem umfasst der DAB-Standard Spezifikationen zum Berechnen einer zweiten CRC-Prüfsumme hinsichtlich der Rahmenskalenfaktoren (siehe Bezugszeichen 26 in 3).
Zuvor wurde erörtert, wie der Empfänger Prüfsummen verwendet, um Fehler zu erfassen. Im Verfahren gemäß der Erfindung überprüft der Empfänger außerdem, dass bestimmte Rahmenelemente Werte enthalten, die gemäß den DAB- und ISO/IEC 11172-3 und ISO/IEC 13818-3 Standards zugelassen sind. In der folgenden Liste sind die Prüfungen so bezeichnet, wie sie in den Standards in Englisch erscheinen. Einige der Prüfungen gelten nur für Übertragungen gemäß dem DAB-Standard, da die ISO/IEC 11172-3 und ISO/IEC 13818-3 Standards keine gleichwertigen Datenstrukturen definieren. Diese Prüfungen verstoßen jedoch nicht gegen die ISO/IEC 11172-3 oder ISO/IEC 13818-3 Standards, da sie an Rahmenelemente gerichtet sind, die in diesen Standards unspezifiziert gelassen wurden.

– SYNCWORD (Synchronisierungswort): wenn der Wert des Synchronisierungsworts ein anderer als "1111 1111 1111" ist, liegt ein Übertragungsfehler im Rahmen vor.
– LAYER (Schicht): die Schichtencodes "01" und "11" sind in DAB-Übertragungen nicht zugelassen, so dass ihr Auftreten einen Fehler anzeigt.
– PROTECTION (Schutz): in DAB-Übertragungen muss das Schutzbit "0" sein, so dass der Wert "1" einen Fehler anzeigt.
– BIT RATE (Bitrate): gemäß den ISO/IEC 11172-3 und ISO/IEC 13818-3 Standards ist der Wert "1111" nicht zugelassen; außerdem ist der Wert "0000" im DAB-Sandard nicht zugelassen.
– SAMPLING FREQUENCY (Abtastfrequenz): gemäß dem DAB-Standard sind die Abtastfrequenzwerte "00" und "10" nicht zugelassen.
– PADDING BIT (Füllbit): wenn die Abtastfrequenz 48 kHz oder 24 kHz ist, muss das Füllindikatorbit "0" sein, sonst ist es fehlerhaft.
– MODE (Modus): Abtastfrequenz-, Modus- und Bitratenkombinationen, die nicht als zugelassene Kombinationen in der Tabelle, die zuvor in Verbindung mit der Beschreibung des Standes der Technik dargestellt wurde, oder im ISO/IEC 13818-3 Standard enthalten sind, zeigen einen Fehler an.
– EMPHASIS (Emphase): gemäß dem DAB-Standard muss der Wert des Emphase-Feldes "00" sein; andere Werte zeigen einen Fehler an.
– BIT ALLOCATION (Bitzuweisung): die Gesamtzahl von Bits, die für die Teilbänder reserviert sind, darf den Raum, der für diese Bits im Rahmen reserviert ist, nicht überschreiten. Die Gesamtzahl von Bits hängt von der Bitrate ab. Ein Konflikt zwischen der Bitrate und der Gesamtzahl von Bits zeigt einen Fehler an.
– ID BIT CHANGE (ID-Bitänderung): wenn das ID-Bit geändert wird, ohne dass der Decodierer im Voraus von der Änderung weiß, interpretiert der Empfänger die Änderung als einen Fehler.
– BIT RATE CHANGE (Bitratenänderung): wenn die Bitrate geändert wird, ohne dass der Decodierer im Voraus von der Änderung weiß, interpretiert der Empfänger die Änderung als einen Fehler.
– SAMPLING FREQUENCY CHANGE (Abtastfrequenzänderung): wenn die Abtastfrequenz geändert wird, ohne dass der Decodierer im Voraus von der Änderung weiß, interpretiert der Empfänger die Änderung als einen Fehler.
