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Nachrichtenübertragungssystem" Die Erfindung betrifft ein Nachrichtenübertragungssystem,
bei dem die Differenz ßX zwischen dem Eingangssignal h und einem vorhergesagten
Eingangssignal X' durch eine Quantlsierer-Codierer-Ksmbination quantisiert und digital
verschlüsselt, übertragen und empfangsseitig decodiert und ins ursprUngliche Signal
zurückverwandelt wird.
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Bei derartigen Systemen ist das vorhergesagte Eingangssignal meist
dasjenige Signal, das sich aus der Summierung aller vorhergehenden quantisierten
Signale ergibt. Der Vorteil eines derartigen Systems besteht darin, daß die Nachrichtenübertragung
mit verhältnismäßig wenig Redundanz behaftet ist, und mit geringerer Bitrate erfolgen
kann, da nur die Differenzsignale codiert und übertragen werden müssen und da diese
häufig
eine kleinere Leistung als das Eingangssignal aufweisen. Der Quantisierer bei diesen
Systemen ist so essen, daß er nur einen Teil des Aussteuerbereiches des ursprünglichen
Eingangssignals XE umfaßt, ein üblicher Wert ist hierbei z. B. 30 %. Ein Nachteil
der bekannten Systeme besteht darin, daß dann, wenn sich das Eingangsaignal nahe
einem seiner möglichen Extremwerte befindet, ein relativ großer Sprung dieses Eingangssignals
z. B. in die Nähe des anderen Extremwertes nicht in einem einzigen Quantisierungsschritt
verarbeitet werden kann, da der Quantisierer und der ihm angeschlossene Codierer,
der die Quantisiergebnisse in die zu übertragende digitale Form verschlüsselt, nicht
ftir derartige große Sprünge ausgelegt sind. Diese Überlastung des Quantisierers
wird auch als "Overload-Effekt" bezeichnet.
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is war Aufgabe der Erfindung, diesen Effekt zu verringern.
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Die in Anspruch 1 beschriebene Erfindung lost des Aufgabe.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen erläutert.
Es zeigen Figur 1 in schematischer Darstellung die Quantisierungsstufen eines Quantisierers,
Figur 2 den sendeseitigen Aufbau eines erfindungsgemäßen Systems,
Figur
3 den empfängerseitigen Aufbau eines erfindungsgemä Ben Systems, Figur 4a und 4b
zwei schematische Darstellungen eines Prädiktors.
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Figur 5 eine Ausführungsfom eines steuerbaren Umcodiers, Figur 6 ein
Ausführungsbeispiel eines steuerbaren Decodierers.
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Anhand von Figur 1 wird zunächst das Prinzip der Erfindung erläutert.
In Figur 1 ist mit A der mögliche Aussteuerbereich einer Eingangsgröße XE bezeichnet.
Mit X' ist der Wert der erwarteten Eingangsgröße, also im speziellen Fall derjenige
Wert bezeichnet, der sich durch Summieren bzw. Subtrahieren der zeitlich vorherliegenden
Quantisierungsergenisse bilden läßt. Der die Differenzen zwischen dem Eingangssignal
und dem erwarteten Eingangssignal bewertende Quantisierer habe die Quantisierungastufen
1 bis 8, deren Lage relativ zum erwarteten Eingangssignal in der Figur 1 dargestellt
ist. Tritt gegenüber dem Signal X nur eine relativ kleine Änderung ein, so wird
also z. B. die Quantisierungsstufe 4 oder 5 ansprechen.Tritt eine etwas größere
Änderung ein, so wird z. 3 die Quantisierungsstufe 6 oder 3 ansprechen. Aus der
Figur 1 ist ersichtlich, daß die Quantisierungsstufen 7 und 8 bei dem zugrundeliegenden
Wert von Xt nicht ansprechen
können, da das Eingangssignal einen
derartigen Wert nicht annehmen kann.
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Der Quantisierer ist so aufgebaut, daß er für jede seiner Quantisierungsstufen
1 bis 8 an einem Ausgang einen definierten Spannungswert abgibt; der zur Verschlüsselung
dienende Codierer ist so ausgebildet, daß er jedem dieser Spannungswerte eines von
acht Codeworten zugeordnet.
