DE2047254B2 - Einrichtung zur Codierung von Informationssignalen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Codierung von Informationssignalen mit einer Anordnung /ur Abtastung und Quantisierung der Informationssignale in eine vorgegebene Anzahl von Quantisierungsstufen, und zwar in eine Anzahl von Stufen oberhalb eines gegebenen Mittelwertes und eine Anzahl von Stufen unterhalb des Mittelwertes, und mit einer Anordnung zur Erzeugung einer Code-Darstellung der quantisier-

SIuIc	( eiilc
+ 4	III
+ .1	IK)
+ 2	K)I
+ I	100
I	0(K)
2	001
- .1	010
- 4	on

Jede drei Bit umfassende, d. h. dreistellige Codegruppe, wird überfragen, wenn das abgetastete Differenzsignal seine entsprechende 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 Empfanger decodiert werden können, um die quantisierten Abtastwerte zu reproduzieren. Es ist ein charakteristisches Merkmal derartiger Binärcodierungen, daß die Anzahl von Kombinationen oder Stufen, die mit einem gegebenen Code beschrieben werden können, eine Potenz von zwei mit einem Exponenten ist, 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, gleich 2³ oder 8, und mit vier Bits ist die Zahl der Möglichkeiten 2* oder 16.

Bei vielen Anwendungen ist es oft wünschenswert einen Code mit drei Bits für die Beschreibung eines gegebenen Eingangssignals zu benützen. Bei normalen Abtastraten läßt die drei-Bit-Codegruppe beträchtliche Bit-Raten, das sind Bit-Übertragungsgeschwindigkeiten, zu. die innerhalb der für das Syjtem gewünschten Kanalkapazität liegen. Oft ist es jedoch luch wünschenswert die Zahl der Quantisierungsstufen, die für die Beschreibung des Differenzsignals in dem System benutzt werden, zu erhöhen. Die Erhöhung der Zahl der Quantisierungsstufen verringert im allgemeinen die Größe des Abstands zwischen den Stufen und vermindert dadurch Fehler, die die Quantisierung eines kontinuierlichen Signals innewohnen. Bei konventionellen Binärcodierungen, 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%, da das hinzugefügte Bit in jeder Codegruppe wiederholt wird. Darüber hinaus ergibt sich wegen der Natur der binären Codierung, daß, wenn eine Vier-Bit-Codegruppe verwendet wiri, die Anzahl der Stufen nicht kleiner sein soll als 16, um die Kapazität des Systems voll auszunutzen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Anzahl der Quantisierungsstufen erhöhen zu können, ohne die Anzahl der Bits, die zur Beschreibung des Signals notwendig sind, ebenfalls zu erhören. Ferner soll zur Erzielung höherer Flexibilität im Codierungssystem eine ungerade Zahl von Quantisierungsstufen, beispielsweise neun, dazu verwendet werden können, eine Null-Stufe in die Skala einer symmetrischen Quantisierungsschaltung einzubeziehen, ohne eine im System unausgemuzte Kapazität vorsehen zu müssen.

Als Ergebnis der vorstehenden Diskussion sei zunächst festgehalten, daß bei der symmetrischen Quantisierung eines Differenzsignals jede Quantisierungsstufe in Form einer Größe und eines Vorzeichens definiert werden kann. In dem obigen Beispiel mit 8 Stufen kann das System mit vier Größen beschrieben werden, wobei jeder Größe ein Vorzeichen, Plus oder Minus, zugeordnet ist, um die 8 Stufen oder 8 möglichen Kombinationen für das Übertragene Signal zu erhalten. Zur Lösung der vorstehend angegebenen Aufgabe geht die Erfindung aus von einer Einrichtung der eingangs genannten Art und ist gekennzeichnet durch eine Anordnung zur Erzeugung eines einzigen Codes sowohl für Abtastwertc mit einer gegebenen Stufe über dem Mittelwert als auch für Abtastwerte mit einer gegebenen Stufe unterhalb des Mittelwertes, wenn dem Abtastwert der gegebenen Stufe ein Abtastwert mit

bezüglich des Mittelwertes gleicher Polarität vorausgeht, und durch eine Anordnung zur Erzeugung eines Codes, der beide gegebenen Stufen von Abtastwerten und außerdem einen Abtastwert einer niedrigeren Stufe darstellt wenn dem Abtastwert der gegebenen Stufe ein Abtastwert mit bezüglich des Mittelwerts entgegengesetzter Polarität vorausgeht