– MODE CHANDE (Modusänderung): wenn der Tonmodus geändert wird, ohne dass der Decodierer im Voraus von der Änderung weiß, interpretiert der Empfänger die Änderung als einen Fehler; eine Änderung zwischen dem Stereomodus und dem Joint Stereo-Modus in der einen oder anderen Richtung wird jedoch nicht als ein Fehler interpretiert.
– LAYER CHANGE (Schichtenänderung): wenn die Schicht geändert wird, ohne dass der Decodierer im Voraus von der Änderung weiß, interpretiert der Empfänger die Änderung als einen Fehler.
– SCALE FACTOR INDEX (Skalenfaktorindex): der Skalenfaktorindex "111111" ist nicht zugelassen, so dass sein Auftreten einen Fehler anzeigt.
– SUBBAND SAMPLE CODEWORD (Teilbandabtastwertcodewort): wenn NLEVELS sich auf die Quantisierungsstufen eines bestimmten Teilbands bezieht und 3 ist, sind Abtastwertcodewörter größer als 26 (Dezimale) unzulässig. Wenn NLEVELS 5 ist, sind Codewörter größer als 124 (Dezimale) unzulässig. Wenn NLEVELS 9 ist, sind Codewörter größer als 728 (Dezimale) unzulässig. Im Übrigen sind Codewörter, die nur Einsen umfassen, unzulässig.
– PCM SAMPLE RANGE (PCM-Abtastwertbereich): es gibt bestimmte Grenzen für das PCM-Signal, das bei der Umkehrfilterung erzeugt wird. PCM-Pulse, deren absolute Werte die maximale Grenze überschreiten, zeigen einen Fehler an. PCM-Pulse, welche die Grenze überschreiten, werden üblicherweise vor der Klangwiedergabe auf den Maximalwert zugeschnitten.

Einige der zuvor erwähnten Syntaxfehler oder Fehler, in welchen ein Wert nicht zum Basissatz von zugelassenen Werten gehört, die für das konkrete Feld festgelegt sind, führen ebenfalls zu einem Fehler, der mittels Prüfsummen erfasst wird. Es gibt jedoch Situationen, in welchen ein Syntaxfehler keinen Nettoeinfluss auf die Prüfsumme hat, so dass Syntaxprüfungen die Erfassung von Übertragungsfehlern wirksamer machen.
Als Nächstes wird die Funktionsweise des Empfängers in einer Situation erörtert, in welcher er einen Übertragungsfehler erfasst hat. Die Stelle des Fehlers im Rahmen bestimmt, wie sehr er die Decodierung des Rahmens und die Wiedergabe des Tonsignals, das durch den Rahmen mitgeführt wird, beeinflusst. Wenn der Fehler in dem Bereich ist, der durch die erste Prüfsumme abgedeckt ist (der Fehler wird durch die Berechnung der ersten Prüfsumme oder durch irgendeine der Prüfungen BIT RATE, SAMPLING FREQUENCY, PADDING BIT, MODE, EMPHASIS, BIT ALLOCATION, BIT RATE CHANGE, SAMPLING FREQUENCY CHANGE oder MODE CHANGE angezeigt), oder wenn die Prüfung ID BIT CHANGE einen Fehler anzeigt, muss der ganze Rahmen verworfen werden. Das zweite Prüfsummenfeld für die Skalenfaktoren weist, wie bereits erwähnt, zwei oder vier Prüfsummen auf, welche jeweils auf die Skalenfaktoren einer bestimmten Teilbandgruppe gerichtet ist. Wenn die Berechnung irgendeiner dieser Prüfsummen oder die zuvor erwähnte SCALE FACTOR INDEX-Prüfung den Fehler anzeigt, betrachtet der Empfänger gemäß der Erfindung alle Skalenfaktoren in dieser konkreten Gruppe als unzuverlässig.
