DE2047254A1

DE2047254A1 - Vorzeichenvorhersage Codierung fur Impulscode Nachrichtenanlagen

Info

Publication number: DE2047254A1
Application number: DE19702047254
Authority: DE
Inventors: Earl Franklin Piscataway Kaminski William West Portal Limb John Ormond New Shrewsbury Mounts Frank William Colts Neck N J Brown (V St A )
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1969-09-26
Filing date: 1970-09-25
Publication date: 1971-04-22
Also published as: GB1263832A; DE2047254B2; FR2063032A1; FR2063032B1; US3593141A; BE756513A; JPS5126782B1; SE364155B; DE2047254C3

Description

WESTERN ELECTRIC COMPANY Incorporated Brown 12-8-3-14

New York, N. Y., 10007, VStA

Vorzeichenvorhersage-Codierung für Impulscode-Nachrichtenanlagen

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Codierung von Informationssignalen eines Typs, der aus einer Anordnung zur Abtastung und Quantisierung der Informationssignale in eine vorgebbare Anzahl von Quantisierungsstufen, und zwar in eine Anzahl von Stufen (+1 bis +4) oberhalb eines gegebenen Medians und eine Anzahl von Stufen (-1 bis -4) unterhalb des gegebenen Medians, und einer Anordnung zur Erzeugung einer Code-Darstellung der quantisierten Abtastsignale besteht. Die Einrichtung enthält ferner eine Anordnung zur Erzeugung von Code-Darstellungen für die Stufen der Abtastwerte.

Bei Nachrichtensystemsn mit difference Her Impulscodemodulation, beispielsweise in ainaTi System, das in der US-Patentschrift 2 605 361 beschrieben ist, wird die Differenz zwischen dem aktuellen Wert das Signals und dem Wert eines Signales, das von den zuvor übertragenen Signalen rekonstruiert wurde, codiert und übertragen. Der durch diese Technik erzielte Vorteil besteht in der Beseitigung von Redundanz

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im Infoimationssignal vor seiner Übertragung. Jeder Teil eines Signals, der nicht für die Rekonstruktion des Signals beim fernen Empfänger benötigt wird, wird hierbei als Redundant betrachtet und seine Übertragung ist nicht erforderlich.

Bei dem Codierungsprozeß eines Systems der oben erwähnten Art wird das Differenzsignal abgetastet und in eine Anzahl von positive und negative Quantisierungsstufen quantisiert. Im allgemeinen wird, da das Differenzsignal die gleiche Möglichkeit dar Variation in der positiven oder negativen Richtung besitzt, eine symmetrische Quantisierungsschal rung verwendet, so daß die Anzahl der positiven Stufen gleich der Anzahl der negativen Stufen ist. In dem oben erwähnten System wird das quantisierte Differenzsignal in einem Rückkopplungspfad integriert und von dem Eingangssignal subtrahiert, um so eine Rückkopplungsschleife zu vervollständigen. Wegen der Rückkopplungsschleife stellt das übertragene Differenzsignal effektiv nur die Änderungen des Eingangssignals dar, anstelle des Gosamteingangssignals.

Um das Differenzsignal zu übertragen, wird bei bekannten difierenHeIIen Codierungssystemen jeder Qjantisierungsstufe ein gegebener Binärcode

1 ü ü Ü I 7 / I Ö 3 0

zugeteilt. In der binären Schreibweise ist die Anwesenheit eines Impulses durch eine binäre "1" und das Fehlen eines Impulses durch eine binäre "O" dargestellt. Die Anwesenheit oder das Fehlen eines Impulses in einem gegebenen Zeitintervall stellt ein Informarionsbit dar. Es sei beispielsweise angenommen, daß das abgetastete Signal in acht Quantisierungsstufen eingeteilt ist,

wobei vier für den positiven Teil des Signals und vier für dessen ™

negativen Teil vorgesehen sind. Diese acht Stufen können in dreistelliger Form in folgender Weise angegeben werden:

Stufe	Code
+4	111
+3	110
+2	101
+1	100
	000
-2	001
-3	010
-4	011

Jede drei Bit umfassende, d.h. dreistellige Codegruppe, wird übertragen, wenn das abgetastete Differenzsignals seine entsprechende

-4-

1 (J a 8 Ί 7 / IBiO

20Α725Λ

Quantisierungsstufe triggert, d.h. einen Auslöseimpuls an diese Stufe abgibt. Das sich ergebende übertragene Signal erscheint daher als eine kontinuierliche Folge von Codegruppen, die im Empfänger decodiert werden können, um dte qjantisierten Abtastwerte zu reproduzieren. Es ist ein wesentliches Merkmal derartiger Binärcodes, daß die Anzahl von Kombinationen oder Stufen, die mit einem gegebenen Code beschrieben werden können, als Zweierpotenz mit einem Exponenten, der gleich der Zahl der Bits in jeder Codegruppe ist. So ist die Anzahl der möglichen Stufen, die mit drei Bits in jeder Codegruppe beschrieben werden kann,

3
gleich 2 , oder 8 und mit vier Bits ist die Zahl der Möglichkeiten

2 oder 16.