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 Vorzeichenvorhersage vorsieht die die Vorzeicheninformation für die äußeren Stufen des Quantisierers übergeht und annimmt daß, wenn immer 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 äußeren Stufe eine Stufe mit dem entgegengesetzten Vorzeichen vorausgeht Wenn die Vorhersage falsch ist wird eine niedrigere Stufe mit dem korrekten Vorzeichen anstelle der äußeren Stufe übertragen. Eine unkorvekte Vorhersage erhöht jedoch den effektiven Quantisierungsfehler in solchen Fällen in dem 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-Rate des Systems zu erhöhen. Dieses bedeutet — anders ausgedrückt —,daß die Streichung des Vorzeichens in den äußeren Stufen und die Einfügung der »O«-Stufe das quantisierte Signal noch bei acht definierten Kombinationen beläßt, die mit Hilfe eines drei-Bit-Code beschrieben werden können. Dieses Ergebnis wird im obigen Beispiel dadurch erreicnt, 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 wird, wirtf dann zur Angabe der »O«-Stufe benutzt. Wie einzusehen ist verringert die »O«-Stufe den Quantisierungsfehler für kleine Signale, indem die Stufengröße zwischen den kleinsten Quantisierungsstufen verringert wird. Die äußeren Stufen bleiben relativ unbeeinflußt, da ihr Vorzeichen ziemlich genau aus den vorher übertragenen Codewörtern vorhergesagt werden kann.

Das oben beschriebene Codierungssystem mit Vorzeichenvorhersage kann auch auf Systeme ausgedehnt werden, bei denen mehrere äußere Pegel ohne Rücksicht auf das Vorzeichen in die Quantisierungsschaltung eingelegt werden können. Daher kann beispielsweise ein zehnstufiges System auf acht definierte Möglichkeiten reduziert werden, wobei diese Möglichkeiten mit Hilfe eines drei-Bit-Code, bei Weglassiing der Vorzeichen-Kennzeichnungen in den Stufen 4 und 5, übertragen werden. Die drei inneren Stufen, mit der Nurr frierung I, 2 und 3 enthalten jeweils eine Vorzeichen-Angabe, wodurch sich sechs Möglichkeiten insgesamt ergeben und für die Übertragung drei Codegruppen erfordern. Die Stufen Nummer 4 und 5, ohne Vorzeichen-Angabe, erfordern nur zwei Code-

gruppen für die Übertragung. Das System mit insgesamt 10 Stufen wird hierbei auf acht übertragene Kombinationen reduziert, die in der gleichen Weise, wie oben gezeigt wurde, mit einem drei-Bit-Code beschrieben werden können. Der Empfänger bestimmt das Vorzeichen der Stufen Nummer 4 und 5 durch Ermittlung des Vorzeichens der zuvor übertragenen Stufe. Wenn der Stufe 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 das korrekte Vorzeichen des codierten Differenzsignals.

Wie aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung des Codierungssystems mit Vorzeichenvorhersage, das gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, zu entnehmen ist, kann dieses in einfacher Weise verwirklicht werden, um eine wirkungsvolle und ökonomische Verwendung von Nachrichtensystemen zu ermöglichen, die nach Art eines konventionellen differentiellen Impulscodemodulationsverfahrens arbeiten. Eine ökonomische Ausführung dieses Systems steigert den kommerziellen Wert des Systems und verbessert seine Möglichkeiten für eine zukünftige Verwendung in internationalen Nachrichtennetzwerken.