"Den Rahmen verwerfen" bedeutet, dass die Abtastwerte, die durch den Rahmen gesendet werden, durch fehlerfreie oder wenigstens weniger fehlerhafte Werte zu ersetzen sind. Ähnlich bedeutet, "eine bestimmte Skalenfaktorgruppe als unzuverlässig zu interpretieren", dass diese Skalenfaktoren durch bessere Werte zu ersetzen sind. Im Verfahren gemäß der Erfindung werden bessere Werte unter Verwendung der zuvor beschriebenen Tabellen- und Fensteranordnung, sowie der in 7 dargestellten Operationsprozedur gesucht. Der Empfänger sucht in Schritt 52 zunächst im Vorgängerrahmen, der dem aktuellen Rahmen am nächsten ist, nach besseren Werten. Wenn dort keine besseren Werte gefunden werden, sucht der Empfänger in Schritt 53 als Nächstes den Nachfolgerrahmen ab, der dem aktuellen Rahmen am nächsten ist. Die Suche wird abwechselnd in den Vorgänger- und Nachfolgerrahmen fortgesetzt (Schritt 54 und 55), bis der Empfänger entweder bessere Werte findet oder das ganze Fenster abgesucht hat (Schritt 56 und 57). Der letztere Fall bedeutet, dass keine besseren Werte aus irgendeinem Rahmen im Fenster erhalten werden können, der Fehler also unkorrigierbar ist und die fehlerhaften Werte durch Nullen ersetzt werden müssen. Wenn der Fehler in den Skalenfaktoren war, schwächt die Verwendung von Nullen die entsprechenden Teilbänder für den aktuellen Rahmen ab. Wenn der Fehler in dem Bereich war, der durch die erste Prüfsumme abgedeckt ist, muss der ganze Rahmen abgeschwächt werden.
Die zuvor beschriebenen Fehlererfassungstechniken sind mit Ausnahme der ID BIT CHANGE-Prüfung nur an jene Teile des Rahmens gerichtet, die zum Abdeckungsbereich der ersten oder zweiten Prüfsumme gehören und/oder für welche es einen bestimmten Basissatz von zugelassenen Werten gibt. In Tonrahmen gemäß dem ISO/IEC 11172-3 Standard sind die Tonabtastwerte und alle Skalenfaktoren ungeschützt. Während der Übertragung können auch in diesen Teilen des Rahmens Fehler auftreten, was zu einer unerfreulichen Verzerrung im Klang führt, der durch den Empfänger wiedergegeben wird. Die vorliegende Erfindung ist auch Fehler vorbereitet, die in den ungeschützten Bereichen auftreten. In der Lösung gemäß der Erfindung führt der Empfänger kontinuierlich eine Schätzung der mittleren Bitfehlerrate (BER) des empfangenen Signals. Die Schätzung kann ein einziger Parameter sein, dessen Wert im Verhältnis zur Anzahl von Fehlern, die durch den Empfänger in den letzten verarbeiteten Rahmen erfasst werden, zunimmt. In einer flexibleren Alternative kann die BER-Schätzung ein Datensatz sein, der mehrere Felder umfasst, wie beispielsweise die Anzahl von Fehlern, die in N letzten Rahmen erfasst wurden, wobei N eine ganze Zahl ist; die zeitliche Ableitung der Bitfehlerrate, d. h. ob die Rate zu- oder abnimmt; gegenseitige Verhältnisse von erfolgreich verdeckten und unkorrigierten Fehlern usw.
Eine Art und Weise des Verwendens der BER-Schätzung gegen Fehler, die in den ungeschützten Teilen der Rahmen auftreten, ist z. B. derart, dass, wenn die BER-Schätzung ein im Allgemeinen hohes Fehlerniveau aufzeigt, der Empfänger keine plötzlichen großen Äderungen der Werte von Skalenfaktoren oder Abtastwerten zulässt, sondern sie als Fehler interpretiert, die verdeckt werden sollten. Wenn aber das Fehlerniveau im Allgemeinen niedrig ist, gibt der Empfänger auch Klangelemente wieder, die durch plötzliche Änderungen befördert werden. Wenn die mittlere Bitfehlerrate hoch ist, kann es außerdem vorteilhaft sein, dass, selbst wenn der unkorrigierte Fehler in den Skalenfaktoren wäre, der Empfänger den ganzen Rahmen und nicht nur die Teilbänder, die mit den Skalenfaktoren verbunden sind, abschwächt.