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Erfindungsgemäß ist nun die Kombination von Quantisierer und Codierer
so ausgebildet, daß sie in Abhängigkeit entweder vom tatsächlichen Elngangssignal
oder einem von diesem abhängigen Signal, z. B. vom erwarteten Eingangssignal, so
steuerbar ist, daß den an und für sich Uberflüssigen Quantisierungsergebnissen 7
und 8 von diesen abweichende Quantisierungsstufen 7' und 8' zugeordnet werden, d.
h. also, daß in dem in Figur 1 gezeigten Beispiel dann, wenn sich das Eingangssignal
zwischen den Werten 7' und 8t befindet, entweder der Quantisierer ein Signal abgibt,
das sich von dem üblichen Signal "8t nicht unterscheidet oder daß der dem Quantisierer
nachgeschaltete Codierer einen Digitalwert ausgibt, der sich nicht von dem üblicherweise
bei vorliegender Quantisierungsstufe "8" erscheinenden digitalen Ausgangswe.t unterscheidet.
Die Tatsache, daß dem ausgegebenen Wert
"8" im Beispiel der Figur
1 kein Sprung zu positiven Werten, sondern ein Sprung zu negativen Werten entspricht,
kann eindeutig darauf geschlossen werden, daß der Erwartungswert X nahe der oberen
Grenze des Aussteuerungabereiches liegt.
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In Figur 2 wird nun ein konkretes Ausführungabeispiel gezeigt.
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In einem Quantisierer 1 wird das DlfferenzslgnalijX, das sich aus
der Differenz des Eingangssignals XE und des erwarteten Elngangssignals Xt ergibt,
quantisiert, Das Quantisierungssignal wird zunächst einem Codierer 2 zugeführt,
der einen Codewort-Vorrat hat, welcher der Anzahl der Quantisierungsstufen des Quantisierers
entspricht. Der Quantisierer ist hierbei so ausgebildet, daß er eine unveränderliche
Quantisierungskennlinie hat und einen relativ großen Bereich erfaßt. Die vom Codierer
2 gelieferten ersten Codewörter werden einem steuerbaren Umcodierer 3 zugeführt.
Dieser Umoodierer ordnet den ersten Codewörtern in Abhängigkeit davon, in welchem
Bereich sich gerade das erwartete Eingangssignal befindet, zweite Codewörter zu.
Am Ausgang des Umcodierers steht das zu übertragende Signal zur Verfügung. Dieses
Signal wird außerdem dem Eingang eines steuerbaren Deoodierers 4 zugeführt. Dieser
Decodierer wandelt das im zugeführte Eingangssignal in Abhängigkeit von einer ihm
zugeführten Steuergröße u in ein Signal v' um, das wieder unmittelbar
mit
den übertragenen Differenzsignalen vergleichbar ist. Das Siganl v wird einem Prädiktor
5 zugeführt, in dem die Differenzsignale wieder in die Eingangssignale oder eine
diesen direkt entsprechende Größe umgewandelt werden. Im Beispiel ist angenommen,
daß der Prädiktor 5 ein digitales Ausgangssignal liefert, deswegen ist ihm zur Gewinnung
des analogen erwarteten Eingangssignals noch ein Digital/Analog-Wandler 6 nachgeschaltet.
Der Ausgang des Prädiktors ist außerdem mit einem Steuereingang des Codierers 3
und mit einem Steuereingang des Decodierers 4 verbunden» so daß diese letzgenannten
Baugruppen in Abhängigkeit vom erwarteten Eingangssignal gesteuert werden können.
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In Figur 3 ist schematisch ein Empfänger für die übertragenen Signale
dargestellt; dieser besteht aus einem steuerbar ren Decodierer 4', einem Prädiktor
5 und, da im Beispiel von einer digitalen Darstellung des Ausgangswertes des Prädiktors
ausgegangen wird, aus einem Digital/Analog-Wandler 6t.
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Die Elemente 4', 5' und 6' können genauso aufgebaut sein wie die enteprechenden
Elemente 4, 5 und 6 von Figur 2.