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

F i g. 1 ein Blockschaltbild eines Nachrichtensystems mit differentieller Impulscodemodulation, das von der Vorzeichenvorhersage-Codierung der vorliegenden Erfindung Gebrauch macht,

Fig.2 ein ausführliches Blockschaltbild der Stufenauswahlschaltung 105, die in F i g. 1 dargestellt ist,

F i g. 3 ein ausführliches Blockschaltbild der Stufenerkennungsschaltung 108, die ebenfalls in Fig. 1 dargestellt ist,

Fig.4 das Blockschaltbild eines Nachrichtensystems mit differentieller Impulscodemodulation, das eine alternative Ausführungsform der Vorzeichenvorhersage-Codierung der vorliegen Jen Erfindung verwendet,

F i g. 5 ein ausführliches Blockschaltbild der Pegelauswahlschaltung 405, die in F i g. 4 dargestellt ist, und

F i g. 6 ein ausführliches Blockschaltbild der Pegelerkennungsschaltung 408, die ebenfalls in F i g. 4 dargestellt ist

Ein Nachrichtensystem mit differentieller Impulscodemodulation, das die Vorzeichenvorhersage Codierung der vorliegenden Erfindung benutzt, ist in F i g. 1 dargestellt Ein analoges Nachrichtensignal, das von einer konventio-.rellen 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 dar. Da das Differenzsignal Verandeningen 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 Ober einen Übertragungskanal 107 zu einem fernen

Empfänger übertragen.

Das Schwellenwertne'izwcrk 104 besteht aus einem Satz von Sch wellen wen schaltungen, die die Amplitudenabtastwerte in neun quantisierte Stufen trennen. Vier der Stufen sind für positive Teile des Signals und vier Stufen für negative Teile des Signals 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 isL Jede Quantisierungsstufe des Netzwerkes 104 wird von einem anderen Impulscode angegeben, der an acht Ausgangsleitungen erscheint. Die acht Ausgangsleitungen des Schwelleriwertnetzwerkes 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 Impuls*» auf allen Ausgangsleitungen angegeben. Die übrigen Quantisierungsstufen werden am Ausgang des Schwellenwertnetzwerkes 104 dadurch angegeben, daß jede Schwellenschaltung im Netzwerk in aufeinanderfolgende höhere Werte eingestellt wird, so daß jede Abtastung eine andere Anzahl von Schwellwertschaltungen anstößt (triggert), je nachdem, wie groß ihre quantisierte Amplitude ist. Wenn beispielsweise ein Abtastwert eine quantisierte Amplitude besitzt die der +3-Stufe entspricht, dann sprechen drei Sciiwellwertschaltungen 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 »0« ist, dann ist keine der Schwellwertschaltungen im Netzwerk 108 aktiviert und dann wird auch kein Impuls zu den Ausgangsieitungen 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 Vorzeichenvorhersagetechiiik 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, daß er effektiv die Vorzeichenangabe der +4- und — 4-Stufen des Schwellenwertnetzwerkes 104 entfernt Der Stufenselektor 105 empfingt den Impulscode vom Schwellenwertnetzwerk 104 und formt diesen Code in einen Code um, der als ein Impuls auf einer seiner acht Ausgangsieitungen erscheint die mit A, B, C, D, E, F, G und H bezeichnet sind. Da die Impulsbezeichnung auf einer und nur einer von acht Ausgangsieitungen 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 die neun Quantisierungsstufen des Netzwerks 104 auf acht verschiedene Code-Kombinationen, indem er die Übertragung der äußeren Stufen +4 und —4 auf solche Falle begrenzt in denen der äußeren Stufe eine Stufe des gleichen Vorzeichens