Das Verfahren gemäß der Erfindung kann auch von der Tatsache Gebrauch machen, dass der Empfänger üblicherweise so ausgelegt ist, dass er PCM-Pulse, deren absolute Werte einen bestimmten Maximalwert überschreiten, so zuschneidet, dass sie dann dem Maximalwert entsprechen. In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung zählt der Empfänger, wie oft die PCM-Pulse zugeschnitten werden müssen. Wenn ein Rahmen über einen bestimmten Schwellenwert hinaus PCM-Pulse erzeugt, die zugeschnitten müssen, kann der Empfänger davon ausgehen, dass der betreffende Rahmen zu viel Rauschen enthält und durch Ersetzen der PCM-Pulse mit Nullwerten abgeschwächt werden muss. Der Schwellenwert kann derart von der BER-Schätzung abhängen, dass der Empfänger den Rahmen umso eher als fehlerhaft erachtet, d. h. der Schwellenwert umso niedriger ist, je höher das mittlere Fehlerniveau ist. Als Nächstes wird der Decodierer gemäß der Erfindung eines digitalen Tonempfängers erörtert, für welchen 8 ein Blockdiagramm gemäß einer bevorzugten Ausführungsform darstellt. Der Decodierer 100 umfasst, nicht anders als ein Decodierer des Standes der Technik, einen Eingangsport 11, einen Ausgangsport 12, einen Rahmendecodierblock 13, einen Datenport 16 und eine Umkehrfilterbank 15. Die Schnittstellen einer Wiederherstellungsblocks 14 zum Rahmendecodierblock und zur Umkehrfilterbank entsprechen den ISO/IEC 11172-3 und ISO/IEC 13818-3 Schicht 2 Standards Der Block umfasst einen Speicher 58, welcher eine Tabelle 42 gemäß 5 bildet. Außerdem umfasst der Wiederherstellungsblock ein Lese- und Schreibelement 59, das die neuen Rahmen, die vom Rahmendecodierblock kommen, in die Tabelle schreibt, ein Fenster 43 füllende, gespeicherte Rahmen, die zu verarbeiten sind, ausliest und die decodierten und skalierten Abtastwerte aus jedem aktuellen Rahmen nimmt, der zur Umkehrfilterbank zu leiten ist. In Verbindung mit dem Lese- und Schreibelement gibt es einen Bitfehlerratenberechnungsblock 60, der die Bitfehlerrate des empfangenen Signals schätzt und auf der Basis dessen den Betrieb des Lese- und Schreibelements und nötigenfalls die Ersetzung der PCM-Abtastwerte durch Nullen in Verbindung mit der Umkehrfilterung steuert. Letztere wird so ausgeführt, wie zuvor beschrieben, wenn in Verbindung mit der Umkehrfilterung zu viele Überschreitungen der maximal zulässigen Pulsgrenze in Bezug auf die Bitfehlerrate erfasst werden.
Im Decodierer gemäß der Erfindung sind die notwendigen Funktionen, die mit der Verwendung eines Speichers zum Tabellieren der Rahmen und mit der Steuerung von Speicherauslese- und -einschreiboperationen, sowie der Fehlererfassung und -verdeckung zusammenhängen, vorzugsweise als Softwareprozesse realisiert, die durch einen Mikroprozessor ausgeführt werden, der im Empfänger enthalten ist. Die Ausarbeitung solcher Softwareprozesse und ihre Codierung in Befehle, die durch den Prozessor ausgeführt werden können, sind einem Fachmann an sich bekannt.