Bei vielen Anwendungen ist es oft wünschenswert, einen drei Bit breiten Code für die Beschreibung eines gegebenen Eingangssignales zu benützen. Bei normalen Abtastraten läßt die drei-Bit-Codegruppe beträchtliche Bit-Raten, das sind Bit-Ubertragungsgeschwindigkeiten, zu, die innerhalb der für das SystemgewUnschfen Kanalkapazität liegen. Of! ist es jedoch auch wünschenswert, die Zahl der Quaitisierungsstufen , die für die Beschreibung des Differenzsignales in dem System benutzt werden, zu erhöhen. Die Erhöhung der Zahl der

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Quantisierungsstufen verringert im allgemeinen die Größe des Abstandes zwischen den Stufen und vermindert dadurch Fehler, die der Quantisierung eines kontinuierlichen Signales innewohnen. Bei konventionellen Binärcodes, so wie sie vorstehend beschrieben wurden, erfordert jedes Anheben der Quantisierungsstufen über acht das Hinzufügen eines Bits in jeder Codegruppe, so daß die effektive Zahl von Möglichkeiten auf 16 ansteigt. Ein derartiges Ansteigen in der Zahl der Bits je Codegruppe vergrößert auch die erforderliche Bit-Rate des Systems um 33 %f da das hinzugefügte Bit in jedsr Codegruppe wiederholt wird. Darüberhinaus kann es wegen der Natur der binären Codierung begrüßt werden, daß wenn eine vier Bit-Codegruppe verwendet wird, die Anzahl der Stufen nicht kleiner sein als 16, um die Kapazität des Systems voll auszunutzen. Es ist wünschenswert, die Anzahl der Quantisierungsstufen in diesen Systemen erhöhen zu können, ohne die Anzahl der Bits, die zur Beschreibung des Signals notwendig sind, ebenfalls zu erhöhen. Ferner ist es wünschenswert, um mehr Flexibilität in das Codieru.igssystem zu bekommen, sodaß eine ungerade Zahl von Quantisierungsstufen, wie beispielsweise neun, dazu verwendet werden kann, eine NuII-Stufe in die Skala einer symmetrischen Quantisierungsschaltung einzubeziehen, ohne eine Im System unausgenutzte

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2 O U 7 2

Kapazität zu erzeugen.

Aus der vorstehenden Diskussion ist einzusehen, daß bei der symmetrischen Quantisierung eines Differenzsignales jede Quantisierungsstufe in Abhängigkeit von einer Größe und einem Vorzeichen definiert werden kann. In dem obigen Beispiel mit acht Stufen kann das System mit vier Größen beschrieben werden, wobei jeder Größe ein Vorzeichen, plus oder minus, zugeordnet ist, um die acht Stufen oder acht möglichen Kombinationen für das übertragene Signal zu erhalten.

Für eine Einrichtung zur Codierung von Informationssignalen eines Typs, der aus einer Anordnung zur Abtastung und Quantisierung der Informationssignale in eine vorgebbare Anzahl von Quantisierungsstufen, und zwar in eine Anzahl von Stufen (+1 bis+4) oberhalb eines gegebenen Medians und eine Anzahl von Stufen (-1 bis -4) unterhalb des gegebenen Medians,und einer Anordnung zur Erzeugung einer Code-Darstellung der quantisierten Abtastwerte besteht, besteht die Erfindung darin, daß die Anordnung zur Erzeugung der Code-Darstellung aus einer Anordnung zur Erzeugung eines einzigen Codes sowohl für Abtastwerte mit einer

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gegebenen Stufe über dem Median, als auch für Abtastwerte mit einer gegebenen Stufe unterhalb des Medians, wenn dem Abtastwert der gegebenen Stufe ein Abtastwert auf der gleichen Seite des Medians vorausgeht und aus einer Anordnung zur Erzeugung eines ■ Codes zur Darstellung von Abtastwerten beider gegebenen Stufen von Abtastwerten, wobei dieser Code auch einen Abtastwert einer niedrigeren Sfufe darstellt, wenn dem Abtastwert der gegebenen Stufe ein Abtasfwert auf der entgegengesetzten Seite des Medians vorausgeht, besteht.

Weitere Merkmale und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Es ist für die Erfindung wesentlich, daß sie für die Differenzsignale eine Einrichtung zur Vorzeichen vorhersage vorsieht, die die Vor- J

Zeicheninformation für die äußeren Stufen des Quantisierers übergeht und annimmt, daß wennimmer diese Stufen aktiviert werden, diese das gleiche Vorzeichen besitzen, wie die zuvor übertragene Stufe. Diese Einrichtung basiert auf der Prämisse, daß diese Vorzeichenvorhersage für die äußeren Stufen für ein vielstufiges System sehr genau ist, da die Wahrscheinlichkeit sehr gering dafür ist, daß einer

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äußeren Stufe eine Stufe mit dem entgegengesetzten Vorzeichen vorausgeht, Wann die Vorhersage falsch ist, wird eine niedrigere Stufe mit dem korrekten Vorzeichen anstelle der äußeren Stufe übertragen. Eine unkorrekte Vorhersage erhöht jedoch den effektiven Quantisierungsfehler in solchen Fällen in den Signal, da der aktuelle Wert des Signals über dem übertragenen Wert liegt. Wegen der Natur des Signals jedoch ist eine unkorrekte Vorhersage selten.

Für die Erfindung ist es weiterhin wesentlich, daß die Streichung der Vorzeichen-Information in den äußeren Stufen die Einfügung einer Extra-Quantisierungsstufe mit "0" gestattet, ohne die Bit-Rote des S/stems zu erhöhen. Dieses bedeutet - anders ajsgedrückt -, daß die Streichung des Vorzeichens in den äußeren Stufen und die Einfügung der "O"-Stufe noch das quantisierte Signal bei acht definierten Kombinationen beläßt, die mit Hilfe eines drei-Bit-Code beschrieben werden können. Dieses Ergebnis wird im obigen Beispiel dadurch erreicht, daß sowohl den +4- und den -4-Stufen im übertragenen Signal die gleiche Code-Bezeichnung zugeordnet wird. Der Empfänger erkennt diesen Code und rekonstruiert entweder die +4- oder die -4-Stufe in Abhängigkeit von dem Vorzeichen der zuvor übertragenen Stufe. Das Codewort, das dann für die Größe 4-Stufe nicht übertragen

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wird, wird dann zur Angabo dar "O"-Srufe benutzt. Wie einzusehen ist, verringert die "O"-Sfufe den Quantisierungsfehler für kleine Signale, indem die Stufengröße zwischen den kleinsten Qi.anrisierungsstufen verringert wird_a Die äußeren Stufen bleiben relativ unbeeinflußt, da Ihr Vorzeichen ziemlich genaj aus den 701 her übertragenen Code Wörtern vorhergesagt werdet kann.