vorausgeht. Diese Begrenzung basiert auf der Voraussage, daß das Differenzsignal sich nicht von negativen Werten zu einem extrem positiven Wert und umgekehrt ändert. Die Voi hersage ist in beträchtlichem Maße genau, weil die Möglichkeit, daß zwei aufeinanderfol- -> gende Abtastwerte des Differenzsignals sich von einem negativen Wert auf einen extrem positiven Wert oder von r^lem positiven Wert zu einem extrem negativen Wert verändern, relativ fern liegt. Da dieses eine Tatsache ist, können die beiden äußeren Stufen auf eine in 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 r, Stufe des entgegengesetzten Vorzeichens vorausgeht, dann wird die extreme Stufe nicht übertragen, sondern die nächstgelegene Stufe mit dem korrekten Vorzeichen. Deher wird wenn dem Abtsstw^rt mit einer Größe, die der +4-Stufe entspricht, direkt ein >n 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 F i g. 2 dargestellten Stufenselektor 105 r> ausgeführt, indem die +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 x> Schalung 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 ι; +1 bezeichneten Ausgangsleitung ein Impuls. Die Verzögerungsschaltung 203 hat eine Verzögerungszeit, die gleich einem Abtastintervall ist. Als Folge hiervon wird der auf der +!-Leitung erscheinende Impuls um ein Abtastintervall verzögert und erscheint am 4it 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 +4 eine positive Stufe vorausgeht wird das UND-Tor 201 geöffnet und ein Impuls durch das ODER-Tor 204 zu der //-Ausgangsleitung des Stufenselektors 105 abertragen. In ähnlicher 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 //-Ausgangsleihing des Stufenselektors 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 w dem Sperrtor 202 jeweils gesperrt und nicht zu dem Ausgang des Stufenselektors 105 übertragen. Es kann bezüglich des Stufenselektors 105, dargestellt in F i g. 2, bemerkt werden, daß die »O«-Stufe rein willkürlich in der gleichen Weise behandelt wird, wie eine negative Stnfe im Vorhersägeverfahren, so daß nur die —4-Stnfe nach der »O«-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 Stufenselektor 105 übertragen, indem der Rest des Impulscodes des Netzwerkes 104 übertragen wird. Die Logiktore 205, 206, 207, 208, 209, 210 und 211 im Stufenselektor 105 wandeln den Impulscode des Schwellenwertnetzwerkes 104 und ODER-Tores 204 in ein Codeformat, das als ein bestimmter Impuls auf nur einer der Ausgangsleitungen A₁ 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 205,208,207 und 2QS v?rsrb?!t?t; so deS ?in !rnⁿuls en dem mit C? 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 208 wegen der dargestellten logischen Schaltung, die einen bekannten Aufbau besitzt gespeirt. 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 »O«-Stufe anzuzeigen. Aus Gründen der Eindeutigkeit besitzt jede Ausgangsleitung des Stufenselektors 105 eine in Klammern angegebene Bezeichnung, die angibt, welche Quantisierungsstufe notwendig ist 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 von 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 Ober einen Übertragungsweg zu dem Empfangerteil des Systems übertragen. Der Rückkopplungspfad des Empfängcrteils des in F i g. 1 dargestellten Systems besteht aus dem Stufendetektor 108, dem Digital-Analogwandler 109 und der Integrationsschaltung 110, kurz Integrator HO genannt In diesem Rückkopplungspfad wird das Differenzsignal mit Hilfe des Stufendetektors 108 und des Digital-Analogwandlers 109 decodiert und zu dem Integrator HO Obertragen, um eine Abschätzung des Eingangssignals 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 Differenzsignals zu trennen. Wenn dem ±4-Code eine negative oder eine »Οκ-Stufe vorausgeht wird er in einen —4-Code gewandelt Wenn diesem ±4-Code eine positive Stufe vorausgeht, wird er'iii einen +4-Code umgewandelt Um dieses Resultat zu erzielen, werden die +1-, +2- und +3-Leitungen Ober

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, die^cfir 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 302 kein Impuls erscheint, so daß das Sperrtor 304 geöffnet wird, um auf der mit -4 bezeichneten Leitung einen Impuls 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 Weise wird dem zweiten ±4-Code richtig das gleiche Vorzeichen gegeben wie dem vorausgegangenen ±4-Code. — Die +4- und —4-Ausgangsleitungen 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 kunventionelle Weise in ein analoges Signal umgewandelt, das in der Integrationsschaltung HO integriert wird; das integrierte Signal wird für seine Subtraktion vom Eingangssignal zu der Subtraktionsschaltung 102 übertragen. Im Empfangsteil des in F i g. 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 Ausgang 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 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 Stufendetektor 108 aus. Wenn dem ±4-Code eine positive Stufe vorausgeht wird er in einen +4-Code und wenn ihm ein »0«- oder ein negativer Pegel vorausgeht, in einen -4-Code umgewandelt Die sich ergebenden neun Kombinationen werden auf konventionelle Weise in analoge Form im Analogwandler 123 umgewandelt und im Integrator 124 integriert, rm das Ausgangssignal zu erzeugen, das zu einer beliebigen Verbrauchereinrichtung übertragen werden kann.