Die Erfindung stellt ein umfassendes und zuverlässiges Verfahren und Gerät zur Erfassung von Übertragungsfehlern in einem digitalen Tonsignal und zur Verdeckung von erfassten Fehlern bereit. Das Schreiben von Rahmen in den Speicher und ihr Auslesen in Teilen, die durch ein Fenster einer bestimmten Größe festgelegt werden, sind rechnerisch keine übermäßig anspruchsvollen Operationen, so dass die Erfindung auf die Serienproduktion von digitalen Tonempfängern auf einem für die Unterhaltungselektronik erforderlichen Kostenniveau anwendbar ist. Die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele schränken die Erfindung nicht ein, sondern sie kann innerhalb der Grenzen, die durch die im Folgenden dargelegten Ansprüche definiert sind, modifiziert werden.

Claims

Verfahren zum Erfassen und Verdecken von Fehlern in einem digitalen Tonempfänger, welcher codierte digitale Tonsignale in Rahmen (17) einer vorbestimmten Struktur verarbeitet, umfassend die Schritte, wobei – mehrere aufeinander folgende Rahmen in einem Speicher (58) gespeichert werden (51), – ein Rahmen, der im Speicher gespeichert ist, als der aktuelle Rahmen (0) ausgewählt wird, – der aktuelle Rahmen auf Fehler untersucht wird, und – Fehler, die im aktuellen Rahmen erfasst werden, unter Verwendung der Inhalte von anderen gespeicherten Rahmen (+1, +cnnxt, –1, -cnpre) verdeckt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der letzte empfangene Rahmen (+cnnxt) undecodiert gespeichert wird, woraufhin er in Stufen derart decodiert wird, dass – in der ersten Stufe (44) ein erster Teil des zu decodierenden Rahmens (+cnnxt) decodiert wird, – in der zweiten Stufe (45) untersucht wird, ob der Teil des aktuellen Rahmens (0), der dem ersten Teil entspricht, Fehler enthält, – in der dritten Stufe (47) ein zweiter Teil des zu decodierenden Rahmens (+cnnxt) decodiert wird, – in der vierten Stufe (48) untersucht wird, ob der Teil des aktuellen Rahmens (0), der dem zweiten Teil entspricht, Fehler enthält, und das Verfahren ein Führen einer Schätzung für die Bitfehlerrate eines Signals, die über eine längere Dauer als einen Rahmen gebildet wird, und ein Steuern einer Fehlerverdeckungsoperation auf der Basis der aktuellen Schätzung für die Bitfehlerrate umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zu decodierende Rahmen (+cnnxt) derselbe wie der aktuelle Rahmen (0) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zu decodierende Rahmen (+cnnxt) nicht derselbe wie der aktuelle Rahmen (0) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es ein bestimmtes Lesefenster (43) einsetzt, um gespeicherte Rahmen aus dem Speicher auszulesen, wobei die Größe des Lesefensters eine bestimmte ganzzahlige Anzahl ungleich Null von Rahmen ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe des Speichers NFRMS Rahmen ist, wobei NFRMS eine positive ganze Zahl ist, und die Größe des Lesefensters cnnxt + cnpre + 1 Rahmen ist, wobei cnnxt und cnpre die doppelte Ungleichheit 0 = (cnpre + cnnxt) < NFRMS erfüllen, so dass das Lesefenster cnpre Rahmen, die vor dem aktuellen Rahmen empfangen wurden, und cnnxt Rahmen, die nach dem aktuellen Rahmen empfangen wurden, enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmen (17) DAB-Tonrahmen gemäß dem ETS 300 401 Standard sind.