Das oben beschriebene Codierungssystem mit Vorzeicheir/orharsage kann auch auf Systeme ausgedehnt werden, bei denen mehrere äußere Pegel ohne Rücksicht auf daj Vorzeichen in die Quanrisierungsschaltung eingefügt werden können. Da'i3f kann beispielsweise ein zehnitufiges System ajf acht definierte Möglichkeiten reduziert werden, wobei diese Möglichkeiten mit Hilfe eines drei-Bit-Coda, bei Weglassung der Vorzeichen-Kennzeichnungen in den Stufen 4 und 5, übertragen werden. Die drei inneren Stufen, mit der Nummerierung 1, 2 und 3 enthalten jeweils eine Vorzeich an -An.qaba, wodurch sich sechs Möglichkeiten insgesamt ergeben und für die Übertragung drei Codegruppen erfordern. Die Stufen Numinor 4 und 5, ohne Vorzeichen-Angribe, erfordern nur zwei Codegruppen für die Übertragung , Das System mit insgesamt 10 Stufen wird hierbei auf acht übertragene Kombinationen reduziert, die in der gleich Jn Weise, wie oben

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gezeigt wurde, mir einem drei'Bit-Code beschrieben werden können. Dor Empfänger bestimmt das Vorzeichen der Stufen Nummer 4 und 5 du;ch Ermittlung des Vorzeichens der zuvor übertragenen Stufe. Wann dar Shjfe mit der Größe 4 oder 5 ein unkorrektes Vorzeichen vorausgeht, dann wird die nächst niedrigere Stufe, oder die Stufe 3, mit dem korrekten Vorzeichen übertragen. Auf diese Weise bestimmt der Empfänger stets da; korrekte Vorzeichen des codierten Differenzsignals.

Wie aus der nachfolgend311 ausführlichen Beschreibung des Codierungssystems mit Vorzeichenvorhersage , das gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, zu entnehmen seinvird, kann dieses in einfacher Weise implementiert werden, um eine wirkungsvolle und ökonomische Verwendung von Naohrichrensystemen zu eimöglichßn, die nach Art eine·; konventionellen differentiellen Impulscodernodulationsverfahrens arbeiten. Eine ökonische Ausführung dieses Systems steigert den komtnorziellen Wort des Systems und /eibessert seine Möglichkeiten für eine zukünftige Verwendung in internationalen Nachrichfennerzwofken.

- H

109817/1830 bad original

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines durch Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispieles näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Nachrichtensystems

mit differentieller ^pulscodemodulation, das von der Vorzeichenvorhersage-Codierung der vorliegenden Erfindung Gebrauch macht; \

Fig, 2 ein ausführliches Blockschaltbild der Stufen-

ajswahlschaltung 105, die in Fig. 1 dargestellt ist;

Fig. 3 ein ausführliches Blockschaltbild der Stufen

erkennungsschaltung 103, die ebenfalls in Fig. 1 dargestellt ist;

Fig. 4 das Blockschaltbild eines Nachrichtensystems ,

mit differentieller ^pulscodemodulation, das eine alternative Ausführungsform der Vorzeichenvorhersage-Codierung der vorliegenden Erfindung verwendet;

Fig. 5 ein ausführliches Blockschaltbild der Pegelaus-

wahlschaltung 405, die in Fig. 4 dargestellt ist, und

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2 O Λ 7 2 5

Fig. 6 ein ausführliches Blockschaltbild der

Pegelerkennungsschaltung 408, die ebenfalls in Rg. 4 dargestellt ist.

Ein Nachrichtensystem mit differentieller Impulscodemodulation, das die Vorzeichenvorhersage-Codierung der vorliegenden Erfindung benutzt, ist in Fig. 1 dargestellt. Ein analoges Nachrichtensignal, das von einer konventionellen Signalquelle am Eingang 101 geliefert wird, wird zu der Subtrahierschaltung 102 übertragen. Ein erzeugtes Rückkopplungssignal wird von dem Eingangsnachrichtensignal in der Subtrahierschaltung 102 subtrahiert, um ein Differenzsignal zu .bilden. Das Differenzsignal stellt effektiv anstelle des gesamten Eingangssignals nur die Veränderung selbst da-. Da das Differenzsigna! Veränderungen darstellt, existiert im allgemeinen eine gleiche Möglichkeit der Variation in entweder der positiven oder der negativen Richtung. Die Abtastschaltung 103 tastet das Differenzsignal am Ausgang der Schaltung 102 in vorgegebenen Intervallen ab. Die Amplitudenabtastwerte am Ausgang der Abtastschaltung 103 werden im Schwellenwertnetzwerk 104, im Stufenselektor 105 und Code-Umsetzer 106 verarbeitet und das hieraus resultierende Signal über einen Übertragungskanal 107 zu einem fernen Empfänger übertragen.

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Das' Schwellenwertnetzwerk 104 besteht aus einem Satz von Schwel lenwertschaltungen, die die Amplitudenabfastwerte in neun quantisierte Stufen trennen. Vier der Stufen sind für positive Teile des Signales und vier Stufen für negative Teile des Signales reserviert, und eine Stufe dient zur Anzeige einer "0" im Signal. Die Quantisierungsstufen im Netzwerk 104 sind insofern symmetrisch, als die Amplitude jeder positiven Stufe gleich der Amplitude der entsprechenden negativen Stufe ist. Jede Qjantisierungsstufe des Netzwerkes 104 wird von einem anderen Impulscode angegeben, der an acht Ausgangsleitungen erscheint. Die acht Ausgangsleitungen des Schwellenwertnetzwerkes 104 sind mit den Nummern 1, 2, 3 und 4 bezeichnet und haben entweder positives oder negatives Vorzeichen, um vier positive und vier negative Schwellenwertstufen für das Ausgangssignal anzuzeigen. Die "O"-Stufe wird durch das Fehlen eines ™ Impulses auf allen Ausgangsleitungen angegeben. Die übrigen Quantisierungsstufen werden am Ausgang des Schwellenwertnetzwerkes 104 dadurch angegeben, daß jede Schwellenschaltung im Netzwerk in aufeinanderfolgende höhere Weite eingestellt wird, so daß jede Abtastung eine andere Anzahl von SchwelIwert-

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schaltungen anstößt (triggert), je nach dem wie groß ihre quanti sierte Amplitude ist. Won η beispielsweise ein Abtastwert eine quantisierte Amplitude besitzt, die der+3-Stufe entspricht, dann sprechen drei Schwellwertschaltungen auf die Abtastung an und erzeugen Impulse an den Leitungen, die mit +1, +2 und +3 bezeichnet sind.