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Die erwähnten Prädiktoren können z. B. gemäß Figur 4a oder 4b aus
einer Summierschaitung 9 für analoge Größen und aus einem Verzögerungsglied 8 aufgebaut
sein oder sie können,
falls digitale Signale vorliegen, als digital
arbeitende Rechenschaltung, die Additionen und Subtraktionen vornehmen kann, ausgebildet
sein.
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Die in Figur 2 und 3 dargestellte erfindugnsgemäße Anordnung wird
nun im folgenden anhand eines speziellen Beispiels erläutert: Der Quantisierer 1
soll sechs Quantisierungsstufen haben, die in dem ihm unmittelbar nachgeschalteten
Codierer in Codewörter mit 3 Bit Länge in folgender Weise verschlüsselt werden:
Quantisierungsstufe Codewort + 6 O L L + 3 O L L + 1 O O O - 1 L O O - 3 L O L -
6 L L L vv vl vO Der Wertbereich der erwarteten Eingangsgröße Xt möge 16 positive
Werte umfassen, die am Ausgang des Prädiktors 5 in
der folgenden
Weise in digitaler Form erscheinen: X' 15 L L L L 14 L L L O Bereich 3 13 L L O
L 12 L L O O 11 L O L L 10 t O L O 9 LOOL 8 L000 Bereich 2 7 O L L L 6 O L L L 5
OLOL 4 O L O O 3 OOLL 2 OOLO 1 0 0 0 L Bereich 1 0 0000 u3 u2 ul uO Im Umcodierer
3 wird nun eine Umoodierung der vom Codierer 2 gelieferten sechs möglichen ersten
Codewörter in vier zweite Codewörter mit je zwei Stel..en vorgenommen, wobei diese
Umcodierung, je nachdem in welchem von drei Bereichen sich die
erwartete
Eingangsgröße X' befindet, auf drei verschiedene Arten erfolgt.
| X' im Bereich 1: X' im Bereich 2: X1 im Bereich 3: |
| O L L #L L # +6 #O L L# #O L L# |
| # O L # +3 |
| O O L #O L # +3 #O O L# #O O L# #O O # +1 |
| O O O #O O # +1 #O O O # O O # +1 #O O O# |
| L00 L O 0 # L O # -1 L O O -eL O # -1 |
| L O L# #L O # -1 #L O L# #L O L#L L # -3 |
| #L L # -3 |
| L L L# #L L L# #L L L#O L # -6 |
| vv v1 v0 W1W0 Wertig- #v#v1#v0 W1W0 Wertig- #v#v1#v0 W1W0 Wertig- |
| keit keit keit |
Befindet sich X' im ersten (niedrigsten) Bereich, so sind Sprünge der Eingangsgröße
zu relativ höheren Werten sehr wahrscheinlich, während Sprünge zu relativ kleinen
Werten von X' relativ wenig wahrscheinlich sind. Demgemäß werden die Quantisierungsstufen
+6, +3, +1 gesondert umcodiert, während die Wertigunsstufen -1, -3, und -6 gemeinsam
in ein einziges zweistelliges Codewort (LO) mit der Wertigkeit -1 umcodiert werden.
Befindet sich X' im mittleren Bereich (Bereich 2), so werden die Quantisierungsstufen
+1 und -1 unverändert umcodiert, während die Codierungsstufen +3 und +6 zu einem
gemeinsamen Codewort (OL)# und die Quantisierungsstufen
-3 und
-6 ebenfalls zu einem gemeinsamen Codewort (LL) umcodiert werden. Befindet sich
X1 im Bereich 3, so werden die Quantisierungsstufen -1, 3, 6 in jeweils getrennte
zweistellige Codewörter umcodiert, während die Quantisierungsstufen +1, +3, +6 zu
einem gemeinsamen Codewort (00) umcodiert werden. Bei Betrachtung der oben dargestellten
Tabelle, die diese Verhältnisse wiedergibt, zeigt sich, daß dem zwei stelligen Codewort
Lt entweder die Quantislerungsstufe +6 oder -3 zugordnet sein kann, während dem
Codewort OL entweder die Quantisierungsstufe +3 oder -6 zugeordnet sein kann.