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der letzte empfangene Rahmen (+cnnxt) undecodiert gespeichert wird, woraufhin er in Stufen derart decodiert wird, dass – in der ersten Stufe (44) der Anfang des zu decodierenden Rahmens (+cnnt) bis zu den Skalenfaktoren decodiert wird, – in der zweiten Stufe (45) untersucht wird, ob die Skalenfaktoren des aktuellen Rahmens (0) Fehler enthalten, – in der dritten Stufe (47) der Teil des zu decodierenden Rahmens (+cnnxt), der Tonabtastwerte enthält, in unskalierte Tonabtastwerte dequantisiert wird, und – in der vierten Stufe untersucht wird, ob die unskalierten Tonabtastwerte im aktuellen Rahmen (0) Fehler enthalten.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Tonabtastwerte des aktuellen Rahmens unter Verwendung der Skalenfaktoren des aktuellen Rahmens skaliert werden, nachdem untersucht wurde, ob die unskalierten Tonabtastwerte des aktuellen Rahmens Fehler enthalten, und erfasste Fehler verdeckt wurden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der aktuelle Rahmen als gänzlich fehlerhaft interpretiert wird, wenn eine der folgenden Bedingungen zutrifft: – die erste Prüfsumme (19) nach dem Kopf des Rahmens stimmt nicht mit den Inhalten seines Abdeckungsbereich überein, – die Inhalte des Feldes (33), das die Bitrate angibt, sind „0000" oder „1111", – die Inhalte des Feldes (34), das die Abtastfrequenz angibt, sind „00" oder „10", – der Wert des Füllindikatorbits (35) ist „1", – die Inhalte des Feldes (33), das die Bitrate angibt, sind „0001", „0010", „0011" oder „0101", während gleichzeitig das ID-Bit (30) "1" ist und die Inhalte des Feldes (34), das die Abtastfrequenz angibt, „01" sind und die Inhalte des Feldes (37), das den Modus angibt, „00", „01" oder „10" sind, – die Inhalte des Feldes (33), das die Bitrate angibt, sind „1011", „1100", „1101" oder „1110", während gleichzeitig das ID-Bit (30) „1" ist und die Inhalte des Feldes (34), das die Abtastfrequenz angibt, „01" sind und die Inhalte des Feldes (37), das den Modus angibt, „11" sind, – die Inhalte des Feldes (41), das die Emphase angibt, sind „01", „10" oder „11", – Informationen, die durch das Feld (33), das die Bitrate angibt, und die Anzahl von reservierten Bits widersprechen einander, – der Wert des Feldes (33), das die Bitrate angibt, ist von dem des vorhergehenden Rahmens verschieden, ohne dass der Empfänger Vorkenntnis von der Bitratenänderung hat, – der Wert des Feldes (34), das die Abtastfrequenz angibt, ist von dem des vorhergehenden Rahmens verschiedenen, ohne dass der Empfänger Vorkenntnis von der Abtastfrequenzänderung hat, – der Wert des Feldes (37), das den Modus angibt, ist von dem des vorhergehenden Rahmens verschieden, ohne dass der Empfänger Vorkenntnis von der Modusänderung hat und die Änderung einen Übergang zwischen den „Stereo" und „Joint Stereo"-Modi bedeutet, – der Wert des ID-Bits (30) ist von dem des vorhergehenden Rahmens verschieden, ohne dass der Empfänger Vorkenntnis von der ID-Bit-Änderung hat.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Versuch unternommen wird, die Abtastwerte, die durch einen Rahmen mitgeführt werden, der als gänzlich fehlerhaft interpretiert wird, durch fehlerfreie Ersatzwerte aus einem Rahmen zu ersetzen, welcher dem aktuellen Rahmen zeitlich so nahe als möglich ist, und, wenn keine fehlerfreien Ersatzwerte näher als die Distanz gefunden werden, die einer vorbestimmten Anzahl von Rahmen entspricht, die Abtastwerte des als fehlerhaft interpretierten Rahmens durch Nullwerte ersetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der aktuelle Rahmen als teilweise fehlerhaft interpretiert wird, wenn eine der folgenden Bedingungen zutrifft: – eine Prüfsumme im zweiten Prüfsummenfeld (26) im Endteil des Rahmens stimmt nicht mit den Inhalten seines Abdeckungsbereichs überein, – ein Indexwert, der den Skalenfaktor angibt, ist „111111".
