DE2047254C3 - - Google Patents
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- DE2047254C3 DE2047254C3 DE2047254A DE2047254A DE2047254C3 DE 2047254 C3 DE2047254 C3 DE 2047254C3 DE 2047254 A DE2047254 A DE 2047254A DE 2047254 A DE2047254 A DE 2047254A DE 2047254 C3 DE2047254 C3 DE 2047254C3
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- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03M—CODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
- H03M3/00—Conversion of analogue values to or from differential modulation
- H03M3/04—Differential modulation with several bits, e.g. differential pulse code modulation [DPCM]
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Compression, Expansion, Code Conversion, And Decoders (AREA)
- Transmission Systems Not Characterized By The Medium Used For Transmission (AREA)
- Analogue/Digital Conversion (AREA)
Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Codierung
von Informationssignalen mit einer Anordnung zur 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 quantisierten 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 und 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.
FDr eine Pulsdeltamodulations-Nachrichtenübertragungseinrichtung,
bei der die positiven und negativen Änderungen des zu übertragenden Informatioiusignals
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 Differenzsigral die gleiche Möglichkeit der Variation in der positiven oder negativen Richtung
besitzt, eine symmetrische Quantisierungsschaltung verwendet so daß 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 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:
60
Stufe | Code |
+ 4 | 111 |
+ 3 | 110 |
+ 2 | 101 |
+ I | 100 |
- 1 | 000 |
-2 | 001 |
-3 | 010 |
-4 | Oil |
65 Jede drei Bit umfassende, d. h. dreistellige Codegruppe,
wird übertragen, wenn das abgetastete Differenzsignal seine entsprechende Quantisierungsstufe triggert,
d. h. einen Auslöseimpuls an diese Stufe abgibt. Dss sich
ergebende übertragene Signal erscheint daher als eine kontinuierliche Folge von Codegruppen, die im
Empfänger decodiert werden können, um die quantisierten
Abtastwerte zu reproduzieren. Es ist ein charakteristisches Merkmal derartiger Sinärcodierungen, daß die
Anzahl von Kombinationen oder Stufen, die mit einem gegebenen Code beschrieben werden können, eine
Potenz von zvi ΐ· mit einem Exponenten ist, de.- gleich
der Zahl der Bits in jeder Codegruppe ist So ist die Anzahl der möglichen Stufen, die mit drei Bits in jeder
Codegvuppe 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 dte Beschreibung eines
gegebenen Eingangssignals zu benützen. Bei normalen Abtastraten läßt die drei-Bit-Codegruppe beträchtliche
Bit-Raten, das sind Bit-Obertragungsgeschwindigkeiten,
zu, die innerhalb der für das System gewünschten Kanalkapazität liegen. Oft ist es jedoch auch wan
sehenswert, die Zahl der Quantisierungsstufsi, 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 !6 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
wird, die Anzahl der Stufen nicht kleiner sein soil 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 erhöhen. Ferner soll zur
Erzielung höherer Flexibilität im vJodierungssystem eine ungerade Zahl von Quantisierungsstufen, beispielsweise
neun, dazu verwerdet werden können, eine Null-Stufe in die Skala einer symmetrischen Quantisierungsschaltung
einzubezkhen, ohne eine im System unausgenutzte 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 Abtastwerte 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 eine* 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 Unteransprü-
chen 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
is 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 gr lag dafür ist daß
einer äußeren Stufe eine Stufe mit dem cr/gegengesetzten
Vorzeichen vorausgeht Wenn die Vorhersage falsch ist wird eine niedrigere Stufe mit dem korrekten
Vorzeichen anstelle der äußeren Stufe übertragen. Eine unkorreVte Vorhersage erhöht jedoch den effektiven
Quantisierungsfehler in solchen Fällen in dem Signal, da der aktuelle Wert des Signals Ober 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 körnen.
Dieses Ergebnis wird im obigen Beispiel dadurch erreicht daß sowohl den +4- und den -4-Stufen im
übei -.ragenen 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 fur die
Größe 4-Stufe nicht übertragen wird, wird 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 bleioen relativ unbeeinflußt da ihr Vorzeichen ziemlich genau aus den vorher übertragenen
Codewörtern vorhergesagt werden kann.