Auf diese Weise wird die größte Quantisierungsstufe, d.h. die +4- oder -4-Stufe dadurch angegeben, daß alle positiv oder alle negativ bezeichneten Leitungen aktiviert sind. Wenn die quantisierte Amplitude des Abtastwertes der Schaltung 103 eine ¹O" ist, dann ist keine der Schwel Iwertschal tungen im Netzwerk 108 aktiviert und dann wird auch kein Impuls zu den Ausgangsleitungen Übertragen.

Wie vorstehend angegeben wurde, teilt das Schwellenwertnetzwerk

104 die Differenzabtastwerte der Abtastschaltung 103 in neun Quantisierungsstufen. Mit Hilfe konventioneller Mittel ist die maximale Anzahl von Stufen, die übertragen werden können, gleich acht. Gemäß der vorliegenden Erfindung jedoch präcodiert der Stufenselektor

105 das Signal vom Schwellenwertnetzwerk 104 mit Hilfe einer Vor-

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zeichenvorhersagetechnik und reduziert auf diese Weise die neun Stufen auf eine Form, die mittels eines drei-Bit-Codes übertragen werden kann. Der Stufenselektor 105 führt, kurz gesagt, diese Funktion dadurch aus, indem er effektiv die Vorzeichenangabe der+4- und -4-Stufen des Schwellenwertnetzwerkes 104 entfernt. Der Stufenselektor 105 empfängt den Impulscode vom Schwellenwertnetzwerk 104 und formt diesen Code in einen Code um, der als ein Impuls auf einer seiner acht Ausgangsleitungen erscheint, die mitA, B, C, D, EzF₇G und H bezeichnet sind. Da die Impulsbezeichnung auf einer und nur einer von acht Ausgangsleitungen sich auf einen Achter-Kombinations Code reduziert, kann sie mit einem konventionellen drei-Bit-Format dargestellt werden.

Der in Fig. 2 im Detail dargestellte Stufenselektor 105 reduziert λ

die neun Quantisierungsstufen des Netzwerks 104 ajf acht verschiedene Code-Kombinationen, indem er die Übertragung der äußeren Stufen +4 und -4 auf solche Fälle begrenzt, in denen der äußeren Stufe eine Stufe des gleichen Vorzeichens vorausgeht. Diese Begrenzung basiert auf der Voraussage, daß das Differenzsignal

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Hi

sich nicht von negativen Werten zu einem extrem positiven Wert und umgekehrt ändert. Die Vorhersage ist in beträchtlichem Maße genau, weil die Möglichkeit, daß zwei aufeinanderfolgende Abtastwerte des Differenzsignals sich von einem negativen Wert auf einen extrem positiven Wert oder von einem positiven Wert zu einem extrem negativen Wert verändern, relativ fern liegt. Da dieses eine Tatsache ist, können die beiden äußeren Stufen auf eine einzige Größe verringert und nur übertragen werden, wenn der vorher übertragene Codewert das richtige Vorzeichen besitzt und das Signal auch keine unzulässigen Verzerrungen aufweist. Wenn die Vorhersage falsch ist, so daß den äußeren Stufen +4 oder -4 eine Stufe des entgegengesetzten Vorzeichens vorausgeht, dann wird die extreme Stufe nicht übertragen, sondern die nächstgelegene Stufe mit dem korrekten Vorzeichen. Daher wird, wenn dem Abtastwert mit einer Größe, die der+4-Stufe entspricht, direkt ein Abtastwert vorausgeht, der einer negativen Stufe entspricht, der Code für die +3-Stufe übertragen anstelle des Codes für die Größe 4-Stufe.

Die vorstehend erläuterte Voraussagefunktion wird von dem in Fig. 2 dargestellten Stufenselektor 105 ausgeführt, indem die

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+4-Ausgangsleitung vom Netzwerk 104 mit einem UND-Tor 201 und die -4-Ausgangsleitung mit einem Sperrtor 202 verbunden wird. Um das Vorzeichen des vorausgegangenen Abtastwertes anzuzeigen, wird die +1-Ausgangsleitung der Schaltung 104 über eine Verzögerungsschaltung 203 sowohl mit dem UND-Tor 201 und dem Sperrtor 202 verbunden. Wenn der vorhergehende Abtastwert positiv ist, d.h. eine Amplitude besitzt, die den Stufen+1, +2, +3 oder+4 entspricht, erscheint an der mit+1 bezeichneten Ausgangsleitung ein Impuls. Die Verzögerungsschaltung 203 hat eine Verzögerungszeit, die gleich einem Abtastintervall ist.

Als Folge hiervon wird der auf der +1-Leitung erscheinende Impuls um ein Abtastintervall verzögert und erscheint am UND-Tor 201 und dem Sperrtor 202 erst beim nächsten Abtastintervall, wenn der nächste Satz von Code-Impulsen vom Netzwerk 104 erscheint.

Wenn der vorausgegangene Abtastwert positiv war, erscheint der \

Impuls auf der +!-Leitung nach seiner Übertragung durch die Verzögerungsschaltung 203 im nächsten Abtastintervall, um das UND-Tor zu öffnen und das Sperrtor 202 zu sperren. Wenn daher der äußeren Stufe M· eine positive Stufe vorausgeht, wird das UND-Tor 201 geöffnet und ein Impuls durch das ODER-Tor 204 zu der H-Ausgangsleitung des Stufenseiektors 105 Übertragen. In ähnlicher

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Weise wird, wenn der äußeren Stufe -4 eine negative Stufe vorausgeht, das UND-Tor 201 gesperrt und das Sperrtor 202 geöffnet, so daß der Impuls durch das ODER-Tor 204 zu der H-Ausgangsleitung des Stufenseiektors 105 geleitet wird.