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Versuch unternommen wird, die Werte, die in einem als teilweise fehlerhaft interpretierten Rahmen als fehlerhaft interpretiert werden, durch fehlerfreie Ersatzwerte aus einem Rahmen zu ersetzen, der dem aktuellen Rahmen zeitlich so nahe als möglich ist, und, wenn keine fehlerfreien Ersatzwerte näher als die Distanz gefunden werden, die einer vorbestimmten Anzahl von Rahmen entspricht, die als fehlerhaft interpretierten Abtastwerte durch Nullwerte ersetzt werden.
Decodiervorrichtung zum Decodieren eines codierten digitalen Tonsignals in Rahmenformat und zum Erfassen und Verdecken von Fehlern im digitalen Tonsignal, umfassend einen Eingangs- (11) und einen Ausgangsport (12) und zwischen ihnen, in Reihe geschaltet, – einen Rahmendecodierblock (13) zum Vorverarbeiten von Rahmen eines digitalen Tonsignals, – einen Wiederherstellungsblock (14) zum Durchführen des geeigneten Decodierprozesses und – einen Umkehrfilterblock (15) zum Umwandeln des decodierten Signals in eine Form, die zum Ausgangsport geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Wiederherstellungsblock umfasst: – eine Tabelle (58; 42) zum vorübergehenden Speichern von Rahmen, – Lese- und Schreibmittel (59) zum Schreiben von Rahmen in die Tabelle und Auslesen derselben daraus in Fenstern (43), – Mittel zum Decodieren eines Teils eines aktuellen Rahmens (0), der in einem ausgelesenen Fenster (43) enthalten ist, und Untersuchen der Korrektheit des decodierten Teils, und – Mittel zum Ersetzen von Werten, die im decodierten Teil des aktuellen Rahmens (0) als fehlerhaft erfasst werden, unter Verwendung von Werten, die aus den entsprechenden Teilen von anderen Rahmen (+1, +cnnxt, –1, –cnpre) im Fenster erhalten werden; wobei die Mittel zum Decodieren eines Teils eines aktuellen Rahmens und Mittel zum Ersetzen von als fehlerhaft erfassten Werten so ausgelegt sind, dass sie in Stufen arbeiten, wobei eine erste Stufe ein Decodieren eines ersten Teils eines zu decodierenden Rahmens einbezieht, eine zweite Stufe ein Untersuchen, ob ein erster Teil eines aktuellen Rahmens, der dem ersten Teil entspricht, Fehler enthält, vor dem Decodieren eines zweiten Teils des zu decodierenden Rahmens einbezieht, eine dritte Stufe ein Decodieren eines zweiten Teils des zu decodierenden Rahmens einbezieht und eine vierte Stufe ein Untersuchen einbezieht, ob ein Teil des aktuellen Rahmens, der dem zweiten Teil entspricht, Fehler enthält; und wobei die Decodiervorrichtung ferner Mittel (60) zum Führen einer Schätzung für die Bitfehlerrate eines Signals, die über eine längere Dauer als einen Rahmen gebildet wird, und zum Steuern einer Fehlerverdeckungsoperation auf der Basis des aktuellen Schätzung für die Bitfehlerrate umfasst.
Decodiervorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel (15) zum Begrenzen eines Signals in der zum Ausgangsport leitbaren Form, derart dass es vorbestimmten Grenzwerten entspricht, umfasst.
Decodiervorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass sie so ausgelegt ist, dass sie einen Signalteil in der zum Ausgangsport leitbaren Form, der aus einem bestimmten Rahmen erhalten wird, abschwächt, wenn er als solcher eine übermäßige Notwendigkeit eines bestimmten Schwellenwerts verursachen würde, um das Signal so zu begrenzen, dass es Grenzwerten entspricht, wobei der Schwellenwert von der aktuellen Schätzung für die Bitfehlerrate abhängt.