i)as oben beschriebene Codierungssystem mit Vorzeichenvorhersage kann auch auf Systeme ausgedehnt werden, bei denen mehrere äußere Pegel ohne Rücksicht auf das Vorzeichen in die Quantisierungsschaltung eingefügt werden können. Daher kann beispielsweise ein zehnstufiges System auf acht definierte Möglichkeiten reduziert werden, wobei diese Möglichkeiten mit Hilfe eines drei-Bit-Code, bei Weglassung der Vorzeichen-Kennzeichnufrgen in den Stufen 4 und 5, übertragen werden. Die drei inneren Stufen, mit der Numerierung 1,2 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-
i)as oben beschriebene Codierungssystem mit Vorzeichenvorhersage kann auch auf Systeme ausgedehnt werden, bei denen mehrere äußere Pegel ohne Rücksicht auf das Vorzeichen in die Quantisierungsschaltung eingefügt werden können. Daher kann beispielsweise ein zehnstufiges System auf acht definierte Möglichkeiten reduziert werden, wobei diese Möglichkeiten mit Hilfe eines drei-Bit-Code, bei Weglassung der Vorzeichen-Kennzeichnufrgen in den Stufen 4 und 5, übertragen werden. Die drei inneren Stufen, mit der Numerierung 1,2 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 dss
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
Obertragen. Auf diese Weise bestimmt der Empfanger 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 ukcnciTiischc Verwendung von Nscurichicnsysicmcii
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,
F i g. 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 F i g. 1 dargestellt ist,
F i g. 4 das Blockschaltbild eines Nachrichtensystems mit differentieller Impulscodemodulation, das eine
alternative Ausführungsform der Vorzeichenvorhersage-Codierung der vorliegenden 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 konventionellen Signalquelle am Eingang 101
geliefert wird, wird zu der Subtrahierschaltung 102
Oeragn. Ein erzeugtes Rcpfangssignai wird von dem Eingangsnachrichtensignal in der Subtrahierschaltung
102 subtrahiert, um ein Differenzsignal zu bilden. Das Differenzsignel stellt effektiv anstelle des
gesamten Eingangssignals nur die Veränderung selbst dar. Da das Differenzsignal 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 193 werden im Schwellenwertnetzwsrk
104, nn Stufcnseiektor 1S5 und Code-Umsetzer
106 verarbeitet und das hieraus resultierende Signal über einen Übertragungskanal 107 zu einem fernen
Das Schwellenwertnetzwerk 104 besteht aus einem Satz von Schwellenwertschaltungen, 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
ίο gleich der Amplitude der entsprechenden negativen
Stufe ist Jude Quantisierungsstufe des Netzwerkes 104 wird von einem anderen Impulscode angegeben, der an
acht Ausgiingsleitungen erscheint Die acht Ausgangsleitungen
des Schwellenwertnetzwerkes 104 sind mit
<5 den Nummern !, 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 aiien Ausgangsieitungen
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
bc.itzi, 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 dies* Weise wird die groove 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 Schwellenwertnettwerk 104 die Differenzabtastwerte der
Abtastschaltung 103 in neun Ouantisierunesstufen. Mit
Hilfe konventioneller Mittel ist die maximale Anzahl von Stufen die übertragen werden können, gleich acht.
Gemäß der vorliegenden Erfindung jedoch präcodiert der Stufemielektor 105 das Signal vom Schwellenwertnetzwerk
1104 mit Hilfe einer Vorzeichenvorhersagetechnik und reduziert auf diese Weise die neun Stufen
auf eine Form, die mittels eines drei-Bit-Codes
so übertragen werden kann. Der Stufenselektor 105 führt,
kurz gesagt, diese Funktion dadurch aus, daß er e.iiktiv
die Vorzeichenangabe der +4- und — 4-Stufen des
Schwellenwertnetzwerkes 104 entfernt Der Stufenselektor 105 empfängt den Impulscode vom Schwellenwertnetzwcrk
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 Ausgangsleitungen sich auf
einen Achter-Kombinations-Code reduziert, kann sie mit einem konventionellen drei-Bit-Format dargestellt
werden.
Der in F i g. 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 Fälle begrenzt, in denen der
äußeren Stufe eine Stufe des Kleichen 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 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 «v.iiem 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 r,
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 +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-Impulcpn
wnm
gangene Abtastwert positiv war, erscheint der Impuls
auf der +1-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 übertragen.
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 //-Ausgangsleitung
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
dem Sperrtor 202 jeweils gesperrt und nicht zu dem Ausgang des Stufenselektors 105 übertragen. Es kann
bezüglich des Stufenselektors 105, dargestellt in Fig.2, bemerkt werden, daß die »O«-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 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 B1 C, D, E, F1 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 208 wegen der dargestellten logischen Schaltung, die einen bekannten Aufbau besitzt, gesperrt. In der
Abwesenheit eines Eingangsimpulses auf entweder der +1 - oder — 1 -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, u. 11. mc cmc Tun aciii rwimiLmiauuilcn 111 einen
drei-Bit-Code, bei dem die acht Kombinationen durch die arht 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 Systems übertragen. Der Rückkopplungspfad des Empfängerteils
des in F i g. 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 110 fibertragen, 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 »O«-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-Leituneen 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, 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 ι ο
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 ι Weise wird, wenn die ±4· Leitung in einem Abtastintervali
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 Verzögerungsichaltung
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 konventionelle
Weise in ein analoges Signal umgewandelt, das in der Integrationsschaltung UO 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
rWl rrv C;nnnnra 1ΊΑ .._,. — „.:_J _. J f 1 Il —
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 Stuf endet ektor
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, uiu das Ausgangssignal zu erzeugen, das
zu einer beliebigen Verbrauchereinrichtung übertragen werden kann.