Bei der erneuten Betrachtung des in Fig. I -> dargestellten Ausführungsbeispiels der Erfindung sollte in Erinnerung behalten werden, daß das wesentliche Merkmal darin besteht, daß der Stufenselektor 105 die neun Quantisierungsstufen des Schwellenwertnetzwerkes 104 auf ein Format reduziert, das mit einem

κι Standard-drei-Bit-Code codiert werden kann. Die Arbeitsweise des Stufenselektors 105 basiert auf der Annahme, daß das Vorzeichen der äußeren Stufen des Schwellenwertnetzwerkes 104 ziemlich genau vorhergesagt werden kann, indem das Vorzeichen der zuvor

ι > erzeugten Stufe beobachtet wird.

Die Verwendung dieses grundlegenden Prinzips gestattet dem in F i g. 1 gezeigten System eine Ausdehnung auf ein System mit einem Schwellenwertnetzwerk, das anfänglich ein Signal in zehn Quantisie-

JM rungsstufen unterteilt. Ein solches System mit einem zehnstufigen Schwellenwertnetzwerk ist in Fig.4 dargestellt. In gleicher Weise wie beim in Fig. 1 dargestellten System wird ein analoges Nachrichtensignal zu dem Eingang 401 übertragen und zu der

r> Subtrahierschaltung 402 weitergeleitet. Ein Rückkopplungssignal wird von dem analogen Signal in der Subtrahierschaltung 402 abgezogen und das resultierende Differenzsignal in der Abtasterschaltung 403 abgetastet. Das in Fig.4 dargestellte Schwellenwert-

H) netzwerk 404 entspricht in seiner Funktion dem Schwellenwertnetzwerk 104, das in Fig. I 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

Γι negative Stufen vorgenommen und die >»O«-Stufe eliminiert wird. Gemäß dem in F i g. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden diese zehn Stufen auf acht drei-Bit-Codekombinationen reduziert, indem die Stufen der Größe 4 und 5 ohne Vorzeichenan-

4Ii gäbe übertragen werden. Um dieses durchzuführen, werden sowohl die Stufen der Größe 4 urki 5 nur dann übertragen, wenn die vorausgehende Stufe das gleiche Vorzeichen besitzt. Auf diese Weise wird, wie beim System der Fi g. 1, wenn das vorausgegangene Zeichen

4"i 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 Stufenselektor 405

V) 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

^r>i 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 in F i g. 1

mi erläutert wurde. Das UND-Tor 501, 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 F i g. 3, so daß die +4- und —4-Stufen kombiniert und über das ODER-Tor 504

*> zu dem mit //bezeichneten Ausgang in ähnlicher Weise übertragen werden, wie bei der in F i g. 2 dargestellten Schaltung.

In ähnlicher Weise werden die Stufen —5 und +5 mit

Hilfe des UN D-Tores 505 und des Sperrtores 506 kombiniert, wobei diese beiden genannten Tore mi! dem Verzögemngselement 503 in gleicher Weise verbunden sind wie die Tore 501 und 502 Der ±5-Code wird dann auf dem mit / bezeichneten Ausgang durch das < ODER-Tor 507 hindurch angezeigt. Um die Ähnlichkeit zwischen dem Stufenselektor 405 in F i g. 5 und dem Stufenselektor 105 in Fig.2 zu zeigen, wurden die Ausgangsleitungen mit A, B, C E, F, G, H und / bezeichnet. Die D-Ausgangsleitung wurde weggelassen, ι ο um anzuzeigen, daß die »O«-Stufe in dem in den F i g. 4 und 5 dargestellten System nicht verwendet wird, und daß die /-Stufe hinzugefügt wurde, um zu zeigen, daß die zusätzliche +5-Stufe anstelle der »O«-Stufe hinzugefügt wurde. Die +1- und —1-Eingänge des Stufenselektors i>