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Eine rein digitale Realisierungsform für den steuerbaren Umcodierer
3 ist in Figur 5 dargestellt. Dort ist eine Schaltungsanordnung mit sieben UND-Gattern,
die teilweise negierte Eingänge haben, und zwei ODER-Gattern dargestellt. Diese
Gatter sind untereinander und mit Eingangsleitungen vv, vl, v0, u3>u2 so verknüpft,
daß sich die Ausgangsgrößen wl bzw. wO, die die Werte O bzw. 1 annehmen können,
aufgrund der folgenden Gleichungen ergeben: (das Zeichen + bedeutet die ODER-Funktion,
der Multiplikationspunkt die KonJunktion) wl -(u3 . ü2 . v1) + ( i3 . vv) + (u2
. vv) + (vv . v1) wO = (u3 . vv . vo) + (u3 . u2 . vo) + (u2 . vv . vo) Die Größen
vv usw. entwprechen den Stellen der Codewörter, die für die Werte von X' bzw. für
die Umcodierungstabelle
weiter oben angegeben sind. Da sich die
drei Bereiche der Größe Xt aufgrund ihrer beiden ersten Stellen u3 und u2 ein deutig
unterscheiden laSsen. müssen der Anordnung in Figur 5 nur diese Werte zugeführt
werden. Wird z. B. der Anordnung in Figur 5 an den Eingängen v das Codewort OLL
zugeführt, so ergeben sich ausgangsseitig die Werte wl = 1, w0 = 1, wenn der Anordnung
in Figur 5 gleichzeitig die Werte u3 = 0, u2 = 0, zugeführt werden. Werden in der
Anordnung nach Figur 5 dagegen die Werte u3 = L, u2 = L zugeführt, so liefert sie
unter sonst gleichen Umständen Ausgangsgrößen wl = O, wO = 0.
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Der steuerbare Decodierer 4, der die soeben beschriebene Umcodierung
des Umcodierers 3 rückgängig machen muß, kann z. B, durch eine Anordnung gemäß Figur
6 realisiert werden. Die Anordnung in Figur 6 besteht aus sechs UND-Gattern mit
teilweise negierten Eingängen und zwei ODER-Gattern, die untereinander und mit Eingangsleitungen
wl, w0, u3> u2 so verknüpft sind, daß sich die Ausgangsgrößen vv, vi, vO gemäß
den folgenden Gleichungen ergeben: vv = (u3 . u2 . wo) + (wl . wo) + (u2 w1 + (u3
. wl) vl = (u3 . u2 . wl . wo) + (u3 . u2 . w1 . wo) vo = wo Im beschriebenen Ausführungsbeispiel
wurde eine reine digitale
Lösung für die Baugruppen 3 und 4 beschrieben.
Diese Baugruppen können jedoch ohne Schwierigkeiten auch so ausgebildet werden,
daß sie die Codierung bzw. die steuerbare Decodierung in Abhängigkeit von einem
analogen Eingangssignal vornehmen, wobei eine Änderung der Umcodierung bzw. Decodierung
jeweils dann erfolgt, wenn das Steuersignal eine bestlmmte Schwelle überschreitet.
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Der Empfänger, der aus den ihm zugeführten verschlüsselten Differenzsignalen
das erwartete Eingangssignal wieder bildet und aus dessen Kenntnis einzelnen an
sich mehrdeutigen zweiten Codewörtern in eindeutiger Weise die diesen entsprechenden
Quantisierungsstufen zuordnen kann, könnte auch durch einen anderen Empfänger ersetzt
werden, der die Kenntnis der Steuergröße u nicht aufgrund einer in ihm enthaltenen
Schaltungsanordnung auswertet, sondern diese Kenntnis aus Signalen bezieht die zusätzlich
zu den codierten Differenzsignalen vom Sender übertragen werden.
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Bei der Festlegung, in welcher Weise der Umcodierer 4 die ihm zugeführten
codierten Quantisierungsstufen umcodieren soll, kann es u.U. auch zweckmäßig sein,
selbst dann, wenn z. B. positive Differenzen noch relativ wahrscheinlich sind,
die
unverfälsohte Übertragung derartiger Differenzen einzuschränken zugunsten einer
genaueren Übertragung stark negativer Differenzen.