Bei der erneuten Betrachtung des in F i g. 1 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
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
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 Quantisierungsstufen
unterteilt Ein solches System mit einem zehnstufigen Schwellenwertnetzwerk ist in Fig.4
dargestellt. In gleicher Weise wie beim in F i g. 1 dargestellten System wird ein analoges Nachrichtensignal
zu dem Eingang 401 übertragen und zu der 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 Schwellenwertnetzwerk
404 entspricht in seiner Funktion dem Schwellenwertnetzwerk 104, das in F i g. 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 j nur dann
ακ/έΓΙΓά^έϊϊ, Wciin uic VOräüagclicnuc oiüi6 uää 51C1C11C
Vorzeichen besitzt. Auf diese Weise wird, wie beim System der F i g. 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 F i g. 5 gezeigte Stufenselektor 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 in F i g. 1 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.
Hilfe des UND-Tores 505 und des Sperrtores 506 kombiniert, -i'obei 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 mit / bezeichneten Ausgang durch das ODER-Tor 507 hindurch angezeigt. Um die Ähnlichkeit
zwischen dem Stufenselektor 405 in Fig.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,
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-Siufe anstelle der »O«-Stufe hinzugefügt
wurde. Die +1- und -1-Eingänge des Stufenselektors
405 werden von einem einzigen Schwellenwert in dem Schwellenwertnetzwerk 404 gesteuert, wobei der
+ 1-Eingang von einem positiven Ahtastsigna! und der -1-Eingang ve η «rinern negativen Abtastsignal aktiviert
werden. Es M offensichtlich, daß die in Fig.5
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 Schwellenwertnetzwerk 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. 1 und
2 benutzt wurde.
In der gleichen Art, wie bei dem in F i g. 1 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 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
ües Eingangssignais in der Subtrahierschaltung 402 bereitzustellen. Der Stufendetektor 408 arbeitet nach
dem gleichen Prinzip, wie der Stufendetektor 108 in Fig.l.
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
»ngegeben sind. Ihre Funktion besteht darin, das Vorzeichen jedes der ±4-und ±5-Codes zu bestimmen.
Dieses wird dadurch erreicht, daß die +1-, +2- and +3-Eingangssignale übsr 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 werdea 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 —4- und — 5-Ausgänge aktiviert über das Sperrtor 606 oder 604,
wenn die ±4- oder ±5-Eingänge im Anschluß an einen
in negativen Code vom Stufenselektor 404 erregt werden.
Sowohl die +5- als auch +4-Ausgangssignale von den UN D-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 fü:
nachfolgende Codes höherer Stufen in der gleichen Weise zurückgehalten wird, wie für die vorangegangenen
Codes niedrigerer Stufen. Ein Di°it2!-A.ns!ocTi.vHndler
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 Eingangssignals 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.
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 Ausfühi ungsbeispiel
im Zusammenhang mit einem Nachrichtensystern 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 prädictive Codierung der vorliegenden
Erfindung dazu benutzt werden, die Anzahl der erforderlichen Codes zu reduzieren, um einen Satz von
Quantisierungsstufen wahrheitsgetreu darzustellen.
Claims (6)
1. Einrichtung zur Codierung von 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
zur Erzeugung einer Codedarstellung der quantisierten Abtastwerte sowohl oberhalb als auch unterhalb
des Mittelwertes, gekennzeichnet durch eine Anordnung (105,106,204) zur Erzeugung eines
einzigen Codes sowohl für Abtastwerte mit einer 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 Mittehrc-tes 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 PoIaritlt
vorausgeht
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der einzige Cede Abtastwerte (+4, -4) darstellt, die eine maximale Anzahl von Stufen
Ober oder unterhalb des Mittelwertes besitzen.
3. Einrichtung zur Codierung von Informationssignalen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß, wenn Cev Abtestwerten einer
eben Stufe (+4, -4) ei Abtastwert mit bezuglich des Mittelwertes entgegengesetzter Polarität
vorausgeht die Abtastwerte der gegebenen Stufe dargestellt werden von Codierungen, die die
nächst niedere Stufe (+3,-3) darstellen.
4. Einrichtung nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Erzeugung
von Codedenteilungen einen Code erzeugt der die Mittelstufe (DO)UtT Abtastwerte darstellt
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur
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. so
6. Einrichtung nach Anspruch S, 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
Ahtastwerten darstellt
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