405 werden von einem einzigen Schwellenwert in dem Schwellenwertnetzwerk 404 gesteuert, wobei der +1-Eingang von einem positiven Abtastsignal und der - i -Eingang von einem negativen Äbtastsignai aktiviert werden. Es ist offensichtlich, daß die in F i g. 5 >o dargestellte Schaltung ferner noch acht Ausgangsleitungen 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 Schwellenwert- >"> netzwerk 401 und den ODER Toren 504 und 507 auf ein Format, in dem nur eine einzige Ausgangsleitung des Stufenselektors 405 aktiviert ist, um einen gegebenen Code anzuzeigen. Hierbei wird das gleiche Schema verfolgt, das auch im Zusammenhang mit den F i g. I und «> 2 benutzt wurde.

In der gleichen Art, wie bei dem in Fig. I gezeigten System, wird der von dem Stufenselektor 405 in F i g. 4 erzeugte Code auf ein drei-Bit-Format im Codewandler

406 umgewandelt und über einen Übertragungsweg 407 r> zu dem Empfangsteil des Systems übertragen. Im Rückkopplungszweig des in Fig.4 dargestellten Systems verarbeiten der Stufendetektor 408, der Digital-Analogwandler 409 und der Integrator 410 den Code von dem Stufenselektor 405, um das Differenzsignal in ·»» analoge Form umzuwandeln und um eine Abschätzung des Eingangssignals in der Subtrahierschaitung 402 bereitzustellen. Der Stufendetektor 408 arbeitet nach dem gleichen Prinzip, wie der Stufendetektor 108 in Fig. 1. 4-,

Der Stufendetektor 408, der ausführlich in Fig.6 dargestellt ist, besitzt fünf Eingangsleitungen, die mit + 1, +2, +3, ±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 v> Toren 603,604, 605 und 606 übertragen werden. Wenn entweder die +1-, +2- oder -t-3-Eingänge aktiviert werden, werden auch die in F i g. 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 -4- und - 5-Ausgänge aktiviert über das Sperrtor 606 oder 604, wenn die ±4- oder ±5-Eingänge im Anschluß an einen negativen Code vom Stufenselektor 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 zurückgehalten wird, wie für die vorangegangenen Codes niedrigerer Stufen. Ein Digital-Analogwandier 409 bekannter Bauart wandelt den Code, der an seinen zehn Eingangsleitungen von dem Stufenselektor 405 und dem Stufendetektor 408 her übertragen wird, in ein analoges Signal um, das dann in dem Integrator 410 integriert wird, um eine Abschätzung des Eingangssignal zu erzeugen.

Der Empfangsteil des in F i g. 4 dargestellten Systems besteht aus dem Codewandler 421, dem Stufendetektor 422, dem Digital-Analogwandler 423 und dem Integrator 424, die in ihrer Funktion den entsprechenden Elementen mit der 300er Numerierung in F i g. 1 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, bezeichnet sind.

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 Acs^ührungsbeispiel im Zusammenhang mit einem Nachrichtensystem mit differentieller Impulscode-Modulation in den F i g. 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 predictive Codierung der vorliegenden Erfindung dazu benutzt werden, die Anzahl der erforderlichen Codes zu reduzieren, um einen Satz von Quantisierungsstufen wahrheitsgetreu darzustellen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