Wenn entweder die +4- oder die -4-Stufe in einem Intervall aktiviert wird, dem eine Stufe des entgegengesetzten Vorzeichens vorausgeht, dann wird der Impuls mit der +4- oder -4-Stufe in dem UND-Tor 201 oder dem Sperrtor 202 jeweils gesperrt und nicht zu dem Ausgang des Stufensei ektors 105 Übertragen. Es kann bezüglich des Stufensei ektors 105, dargestellt in Fig. 2, bemerkt werden, daß die "0"-Stufe rein willkürlich in der gleichen Weise behandelt wird, wie eine negative Stufe im Vorhersageverfahren, so daß nur die -4-Stufe nach der "0"-Stufe übertragen werden darf. Im Falle einer falschen Vorhersage, bei der der Stufe +4 oder -4 eine Stufe des entgegengesetzten Vorzeichens vorausgeht, wird die nächst niedrigere Stufe, entweder die -3- oder die+3-Stufe automatisch durch den Stufenseiektor 105 übertragen, indem der Rest des Impulscodes des Netzwerkes 104 übertragen wird. Die Logiktore 205, 206, 207, 208,209, 210 und 211 im Stufensei ektor

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~yr-

105 wandeln den Impulscode des Schwellenwertnetzwerkes 104 und ODER-Tores 204 auf ein Codeformat, das als ein bestimmter Impuls auf nur einer der Ausgangsleitungen A,B, C,D, E, F, G und H anstelle eines Satzes von Impulsen auf aufeinanderfolgenden Leitungen , wie beim Ausgang des Schwellenwertnetzwerkes 104, erscheint. Es sei beispielsweise angenommen, daß ein Abtastwert

der Schaltung 103 eine quantisierte Amplitude von +3 besitzt. |

Dann werden die +1-, +2- und +3-Leitungen am Ausgang des Netzwerkes 104 aktiviert. Diese Impulse auf den genannten Leitungen werden in den Toren 205, 206, 207 und 208 verarbeitet, so daß ein Impuls an dem mit G bezeichneten Ausgang und an dem Rest der Ausgangsleitungen keine Impulse erscheinen. Die Impulse auf den +1- und +2-Leitungen werden in den Toren 206, 207 und 203 wegen der dargestellten logischen Schaltung, die einen bekannten Aufbau besitzt, gesperrt. In der Abwesenheit eines Eingangsimpulses auf entweder der +1- oder -!-Leitungen vom Netzwerk 104, erzeugt die Torschaltung 208 einen Impuls auf dem D-Ausgang, um eine ¹¹O"-Stufe anzuzeigen. Aus Gründen der Eindeutigkeit, besitzt jede Ausgangsleitung des Stufenseiektors 104 eine in Klammern angegebene Bezeichnung, die angibt, weiche Quantisierungsstufe notwendig ist,

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um einen Impuls auf dieser Leitung zu erzeugen.

Der Code-Umsetzer 106 empfängt den Code von dem Stufenselektor 105 auf seinen acht Eingangsleitungen und wandelt diesen Code in ein drei-Bit-Format. Der Codewandler 106 kann jeden bekannten Aufbau besitzen. Der zu seinem Eingang übertragene Code erscheint zu jedem Abtastintervall als ein einzelner Impuls auf einer von acht möglichen Eingangsleitungen. Da nur eine Leitung bei jedem Abtastintervall aktiviert wird, hat der Eingangscode acht mögliche Variationen. Der Codewandler 106 wandelt nur diesen Typ con Code um, d.h. die eine von acht Kombinationen in einen drei-Bit-Code, bei dem die acht Kombinationen durch die acht Möglichkeiten angegeben sind, die mit "0" und "1" in einer drei-Bit-Folge erzeugt werden können. Jede drei-Bit-Codegruppe wird nacheinander über einen Übertragungsweg zu dem Empfängerteil des S/stems übertragen .-Der Rückkopplungspfad des Empfängerteils des in Fig. 1 dargestellten Systems besteht aus dem Stufendetektor 108, dem Digital-Analogwandler 109 und der Integrationsschaltung 110, kurz Integrator 110 genannt. In diesem Rückkopplungspfad wird das Differenzsignal mit Hilfe des Stufendetektors 108 und des Digital-Analogwandlers 109 decodiert und zu dem Integrator

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110 übertragen, um eine Abschätzung des Eingangssignales zu bilden, das zu der Subtrahierschaltung 102 rückübertragen wird.

Die Funktion des Stufendetektors 108, der in schematischer Form in Fig. 3 dargestellt ist, besteht darin, den ^ 4-Code von dem ODER-Tor 204 im Stufenselektor 205 in die +4- und -4-Stufen des quantisierten Differenzsignales zu trennen. Wenn dem ^ 4-Code eine negative oder eine "0"-Stufe vorausgeht, wird er in einen -4-Code gewandelt. Wenn diesem -4-Code eine positive Stufe vorausgeht, wird er in einen +4-Code umgewandelt. Um dieses Resultat zu erzielen, werden die +1-, +2- und +3-Leitungen über das ODER-Tor 301 gespeist und deren Signale über die Verzögerungsschaltung 302 zu dem UND-Tor 303 und Sperrtor 304 übertragen. Die Verzögerungsschaltung 302 besitzt eine Verzögerungszeit, die einem Abtastintervall entspricht, so daß wenn ein Impuls auf entweder der +1-, +2-oder +3-Eingangsleitung erscheint, dieser Impuls erst ein Abtastintervall später auch an dem UND-Tor 303 und Sperrtor 304 erscheint. Das -4-Eingangssignal wird direkt zu dem UND-Tor 303 und Sperrtor 304 übertragen, so daß wenn die vorige Stufe des Stufenselektors 105 negativ war, am Ausgang der Verzögerungsschaltung

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302 kein Impuls erscheint, so daß das Sperrtor 304 geöffnet wird, um auf der mit -4 bezeichneten Leitung einen Impui s zu dem Ausgang des Detektors 108 zu übertragen. In ähnlicher Weise wird, wenn die *4-Leitung in einem Abtastintervall aktiviert wird, Indem eine positive Stufe vorausgeht, d.h. ein Impuls auf der+1-, +2-oder +3-Leitung, dann erscheint ein Impuls am Ausgang der Verzögerungsschaltung 302, der das UND-Tor 303 öffnet, das Sperrtor 304 schließt und hierdurch bewirkt, daß ein Impuls auf dem +4-Ausgang des Stufendetektors 108 erscheint. Das Signal am +4-Ausgang wird zu dem ODER-Tor 301 zurückübertragen, so daß die entsprechende Vorzeicheninformation für die vorhergegangenen Stufen erzielt wird, wenn aufeinanderfolgende -4-Codes festgestellt werden. Auf diese Welse wird dem zweiten "^4-Code richtig das gleiche Vorzeichen gegeben wie dem vorausgegangenen ^4-Code. - Die +4- und -4-Ausgangs-" leitungen des Detektors 108 werden zusammen mit den +3- bis -3-

Leitungen des Selektors 105, mit dem Eingang des Digital-Analogwandlers 109 verbunden.

Die Impulsangaben auf den neun Eingangsleitungen des Digital — Analogwandlers 109 werden auf konventionelle Weise in ein analoges Signal umgewandelt, das in der Integrationsschaltung UO integriert

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wird; das integrierte Signa! wird für seine Subtraktion vom Eingangssigna! zu der Subtraktionsschaitung 102 übertragen. Im Empfangsteil des in Fig. 1 dargestellten Systems erscheint der vom Wandler 106 übertragene Code am Eingang 120 und er wird zu dem Codewandler 121 übertragen. Der Codewandler 121 ist eine bekannte konventionelle Schaltung, die eine

Operation durchführt, die eine Inversion der Umwandlungsoperation '

darstellt, die von der Schaltung 106 im Sender durchgeführt wird. Jeder ankommende drei-Bit-Code wird in einen Code umgewandelt, der als ein Impuls auf einer von acht Ausgangsleitungen erscheint. Zur Klarheit sind die acht Leitungen am Ausga-ig des Codewandlers 121 mit -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3 und *4, wie dargestellt, bezeichnet, um den Angaben zu entsprechen, die am Eingang der Schaltung 106 im Sender verwendet werden. Jede dieser Ausgangsleitungen wird in Abhängigkeit von einem ausgewählten von acht g von der Schaltung 106 übertragenen Codes aktiviert. Wie im Sendeteil des Systems muß ein impuls auf der mit- 4 bezeichneten Leitung gemäß dem Vorzeichenvorhersagesystem in entweder einen +4- oder -4-Code umgewandelt werden. Der Stufendetektor 122 führt diese Funktion in identischer Weise wie der im Sender dargestellte

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1 0 9 8 i 7 / 1 8 J 0

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Srufendetektor 108 aus. Wann dem - 4-Code eine positive Stufe vorausgeht, wird er in einen +4-Code und wenn ihm oin "0"- oder ein negativer Pegel vorajsgsht, in einen -4-Cods umgewaidslt. D'.e sich ergebenden neun Kombinationen werden auf konventionelle Weise in analoge Form ίτι Analaogwandler 123 umgewandelt und im Integrator 124 integriert/ um das Ausgangssignal zu erzeagsn, da; zu einer beliebigen Verbrauchereinrichlung übertragen werden kann«

Bei der erneuten Betrachtung dss in Fig. 1 dargestellten Ausführungs-. bsispieis der Erfindung sollte in Erinnerung behalten werden, daß das wesentliche Merkmal darin besteht, daß der Stufenselektor 105 die neun Qüantisierungsstufen des Schwel lenwertneizwerkes 104 auf ein Format reduziert, das mit einem Stuidaid-drei-Bit-Code codiert werden kann. Die Arbeitsweise des Siufenselektors 105 basiert auf der Annahme, daß das Vorzeichen der äußeren Stufen des Schtvellenwertnetzwerkes 104 ziemlich genau vorhergesagt werden kann, indem das Vorzeichen der zuvor erzeugten Stufe beobachte* wird.

Die Verwendung dieses grundlegenden Prinzips gestattet dem in Fig. 1 gezeigten System eine Ausdehnung auf ein System irrt einem Schvvollenwertnetzwerk, das anfänglich ein Signa! in zehn Quantisieiungssfufen unterteilt. Ein solches System mit oinem <:shnstufigen Schvvßllenwerfnetzwork ist in Fig. 4 dargestellt. In gleicher Wo ise wie beim in Fig. 1 dargestellten System w^;td ein analoges Nnchrichtensignal zu dem Eingang 401 übertragen und zu der Subtrahierschaltung 402 woitergeleitet. Ein Rückkopplungssigna! wud

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10 98 1 11 T β 30

BAD ORIGINAL

■gur -»-

von dem analogen Signal in der Subirahierschalhng 402 abgezogen und das resultierende Differenzsignal in der Abtasterschaltung

403 abgetastet. Das in Fig. 4 dargestellte Schwellenwsrtnetzwerk

404 entspricht in seiner Funktion dem Schwellenwertnetzwerk 104, das in Fig. 1 dargestellt ist, jedoch mit der Ausnahme, daß das Differenzsignal nicht in neun Stufen, sondern in zehn Stufen eingeteilt wird, indem die Unterteilung in fünf positive und fünf negative Stufen vorgenommen und die "O"-Stufe eliminiert wird. Gemäß dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden diese zehn Stufen auf acht drei-Bit-Codekombinationen reduziert, indem die Stufen der Größe 4 und 5 ohne Vorzeichenangabe übertragen werden. Um dieses durchzuführen, werden sowohl die Stufen der Größe 4 und 5 nur dann übertragen, wenn die vorausgehende Stufe das gleiche Vorzeichen besitzt. Auf diese Weise wird, wie beim System dar Fig. 1, wenn das vorausgegangene Zeichen oder das vorhergesagte Zeichen falsch ist, weder die Stufe 4 noch die Stufe 5 übertragen, sondern die nächste, die Stufe 3 mit einer Codebezeichnung, die das richtige Vorzeichen angibt.

Der im Detail in Fig. 5 gezeigte Stufenseiektor 405 führt diese Operation aus, indem er die Stufen der Größe 4 und 5 sperrt, wann immer ihr Vorzeichen sich von einer vorausgegangenen Stufe unterscheidet. Den +4- und -4-Stufen sind ein Code zugeteilt, ebenso den +5- und -5-Stufen ein anderer. Die verbleibenden sechs Stufen halten individuelle Codes für eine Gesamtzahl von acht möglichen Kombinationen bereit. Diese Funktion wird von dem Stufenselektor 405 in einer Weise ausgeführt, die derjenigen ähnlich ist, die im Zusammenhang mit dem Stufenselektor 105

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in Fig. 1 erläutert wurde. Das UND-Tor 50I₇ das Sperrtor 502 und das Verzögerungselement 503, die in Fig. 5 dargestellt sind, führen identische Funktionen aus, wie die Elemente 201, 202 und 203 in Fig. 3, so daß die +4- und -4-Stufen kombiniert und über das ODER-Tor 504 zu dem i.iit H bezeichneten Ausgang in ähnlicher Weise überfragen werden, wie bei der in Fig. 2 dargestellten Schaltung.

In ähnlicher Weise werden die Stufen -5 und +5 mit Hilfe des UND-Tores 505 und des Sperrtores 50ό kombiniert, wobei diese beiden genannten Tore mit dem Verzögerungselement 503 in gleicher Weise verbunden sind wie die Tore 501 und 502« Der -5-Code wird dann auf dem r.iit S bezeichneten Ausgang durch das ODER-Tor 507 hindurch angezeigt. Um die Ähnlichkeit zwischen dem Stufenseiektor 405 in FEg. 5 und dem Stufenseiektor 105 in Fig. zu zeigen, wurden die Ausgangsleitungen mit A, B, C, E, F, G, H und I bezeichnet. Die D-Ausgangsleitung wurde weggelassen, um anzuzeigen, daß die ^w0"-Stufe in dem in den Fig. 4 und 5 dargestellten System nicht verwendet wird, und daß die I-Stufe hinzugefügt wurde, um zu zeigen, daß die zusätzliche * 5-Stufe anstelle der ^i!O^u-Sfufe hinzugefügt wurde. Die +1- und -1-Eingänge

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2 O A 7 2 5 A

des Stufenselektors A05 werden von einem einzigen Schwellenwert in dsm Schwellenwertnetzwerk 404 gesteuert, wobei der+1-Ongcng vo:i einem positiven Abtastsignal und der -!-Eingang von einem negaliven Abtastsignal aktiviert werden. Cs ist offensichllieh, daß die 'n Fig. 5 dargestellte Schaltung ferner noch acht Ausgangsleifungen enthält, von denen jede von einem ausgewählten Impuls

aktiviert wird, um einen speziellen Code anzugeben. Die logischen ™

Tore 510,511, 512,513,514,515 und 516 wandeln den Code vom Schwel lenwertnetzwerk 401 und den ODER-Toren 504 und 507 ajf ein Formai, in dem η Jr eine einzige Aasgangsleitung des Siufenselekiors 405 aktiviert ist, um einen gegebenen Code anzuzeigen. -Hierbei wird das gleiche Schema verfolg', das auch im Zusammenhang mit den Fig„ 1 und 2 benutz! wurde.

In der gleichen ArI, wie bei dem in Fig. 1 gezeigten System, wird ύ

der \-"jn dem Slufenselekior 405 in Fig. 4 orzeugte Code auf ein drei-Bii-[ omuii im Codewaodler 406 umg3wandeli und über einen Übertragungsweg 407 zu dem Empfangsteil des Sysiems übertragen. Im Rückkopplungszweig des in Fig. 4 dargestellten Systems verarbeiten der Stufendetektor 408, der Digiial-Analogv/andler 409 und der

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⁸AD OHtGiNAL

lntegrator 410 den Code von dem Stufenseiektor 405, um das Differenzsignal in analoge Form umzuwandeln und um eine Abschätzung des Eingangssignals in der Subtrahierschaltung 402 bereitzustellen. Der Stufendetektor 408 arbeitet nach dem gleichen Prinzip, wie der Stufendetektor 108 in Fig. 1.

Der Shjfendetektor 408 , der ausführlich in Fig. 6 dargestellt ist, besitzt fünf Eingangsleitungen, die mit+1, +2 ,+ 4 und +5 bezeichnet sind und besitzt vier Ausgangsleitungen, die mit +5, +4,-4 und -5 angegeben sind. Ihre Funktion besteht darin, das Vorzeichen Jedes der +4- und +5-Codes zu bestimmen. Dieses wird dadurch erreicht, daß die +1-, +2- und +3-Eingangssignale über das ODER-Tor 601 und das Verzögerungselement 602 mit einer Verzögerung, die einem Abtastintervall entspricht, zu den logischen Toren 603, 604 , 605 und 606 übertragen werden. Wenn entweder die +1-, +2- oder +3-Eingänge aktiviert werden, werden auch die in Fig, 6 dargestellten UND-Tore 603 und 605 im nächsten Abtastintervall geöffnet. Auf diese Weise wird, wenn der nachfolgende Code entweder jeweils die +5- oder +4-Leitungen aktiviert, entweder der +5- oder der +4-Ausgang erregt. In ähnlicher Weise werden die -A- und -5-Ausgänge aktiviert über das Sperrtor 606 oder 604, wenn die +4- oder +5-Eingänge

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is

im Anschluß απ einen negativen Code vom Stufensei ektor 404 erregt werden. Sowohl die +5- als auch +4-Ausgangssignale von den UND-Toren 603 und 605 werden zurück zu dem ODER-Tor 601 übertragen, um für den Fall vorzuliegen, wenn der vorangegangene Code eine Stufe 4 oder Stufe 5 ist. Hieraus folgt, daß das richtige Vorzeichen für nachfolgende Codes höherer Stufen

in der gleichen Weise zurückgeha*ten wird, wie für die voran- "

gegangenen Codes niedrigerer Stufen. Ein Digiial-Analogwandler 409 bekannter Bauart wandelt den Code, der an seinen zehn Emgangsleitungen von dem Stufensei ektor 405 und dem Stufendetektor 403 her übertragen wird, in ein analoges Signal um, das dann in dem Integrator 410 integriert wird, um eine Abschätzung des Eingangssignales zu erzeugen.

Der Ernpfangsteil des in Fig. 4 dargestellten Systems besteht aus ά

dem Codewandler 421, dem Stufendetektor 422, dem Digital-Analogwandler 423 und dem Integrator 424, die in ihrer Funktion den entsprechenden Elementen mit der 300er Nummerierung in Fig.l entsprechen. Kurz gesagt führt der Codewandler 421 die inverse Funktion des Wandlers 406 im Sender aus und aktiviert eine seiner acht Ausgangsleitungen, die, wie dargestellt, bezeichnetsind.

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Der Stufendetektor 422, der in seinem Aufbau dem Stufendetektor 408 Identisch Ist, bestimmt das richtige Vorzeichen für die +4- und +5-Codes, indem er die vorhergehenden Codes beobachtet. Der Digital-Analogwandler 423 wandelt den entstehenden Code vom Codewandler 421 und Stufendetektor 422 in eine Analogform . Das Signal am Ausgang des Integrators 424 ist die rekonstruierte Version des Originaleingangssignals, das an dem Eingang 401 eingespeist wird.

Obwohl die vorliegende Erfindung als Ausführungsbeispiel im Zusammenhang mit einem Nachrichtensystem mit differentieller Impulscode-Mcdularion in den Fig. 1 und 4 dargestellt wurde, ist das prädiktive Codierungssystem dieser Art nicht auf differentielle Systeme beschränkt. Solange das zu codierende Signal sich oberhalb und unterhalb eines Mittelwertes verändert und solange es ausreichend gut vorhersagbar ist, daß das Signal sich nicht sehr oft von einer Seite der Mittellinie auf die andere Seite der Mittellinie verändert, dann kann die prädictive Codierung der vorliegenden Erfindung dazu benutzt werden, die Anzahl der erforderlichen Codes zu reduzieren, um einen Satz von Quantisierungsstufen wahrheitsgetreu darzustellen. -

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

(ly Einrichtung zur Codierung von Informationssignalen eines Typs, der aus einer Anordnung zur Abtastung und Quantisierung der Informationssignale in eine vorgebbare Anzahl von Quanfisierungsstufen , und zwar in eine Anzahl von Stufen (+1 bis +4) oberhalb eines gegebenen Medians und eine Anzahl von Stufen (-1 bis -A) unterhalb des gegebenen Medians , und einer Anordnung zur Erzeugung einer Codedarstellung der quantisierten Abtastwerte besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung (104, 105,10ό; Fig, 1) zur Erzeugung der Codedarstellung aus einer Anordnung (105, 10ό, 204) zur Erzeugung eines einzigen Codes sowohl für Abtastwerte mit einer gegebenen Stufe über dem Median

als auch für Abtastwerte mit einer gegebenen Stufe unterhalb ™

des Medians, wenn dem Abtastwert der gegebenen Stufe ein Abtastwert auf der gleichen Seite des Medians vorausgeht, und ays einer Anordnung (105, 10ό, 201, 202) zur Erzeugung eines Gxles zur Darstellung von Abtastwerten beider gegebenen Stufen von Abtastwerten, wobei dieser Code auch einen Abtast-

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wert einer niedrigeren Stufe darstellt, wenn dem Abtastwert der gegebenen Stufe ein Abtastwert α jf der entgegengesetzten Seite des Medians vorausgeht, besteht.
2. Einrichtung zur Codierung von Informationssignaien nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der einzige Code Abtastwerte (+4, -4) darstellt, die eine maximale Anzahl von Stufen über- oder unterhalb des Medians besitzen.
3. Einrichtung zur Codierung von Informationssignalen nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß wenn den Abtastwerrem einer gegebenen Stufe (+4, -4) ein Abtastwert auf der entgegengesetzten Seite des Medians vorausgeht, die Abtastwerte der gegebenen Stufe dargestellt werden von Codes, die die nächst niedere Stufe (+3, -3) auf der gleichen Seite des Medians darstellen,
4. Einrichtung zur Codierung von Informationssignalen nach Anpruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Erzeugung von Codedarstellungen aus einer Anordnung zur Erzeugung eines Codes besteht, der die Medianstufe (DO) der Abtastwerte darstellt.

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ν Cl A 7 2 5 A 33 -
5. Einrichtung zur Codierung von Infonnationssignalen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß d;e Anordnung zur Erzeugung von Codedarstellungen (104, 105, 106; Fig.l) aus einer Anordnung zur Erzeugung von Codes b»2steht, die die Veränderungen der Signalamplitude zwischen dem gerade vorliegenden und dem vorangegangenen Abtastwert darstellen.
6. Einrichtung zur Codierung von Informationssignalen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Erzeugung von Codedarstellungen (104, 105. 10ό; Fig.l) aus einer Anordnung zur Erzeugung des Codes besteht, der die Medianstufe (DO) der Differenz zwischen den Amplituden von aufeinanderfolgenden Abtastwerten darstellt.

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