1. Patentansprüche:

   U Einrichtung zur !Codierung vcn Informationssignalen mit einer Anordnung zur Abtastung und Quantisierung der Informationssignale in eine gegebene Anzahl von Quantisierungsstufen, und zwar in eine Anzahl von Stufen oberhalb eines gegebenen Mittelwertes und eine Anzahl von Stufen unterhalb des Mittelwertes und mit einer Anordnung ι ο zur Erzeugung einer Codedarstellung der quantisierten Abtastwerte sowohl oberhalb als auch unterhalb des Mittelwertes, gekennzeichnet durch eine Anordnung (IQS, 106,204) zur Erzeugung eines einzigen Codes sowohl für Abtastwerte mit einer !5 gegebenen Stufe (+4) über dem Mittelwert als auch für Abtastwerte mit einer gegebenen Stufe (—4) unterhalb des Mittelwertes, wenn dem Abtastwert der gegebenen Stufe ein Abtastwert mit bezüglich des MitteVivertes gleicher Polarität vorausgeht, und durch eine Anordnung (105, 106, 201, 202) zur Erzeugung eines Codes, der beide gegebenen Stufen von Abtastwerten und außerdem einen Abtastwert einer niedrigeren Stufe darstellt, wenn dem Abtastwert der gegebenen Stufe ein Abtastwert mit bezüglich des Mittelwertes entgegengesetzten Polarität vorausgeht
2. 2. Einrichtung nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß der einzige Code Abtastwerte (+4, -4) darstellt, die eine maximale Anzahl von Stufen )<> über oder unterhalb des Mittelwertes besitzen.
3. 3. Einrichtung zur Codieru: g von Informationssignalen nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn den .' btastwerten einer gegebenen Stufe (+4, -4) ein Abtastwert mit π bezüglich des Mittelwertes entgegengesetzter Polarität vorausgeht, die Abtastwerte der gegebenen Stufe dargestellt werden von Codierungen, die die nächst niedere Stufe (+3, - 3) darstellen.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch w gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Erzeugung von Codedarstellungen einen Code erzeugt, der die Mittelstufe (DO)der Abtastwerte darstellt.
5. 5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur v> Erzeugung von Codedarstellungen (104, 105, 106; F i g. 1) Codierungen erzeugt, die die Veränderungen der Signalamplitude zwischen dem gerade vorliegenden und dem vorangegangenen Abtastwert darstellen. ·'><>
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Erzeugung von Codedarstellungen (104, 105, 106; Fig. 1) einen Code erzeugt, der die Mittelstufe (DO) der Differenz zwischen den Amplituden von aufeinanderfolgenden ~>~> Abtastwerten darstellt.

   ten Abtastwerte sowohl oberhalb als auch unterhalb des Mittelwertes,

   Bei Nachrichtensystemen mit differentieller Impulscodemodulation, beispielsweise in einem System, das in der US-Patentschrift 26 05 361 beschrieben ist, wird die Differenz zwischen dem aktuellen Wert des Signals und dem Wert eines Signals, das von den zuvor übertragenen Signalen rekonstruiert wurde, codiert unc' übertragen.

   Der durch diese Technik erzielte Vorteil besteht in der Beseitigung von Redundanz im Informationssignal 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.

   Für eine Pulsdeltamodulations-Nachrichtenübertragungseinrichtung, bei der die positiven und negativen Änderungen des zu übertragenden Informationssignals in einen Code umgesetzt werden, ist es auch bekannt (DE-AS 12 86 551), einen Code sowohl für Abtastwerte über einem Bezugswert als auch für solche unterhalb eines Bezugswertes zu erzeugen.

   Bei dem Codierungsprozeß eines Systems der obenerwähnten Art wird das Differenzsignal abgetastet und in eine Anzahl von positiven und negativen Quantisierungsstufen quantisiert Im allgemeinen wird, da das Differenzsignal die gleiche Möglichkeit der Variation in der positiven oder negativen Richtung besitzt, eine symmetrische Quantisierungsschaltung verwendet, so da3 die Anzahl der positiven Stufen gleich der Anzahl der negativen Stufen ist. In dem obenerwähnten 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 anstelle des Gesamteingangssignals nur die Änderung des Eingangssignals dar.

   Um das Differenzsignal zu übertragen, wird bei bekannten differentiellen Codierungssystemen jeder Quantisierungsstufe ein gegebener Binärcode zugeteilt. In der binären Schreibweise ist die Anwesenheit eines Impulses durch eine binäre »1« und das Fehlen eines Impulses durch eine binäre »0« dargestellt. Die Anwesenheit oder das Fehlen eines Impulses in einem gegebenen Zeitintervall stellt ein Informationsbit dar. Es sei beispielsweise angenommen, daß das abgetastete Signal in acht Quautisierungsstufen eingeteilt ist, wobei vier für den positiven Teil des Signals und vier für dessen negativen Teil vorgesehen sind. Diese acht Stufen können in dreistelliger Porm in folgender Weise angegeben werden: