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Xachrichtenübertragungssystem für I)ifferenz-Pulsmodulation.
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Die Erfindung betrifft ein Nachrichtenübertragungssystem für 3ifferenz-Pulsmodulation,
bei dem sendeseitig einem Analogsignal in äquidistanten Zeitabständen Amplitudenproben
entnommen werden, bei. dem von jeder Amplitudenprobe durch eine erste Sub#trahierschaltung
ein Schätzwert abgezogen wird, bei dem die den jeweiligen Schätzfehler ergebende
Differenz in einem Quantisierer auantisiert wird, bei dem der Schätzwert für jede
Amplitudenprobe in einem sendeseitigen Schätzwertbilder aus dem wenigstens einen,
zeitlich vorhergegangenen quantisierten Schätzfehler abgeleitet wird, bei dem die
quantisierten Schätzfehler vorzugsweise mittels Pulscodemodulation über einen Ubertragungskanal
übertragen werden, bei dem empfangsseitig in einer Addierschaltung jedem Schätzfehler
ein in einem empfai-igsseitigen Schätzwertbildner aus dem wenigstens einen zeitlich
vorhergegangenen quantisierten Schä-tzfehler abgeleiteter Schätzwert hinzugefügt
wird und bei dem aus den wiedergewonneren Amplitudenproben das Analogsignal zurückgewonnen
wird.
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Ein derartiges Nachrichtenübertragungssystem für Pernsehsignale ist
aus der Zeitschrift "?he Bell System Technical Journal", Kai/Juni 1966, Seiten 689
bis 721, bekannt. Die prinzipielle Wirkungsweise dieses bekannten Nachrichtenübertragungssystems
zeigt das Blockschaltbild nach der Fig. 1. Dieses enthält eine erste Subtrahierschaltung
1, einen Quantisierer 2, einen sendeseitigen Schätzwertbildner 3, einen Ubertragungskanal
4, einen empfangsseitigen Schätzwertbildner 5 und eine erste Addierschalt wng 6.
An Stelle des ubertragungskanals-4 kann auch eine Verzögerungsleitung oder ein Speicher
einer Datenbgik treten.
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Bei diesem System wird durch das Quantisieren des Schatzfehlers zu
diesem ein Quantisierungsfehler addiert, dessen Größe einen mehr oder weniger zufälligen
Charakter hat. Diese Quantisierungsfehler seien als Amplitudenproben eines Quantisiergeräusches
definiert, welches dem Schätzfehlersignal additiv zugesetzt ist.
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In Fig. 2 ist zur Verdeutlichung der Quantisierer 2 nach Fig. 1 symbolhaft
durch eine Quantisiergeräuschquelle 8 und-eine zweite Addierschaltung 7 ersetzt.
Auch eine Verlegung der zweiten Addierschaltung 7, wie sie in Fig. 3 dargestellt
ist, bedeutet keine Veränderung des Verhaltens zwischen der Eingangsklemme c und
der Ausgangsklemme b.
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Zur weiteren Verdeutlichung sind in Fig. 4 die vor und hinter einer
Klemme a liegenden Teile der Blockschaltung nach der Fig. 3 vertauscht worden, was
für das Verhalten an den Klemmen c und b, keine Veränderung bedeutet, weil das gezeigte
System linear ist und der Schaltungsteil zwischen den Klemmen a und b den ubertragungsfaktor
1 hat, also die an der Klemme a eingespeiste Größe unverändert an die Klemme b weitergibt.
Der Einfachheit halber ist hier stets angenommen, daß der Übertragungskanal 4 keinerlei
Verzögerung bewirkt.
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Jetzt ist erkennbar, wie das Quantisiergeräusch, welches im Quantisierer
2 in Fig. 1 entsteht und welches in den Fig. 2 bis 4 durch die symbolische Quantisiergeräuschquelle
8 erzeugt wird, dem rekonstruierten Signal überlagert ist.
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Das vom Quantisierer 2 erzeugte Quantisiergeräusch ist dem rekonstruierten
Signal in unverändertem seitlichen Verlauf überlagert. Dies überlagerte Geräusch
beeinflußt bei Bildübertragungsanlagen die Bildqualität und bei Tonübertragungsanlagen
die Tonqualität in störender Weise.
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Der Vorteil der bekannten Differenzpulsmodulation gegenüber .der Absolutswert-Quantisierung
liegt darin, daß der Quantisierer hier mit weniger Stufen versehen werden darf,
wenn man einen gleichen Störeffekt der Quantisierung zulassen will. Dadurch vereinfacht
sich die Übertragung der quantisierten Werte, denn sie können beispielsweise mit
weniger Bit codiert werden. Dies ist möglich, weil das Quantisiergeräusch beim Quantisieren
des Schätzfehlers Im Mittel kleiner ist als beim Quantisieren des Absolutwertes
bei der Annahme einer gleichbleibenden Zahl von Quantisierungsstufen, sofern der
Schätzwertbildner 3 gute Schätzwerte liefert und sofern die Quantisierungsstufen
durch geeignete Kompandierung günstig verteilt gewählt sind. Die zulässige Höhe
des Quantisiergeräusches richtet sich bei Bild-und Tonübertragung nach der von ihr
beim menschlichen Empfänger verursachten Störwirkung.
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Ein aus der Literatur bekannter Ansatz für die Optimierung des sendeseitigen
Schätzwertbildners 3 in Fig. 1 besteht darin, den quadratischen Mittelwert des die
erste Subtrahierschaltung 1 in Fig. 4 verlassenden Schätzfehlersignales 9 durch
günstige Auslegung des sendeseitigen Schätzwertbildners 3 zu minimieren. Die theoretische
Untersuchung dieses Problems durch R.W. Stroh und R.R. Boorstyn, Polytechnik Institute
of Brooklyn, "NASA Grant BGR 33-006-040, 1970, Seiten 15-17, ergab in dortiger Gleichung
(2.4.8), daß bei Verwendung eines linearen sendeseitigen Schätzwertbildners 3 ein
minimaler quadratischer Mittelwert des Schatzfehlersignales 9 dann auftritt, wenn
dieses ein weißes Leistungsspektrum hat. Weiß bedeutet in diesem Zusammenhang, daß
das Leistungsspektrum zwischen der Frequenz Null und der Bandgrenze des bandbegrenzten
Signales konstant ist und außerhalb dieses Bereiches verschwindet. Demnach ist der
sendeseitige Schätzwertbildner 3 so auszulegen, daß die aus der ersten Subtrahierschaltung
1 und dem sendeseitigen Schätzwertbildners 3 im Ersatzbild nach Pig. 4 bestehende
rückgekoppelte lineare Anordnung das über die Klemme c eingespeiste
Signal
so filtert, daß das in den Ubertragungskanal 4 eingegebene Signal ein weißes Spektrum
hat. Die lineare Anordnung ist dann ein Weißmacherfilter. Andererseits soll der
empfangsseitige Schätzwertbildner 5, der dem sendeseitigen Schatzwertbildner 3 völlig
entsprechen kann, in der Zusammenschaltung mit der ersten Addierschaltung 6 ein
beliebiges, den Übertragungskanal 4 verlassendes Signal mit weißem.leistungsspektrum
so filtern, daß das über die Klemme d abgegebene Signal ein Leistungsspektrum wie
das im Normalfall zu erwartende Eingangssignal an der Klemme c hat.
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In dem bereits erwähnten Bericht von Stroh und Boorstyn wurden für
den Entwurf einer Einrichtung für Differenz-Pulsmodulation nach Fig. 1 zwei Ansätze
aufgezeigt und auf den Seiten 41 und 43 in den dortigen Abbildungen 2, 3, 2.1 und
2.4 dargestellt. Der erste Ansatz geht davon aus, den Schaltungsteil zwischen der
Klemme c und dem Übertragungskanal 4 in der Brsatzschaltung nach Fig. 4 zunächst
als ransversalfilter zu entwerfen, dessen Verzögerungsleitung unendlich viel Abgriffe
bei ganzzahligen Vielfachen eines Abtastintervalles hat Das Abtastintervall ist
der zeitliche Abstand zweier Probenentnahmen aus dem Originalsignal. Das Transversalfilter
und die Begriffe Verzögerungsleitung und Abgriff sind bei Möhrmann, "Nachrichtentechnische
Zeitschrift, 1970, Heft 1, S 36 - 42, anhand Bild 1 erläutert. Die dort mit c bezeichneten
Teile sind hier Bewertungsglieder genannt; sie bewerten das abgegriffene Signal
mit einem Faktor. Der Abgriff bei der V-erzögerung Null ist mit dem Faktor Bins
bewertet. Das ransversalfilter wird als Weißmacherfilter aus legt. Alsdann wird
die Schaltung in ihrer Struktur entsprechend den Regeln der Algebra der Blo-ckschaltbilder,
jedoch ohne Veränderung der Zahl der Abgriffe an d er der Verzögerungsleitung, so
verändert, daß eine rückgekoppelte Struktur mit der ersten Subtrahierschaltung 1
und dem linearen sendeseitigen Schätzwertbildner 3 entsprechend Fig. 4 entsteht.
Dann wird in den
Vorwärtszweig der Rückkopplungsschleife entsprechend
Fig. 1 ein Quantisierer 2 gelegt und für die Empfangsseite ein dem sendeseitigen
Schätzwertbildner 3 äquivalenter empfangsseitiger Schätzwertbildner 5 vorgesehen.
Die Algebra der Blockschaltbilder ist bei Merz, "Grundkurs der Regelungstechnik",
2. Auflage, Verlag Oldenbourg, München 1964, S.B/50 bis S.B/34, Absatz 4.5 erläutert.
Bei der technischen Realisierung muß die Zahl der Abgriffe an der Verzögerungsleitung
des Transversalfilters beschräiikt bleiben, denn die Zahl der Abgriffe soll zur
Niedrighaltung des Aufwandes möglichst klein gehalten werden. Dieses Problem wurde
von O'Neal in "The Bell System Technical Journal, 1966, S. 689 bis 721 für Pernsehsignale
mittels Rechnersimulation bearbeitet. Das Ergebnis war, daß es sehr aufwandsgünstig
ist, bei Fernsehsignalen neben dem Abgriff bei der Verzögerung Null nur zwei Abgriffe
am Transversalfilter zu verwenden, und zwar einen, der einem in der gleichen Zeile
benachbarten Bildpunkt, und einen, der einem in der gleichen Spalte benachbarten
Bildpunkt entspricht. Die Bewertungsfaktoren sind dann für jeden der beiden Abgriffe
etwa 0,5, so daß näherungsweise der arithmetische Mittelwert der abgegriffenen verzögerten
Werte gebildet wird.
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In einer neueren Veröffentlichung von Connor, Begase und Scholes in
"he Bell System Technical Journal'1, Band 50, Nr. 3, 1971, S. 1049 bis 1061, sind
verschiedene Schätzwertbildner für Fernsehsignale beschrieben, die experimentell
untersucht wurden, und die wie die Schätzwertbildner von O'Neal mit einem Transversalfilter
aufgebaut waren. Die Autoren befürworvon ten eine demYOtNeal gefundenen Schätzwertbildner
sehr ähnliche Lösung. Von den Autoren ebenfalls ins Auge genommene aufwendigere
Lösungen - dort mit IV und V bezeichnet - , die mehr Abgriffe an der Yerzögerungsleitung
erfordern, gaben zwar im Mittel bessere Schätzwerte, wurden aber dort verworfen,
da sie speziell an diagonal verlaufenden Kanten schlechte Schätswerte liefern und
da einzelne Bit-Übertragungsfehler alle nachfolgenden rekonatruierten Signalabtastwerte
verfälschen. Durch eine besondere
Schaltungsmaßnahme kann die Zahl
der verfälschten Signalabtastwer te zwar endlich, aber im allgemeinen nicht klein
gehalten werden.
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Der andere Ansatz von Stroh und Boorstyn geht davon aus, den Schaltungsteil
zwischen dem Übertragungskanal 4 und der Klemme d in Pig. 4 zunächst als Transversalfilter
zu entwerfen, dessen Verzögerungsleitung unendlich viele abgriffe bei ganzzahligen
Vielfachen eines Abtastintervalles hat.
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Der Abgriff bei der Verzögerung Null ist mit dem Faktor Bins bewertet.
Das '2ransversalfilter wird so ausgelegt, daß sein Ausgangssignal ein Leistungsspektrum
gleich demjenigen des an der Klemme c meist zu erwartenden eingespeisten Signales
hat, wenn am Eingang des ransversalfilters ein beliebiges Signal mit weißem Leistungsspektrum
anliegt. Dieses System ist sehr leicht in die Form des in Fig. 1 Beschriebenen zu:
bringen.
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Andere Realisierungen der Differenz-Pulsmodulaxion, die nicht in digitaler
Rechentechnik aufgebaut sind,haben keine ausreichenden Genauigkeiten für hocheffektive
Schätzwertbildner.
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Der Schätzwert leidet durch Rauschen und Ungenauigkeiten und ist deshalb
beiSender und Empfänger nicht ausreichend gleich.-Bei den digital realisierten Schätzwertbildnern
ist es wichtig, die Zahl der mit einem Faktor ungleich Eins-zu bewertenden Abgriffe
an Verzögerungsleitungen möglichst klein zu halten, da jedes Bewertungsglied Rundungsfehler
(round-off-errors) bewirkt, die den Schätzwert versch)echtern und nur durch erhöhten
Aufwand verringert werden können. Die bekannten Schätzwertbildner, die aus Ansätzen
mit Dransversalfiltern hervorgehen, haben den Nachteil, daß die Schar der Leistungsspektren
von an der Klemme c eingespeisten Signalen, welche ideal weiß gemacht werden können,
beschränkt ist, weil bei erträglichem Aufwand und zur Vermeidung von Rundungsfehlern
nur wenige Abgriffe in der Verzögerungsleitung vorgesehen werden dürfen.
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Beispielsweise ist keine Sendeseite der bekannten Systeme in der Lage,
bei geringstmöglicher Zahl von Abgriffen an Yerzögerungsleitungen ein typisches
Fernseh-Signalspektrum weiß zu filtern. Bei dem als für Fernsehsignale günstig bezeichneten
Schätzwertbildnern nach O'Neal werden in direkter Jähe von senkrechten und waagerechten
Kanten im Bildinhalt, deren gute Wiedergabe bei der Übertragung von Schriftzeichen
besonders wichtig ist, schlechte Schätzwerte gebildet, da der Schätzwert prinzipiell
etwa in der Mitte zwischen den Helligkeiten der an die Kante angrenenden Flächen
liegt, wenn die beiden zur Schätzung herangezogenen Bildpunkte in zwei verschieden
hellen Flächen liegen. Schätzwertbildner, die Verzögerungselemente von einer Bildfolgedauer
oder mehr halben, sind bekannt und wirkungsvoll, aber finanziell sehr aufwendig.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für ein Nachrichtenübertragungssystem
für Differenz-Pulsmodulation einen Schätzwertbildner anzugeben, der in digitaler
Rechentechnik realisierbar ist und bei möglichst geringem technischen Aufwand und
möglichst geringer Zahl von digitalen Bewertungsgliedern an eine größere Vielfalt
von Signalspektren angepaßt werden kann als die bekannten Schätzwertbildner und
der insbesondere gut an Fernsehsignale angepaßt werden kann. Er soll aber ebenso
auch an Tonsignale, Faksimilesignale und Datensignale angepaßt werden können.
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Ausgehend von einem Nachrichtenübertragungssystem der einleitend geschilderten
Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als empfangsseitiger
Scnätzwertbildner und als erste Addierschaltung zusammen ein erster Vierpol vorgesehen
ist, der aus einem normierten Verzögerungs- Verzweigungsnetzwerk der ersten oder
der zweiten kanonischen Form (Filter I), aus einer tettenschaltung aus wenigstens
zwei normierten Verzögerungs-Verzweigungsnetzwerken der ersten oder zweiten kanonischen
Form (Filter II), die auch durch Vereinfachung zu normierten Transversalfiltern
(Filter III) oder normierten rekursiven
Filtern (Filter IT) entartet
sein können, oder aus einer empfangsseitigen Schaltung besteht, die mit den Mitteln
der Algebra der Blockschaltbilder, jedoch ohne Veränderung der Anzahl und Bewertungsfaktoren
der Abgriffe an Verzögerungsleitungen, in ein Filter I oder ein Filter II, die auch
in FilterIII oder IV entartet sein können, übergeführt werden kann, und daß als
sendeseitiger Schätzwertbildner ein zweiter Vierpol vorgesehen ist, der aus einem
dem ersten gleichen Vierpol und einer zweiten Subtrahierschaltung derart zusammengeschaltet
ist, daß der wenigstens eine, zeitlich vorhergegangene quantisierte Schätzfehler
sowohl dem Eingang des dem ersten gleichen Vierpols als auch dem Minus-Eingang der
Subtrahierschaltung zugeführt wird, daß der Ausgang des dem ersten gleichen Tierpoles
mit dem Plus-Eingang der zweiten Subtrahierschaltung verbunden ist und daß der Ausgang
der zweiten Subtrahierschaltung als Ausgang des zweiten Vierpols dient, oder daß
als sendeseitiger Schätzwertbildner eine sendeseitige Schaltung vorgesehen ist,
die mit den Mitteln der Algebra der Blockschaltbilder, jedoch ohne Veranderung der
Anzahl und Bewertungsfaktoren der Abgriffe an Verzögerungsleitungen 5 in den zweiten
Vierpol übergeführt werden kann.
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Ein Verzögerungs-Verzweigungsnetzwert der ersten oder der zweiten
kanonischen Form (Filter 1) ist der Sonderfall eines Verzweigungsnetzwerkes der
ersten oder der zweiten kanonischen Form nach Schussler, 'tZur Allgemeinen Theorie
der Verzweigungsnetzwerke", Archiv der elektrischen Übertragung, 22 (1968), S. 361
bis 367, Bild t bzw. Bild 2, bei dem entsprechend dortige Absatz 3.1 die Teilsysteme
1/H(s) Verzögerungselemente von der Länge eines Abtastintervalles sind. Normierte
Verzögerungs-Verzweigungsnetzwerke sind solche, bei denen in der Darst-ellung nach
Schijssler bn = 1 ist. Ein normiertes Transversalfilter hat darüberhinaus alle e
V = 0, ein normiertes rekursives Filter hat
Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Nachrichtenübertragungssystems
ist dadurch gekennzeichnet, daß der sendeseitige und der empfangsseitige Schätzwertbildner
aus einem ersten Grundelement der ersten kanonischen Porm und aus einer zweiten
bis sechsten Addierschaltung gebildet ist, daß der Eingang des Schätzwertbildners
mit einem ersten Eingang des ersten Grundelements und mit jeweils einem ersten Eingang
der zweiten bis vierten Addierschaltung verbunden ist, daß der Ausgang des ersten
Grundelements mit dem zweiten Eingang der zweiten Addierschaltung und mit dem ersten
Eingang der fünften Addierschaltung verbunden ist, daß der Ausgang der zweiten Addierschaltung
mit dem zweiten Eingang des ersten Grundelements und dem ersten Eingang des zweiten
Grundelements verbunden ist, daß der Ausgang des zweiten Grundelements mit dem zweiten
Eingang der fünften Addierschaltung verbunden ist, daß der Ausgang der fünften Addierschaltung
mit dem zweiten Eingang der dritten Addierschaltung und dem ersten Eingang der sechsten
Addierschaltung verbunden ist, daß der Ausgang der dritten Addierschaltung mit dem
zweiten Eingang des zweiten Grundelements und dem ersten Eingang des dritten Grundelements
verbunden ist, daß der Ausgang des dritten Grunelements mit dem zweiten Eingang
der sechsten Addierschaltung verbunden ist, daß der Ausgang der vierten Addierschaltung
mit dem zweiten Eingang des dritten Grundelements und mit einem Hilfsausgang verbunden
ist und daß der Ausgang der sechsten Addierschaltung mit dem zweiten Eingang der
vierten Addierschaltung und mit dem Ausgang des Schätzwertbildners verbunden ist.Yas
Grundelement der ersten kanonischen Porm besteht beispielsweise in vorteilhafter
Weise aus einem ersten bis dritten Verzögerungselement, aus einer siebenten bis
neunten Addierschaltung sowie aus einem ersten bis sechsten Bewertungsglied. Dabei
ist ein erster Eingang des Grundelements mit den Eingängen des ersten bis dritten
Bewertungsgliedes verbunden, ist ein zweiter Eingang des Grundelements mit den Eingängen
des zweiten, fünften und sechsten Bewertungsgliedes verbunden, ist der Ausgang des
dritten und sechsten Bewertungsgliedes mit je einem Eingang der neunten
Addierschaltung
verbunden, ist der Ausgang der neunten Addierschaltung mit dem Eingang des dritten
Verzögerungselements verbunden, ist dessen Ausgang mit einem ersten Eingang der
achten Addierschaltung verbunden, sind die Ausgänge des zweiten und fünften Bewertungsgliedes
mit je einem zweiten und dritten Eingang der achten Addierschaltung verbunden, deren
Ausgang mit dem Eingang des zweiten Verzögerungsgliedes verbunden ist, deren Ausgang
wiederum mit einem ersten Eingang der siebenten Addierschaltung verbunden ist, sind
ferner die Ausgänge des ersten und vierten Bewertungsgliedes mit je einem zweiten
und dritten Eingang der siebenten Addierschaltung verbunden, und ist der Ausgang
der siebenten Addierschaltung mit dem Eingang des ersten Verzögerungsgliedes verbunden,
dessen Ausgang wiederum mit dem Ausgang des Grundelements verbunden ist.
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Eine andere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Nachrichtenübertragungssystems
ist dadurch gekennzeichnet, daß der sendeseitige und der empfangsseitige Schätzwertbildner
aus einem ersten bis dritten Grundelement der zweiten kanonischen Form sowie aus
einer zehnten bis siebzehnten Addierschaltung gebildet ist, daß der Eingang des
Schätzwertbildners mit je einem ersten Eingang der zehnten bis zwölften Addierschaltung
verbunden ist, daß der erste Ausgang des ersten Grundelements mit einem zweiten
Eingang der zehnten Addierschaltung und einem ersten Eingang der dreizehnten Addierschaltung
verbunden ist, daß der Ausgang der zehnten Addierschaltung mit dem Eingang des ersten
Grund elements verbunden ist, dessen zweiter Ausgang mit einem zweiten Eingang der
dreizehnten Addierschaltung verbunden ist, deren Ausgang mit einem ersten Eingang
einer sechzehnten Addierschaltung verbunden ist, daß der erste Ausgang des zweiten
Grundeements mit einem zweiten Eingang der sechzehnten Addierstufe verbunden -ist,
deren Ausgang mit einem zweiten Eingang der elften Addierstufe und einem ersten
Eingang der vierzehnten Addierstufe verbunden ist, daß der Ausgang der elften Addierstufe
mit dem Eingang des zweiten Grundelements
verbunden ist, deren
zweiter Ausgang mit einem zweiten Eingang der vierzehnten Addierstufe verbunden
ist, deren Ausgang mit einem ersten Eingang einer siebzehnten Addierstufe verbunden
ist, daß der erste Ausgang des dritten Grundelements mit einem zweiten Eingang der
siebzehnten Addierstufe verbunden ist, daß der Ausgang der siebzehnten Addierstufe
mit einem zweiten Eingang der zwölften addiert stufe und einem ersten Eingang der
fünfzehnten Addierstufe verbunden ist, daß der Ausgang der zwölften Addierstufe
mit dem Eingang des dritten Grundelements verbunden ist, deren zweiter Ausgang mit
einem zweiten i,Engang der fünfz-iften Addierschaltung verbunden ist, und daß deren
Ausgang mit dem Ausgang des Schätzwertbildners verbunden ist.
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Das Grundelement der weit- kanonischen Form besteht beispielsweise
aus einem vie @ bis sechsten Versögerungselement, aus einem siebenten bis zwölften
Bewertungsglied sowie aus ein@r achtzehnten bis einundzwanzigsten Addierschaltung.
Dabei ist aber Eingang des Grundelements mit dem Eingang des vierten Verzögerungselements
verbunden, deren Ausgang mit den Eingangen des fünften Verzögerungselements und
des siebenten und zehnten Bewertungsgliedes verbünden ist, ist ferner der Ausgang
des fünfter Verzögerungselements mit dem Eingang. des sechsten Wrerzögerungselements
und des achten und elften Bewertungsgliedes verbunden, ist der Ausgang des sechsten
Verzogerungselements mit dem Eingang des neunten und zwölften Bewertungsgliedes
verbunden, ist der Ausgang des achten und neunten Bewertungsgliedes je mit einem
Eingang der neunzehnten Addierschaltung verbunden, ist der Ausgang des elften und
zwölften Bewertungsgliedes je mit einem Eingang der einundzwanzigsten Addierschaltung
verbunden, ist der Ausgang der neunzehnten Addierschaltung und des siebenten-Bewertungsgliedes
je mit einem Eingang der achtzehnten Addierschaltung verbunden, ist der Ausgang
der einundzwanzigsten Addierschaltung und des zehnten Bewertungsgliedes je mit einem
Eingang der zwanzigsten Addierschaltung verbunden und sind der Ausgang der achtzehnten
Addierschaltung mit dem ersten
Ausgang und der Ausgang der zwanzigsten
Addierschaltung mit dem zweiten Ausgang des Grundelements verbunden.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Nachrichtenübertragungssystems
besteht der sendeseitige und empfangsseitige Schätzwertbildner aus einem siebenten
und achten Verzögerungselement, aus einem dreizehnten und vierzehnten Bewertungsglied
sowie aus einer zweiundzwanzigsten bis vierundzwanzigsten Addierschaltung. Der Eingang
des Schätzwertbildners ist mit einem ersten Eingang der vierundzwanzigsten und zweiundzvranzigsten
Addierschaltung verbunden, deren Ausgang mit dem Eingang des siebenten Verzögerungselements
verbunden ist, ist ferner der Ausgang des siebenten Verzögerungselements mit dem
Eingang des drei zehnten Bewertungsgliedes verbunden, dessen Ausgang mit einem zweiten
Eingang der zveiundzwælzigsten Addierschaltung und einem ersten Eingang der dreiundzwanzigsten
Addierschaltung verbunden ist, ist weiter der Ausgang der dreiundzwanzigsten Addierschaltung-mit
einem zweiten Eingang der vierundswanzigsten Addierschaltung und dem Ausgang des
Schätzwertbildners verbunden, ist der Ausgang der vierundzwanzigsten Addierschaltung
mit dem Eingang des achten Verzögerungselements und einem Hilfsausgang verbunden,
und ist der Ausgang des achten Verzögerungselements mit dem Eingang des vierzehnten
Bewertungsgliedes und dessen Ausgang wiederum mit einem zweiten Eingang der dreiundzwanzigsten
Addierschaltung verbunden.
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Es ist vorteilhaft, wenn die Faktoren der Bewertungsglieder und die
Verzgerungszeiten der Verzögerungselemente des sendeseitigen Schätzertbildners derart
dimensoniert sind, daß das Leistungsspektrum des in den Übertragungskanal eingespeisten
Schätzfehlers zwischen der Frequenz Null und der Bandgrenze des bandbegrenzten Analogsignals
näherungsweise konstant (weiß) ist, da dann der quadratische Mittelwert des Schätzfehlers
minimal ist und mit einer geringsten Zahl von Quantisierurigsstufen quantisiert
werden kann.
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Vorteilhaft ist es, wenn im Schätzwertbildner jeder Signalweg (Wirkungslinie)
zwischen dem-Singang und dem Ausgang über wenigstens ein Verzögerungselement führt,weil
dann für die Berechnung eines Schätzwertes mit Sicherheit nur Schätzfehler, die
zu fr\:üier berechneten Schätzwerten für andere Abtastproben des Analogsignales
gehören, verwendet werden.
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Damit sende- und empfangsseitig exakt gleiche Schätzwerte errechnet
werden, ist es vorteilhaft, wenn beide Schätzwertbildner gleich ausgebildet sind.
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Um die schädlichen Auswirkungen von Übertragungsfehlern im Kanal einzuschränken,
ist es vorteilhaft, wenn der erste Vierpol derart ausgebildet ist, daß seine Impulsantwort
zeitlich begrenzt ist.
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Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Nachrichtenübertragungssystems
besteht darin, daß beide Schätzwertbildner und die erste Addierschaltung als Digitalrechenwerke,
daß die erste Subtrahierschaltung als Analogschaltung und daß der Quantisierer als
Analog--Digital-TJmsetser mit ungleichmäßig verteilten Quantisierungssufen ausgebildet
sind, daß das digitale Ausgangssignal des Analog-Digital-Umsetzers über einen digitalen
Übertragungskanal der Gegenstelle mitgeteilt wird, daß vor dem Eingang des sendeseitigen
Schätzwertbildners und hinter dem Ausgang des digitalen Übertragungskanales ein
digitales Rechenwerk vorgesehen ist, welches die ungleichmäßige Verteilung der Quantisierungsstufen
des Analog-3)igital-Umsetzers wieder rückgängig macht und daß ferner zwischen dem
sendeseitigen Schätzvertbildner und dem Minus-Eingang der ersten Subtrahierschaltung
ein Digital-Analog-Umsetzer vorgesehen ist.
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Pür eine Verarbeitung von Analogsignalen mit einer Gleichspannungskomponente
ist es vorteilhaft, dem Plus-Eingang der ersten Subtrahierschaltung eine Einrichtung
zu Eliminierung der Gleichspannungskomponente vorzuschalten.
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Zur Beeinflussung des bei der Wiedergabe auftretenden Quantisiergeräusches
in einer für den Menschen günstigen Weise ist es vorteilhaft, daß dem Plus-Eingang
der ersten Subtrahierschaltung ein Präemphasefilter vorgeschaltet ist, bei dem der
Betrag des Übertragungsfaktors im Frequenzbereich der zu übertragenden Analogsignale
mit steigender Frequenz stetig abnimmt und daß der ersten Addierschaltung ein Deemphasefilter
nachgeschaltet ist, bei dem der Betrag des Übertragungsfaktors im Frequenzbereich
der zu Ubertragenden Analogsignale mit steigender Frequenz zunimmt.
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Für die Verarbeitung von Ton- oder Bildanalogsignalen ist es vorteilhaft,
wenn vor dem Eingang des Quantisierers eine Einrichtung zur Addition eines beliebigen
Signals und vor dem Eingang des sendeseitigen Schätzwertbildners sowie nach dem
Ausgang des Übertragungskanals eine Einrichtung zur Subtraktion dieses beliebigen
Signals vorgesehen sind.
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Dabei kann als beliebiges Signal ein Pseudozufallssignal dienen.
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Pür die Verarbeitung von Fernsehsignalen ist es vorteilhaft, dem Systemausgang
eine Einrichtung zur Regenerierung der Zeilen- und Bildsynchronisierzeichen nachzuschalten.
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Vorteilhaft ist es schließlich, wenn als Übertragunj;skanal eine Schieberegister-Verzögerungsleitung
oder eine Datenbank vorgesehen ist.
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Das erfindungsgemäße Nachrichtenübertragungssystem dient zur-Übertragung
oder Speicherung von Fernsehsignalen, Tonsignalen, Faksimilesignalen, RadRrsignalen
oder Daten.
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Fig. 5 zeigt ein normiertes Verzögerungs-Verzweigungsnetzwerk der
ersten kanonischen Form (Filter I) entsprechend der genanmXen Literaturstelle Schüssler,
bestehend aus Verzögerungselementen 10, 11, 12, die um ein ganzzahliges Vielfaches
(Paktor
1 oder 2 oder 3 ...) eines Abtastintervalles verzögern, Bewertungsgliedern 13, 14,
15, 16, 17, 18, welche mit untereinander gleichen oder ungleichen Faktoren bewerten,
und den Addierschaltungen 19, 20, 21, 22. Gestrichelt abgegrenzt ist ein aus den
Elementen 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 20, 21, 22 bestehendes Grundelement
23 der ersten kanonischen Form mit Eingangsklemmen 24, 25 und einer Ausgangsklemme
26. Auf dieses Grundelement 23 wird später Bezug genommen.
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Pig. 6 zeigt ein normiertes Verzögerungs-Verzweigu'-netzwerk der zweiten
kanonischen Porm (Filter I) entsprechend der genannten Literaturstelle Schüssler,
bestehend aus Verzögerungselementen 27, 28, 29, die um ein ganzzahliges Vielfaches
(Paktor 1 oder 2 oder 3 ...) eines Abtastintervalles verzögern, Bewertungsgliedern
30, 31, 32, 33, 34, 35, welche mit untereinander gleichen oder ungleichen Faktoren
bewerten, und Addierschaltungen 36, 37, 38, 39, 40, 41.
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Gestrichelt abgegrenzt ist das aus den Elementen 27, 28, 29, 30, 31,
32, 33, 34, 35, 37, 38, 40, 41 bestehende Grundelement 42 der zweiten kanonischen
Form mit einer EingangskLemme 43 und Ausgangsklemmen 44, 45. Auf dieses Grundelement
42 wird später Bezug genommen.
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Die Schaltungen in Fig, 5 und Fig. 6 enthalten nur drei Verzögerungselemente.
Es ist jedoch bei der Realisierung der Erfindung freigestellt, die Zahl der Verzögerungselemente
auf eines oder zwei zu verringern oder die Zahl der Verzögerungselemente zu erhöhen,
entsprechend der Literaturstelle Schüssler.
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Pig. 7 zeigt ein normiertes Transversalfilter (Filter III) bestehend
aus Verzögerungselementen 46, 47, 48, 49, Bevrertungsgliedern 50, 51, 52, 53 und
hddierschaltungen 54, 55, 56, 57 entsprechend der I,iteraturstelle Möhrmann, welches
aus dem normierten Verzögerungs-Verzweigungsnetzwerk der zweiten kanonischen Form
mit vier Verzögerungselementen dadurch hervorgegangen
ist, daß
vier Bewertungsglieder und vier Addier-Schaltungen eingespart wurden, über die die
Verzögerungselemente verlassenden Signale zurückgekoppelt werden könnten.
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Fig. 8 zeigt ein rekursives Filter (Filter IV), bestehend aus Verzögerungselementen
59, 60, 61, 62, Bewertungsgliedern 63, 64, 65, 66 und Addierschaltungen 67, 68,
69, 70, welches ebenfalls durch Einsparung von vier Bewertungsgliedern und vier
Addierschaltungen aus dem Verzögerungs- Verzweigungsnetzwerk der zweiten kanonischen
Form hervorgegangen ist. Hier sind jedoch im Gegensatz zum Transversalfilter die
vorwärtskoppelnden Teile der Schaltung nicht vorhanden.
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Vorteilhaft ist es, nur Bewertungsfaktoren von solchen Abgriffen an
den. Verzögerungsleitungen der franspersalfilter vom Wert Null verschieden zu machen,
die wesentliche Beiträge zum Schätzwert liefern, weil dadurch der erforderliche
Aufwand gering gehalten wird. Geeignete Kombinationen von Abgriffen, die wesentliche
Beiträge zum Schätzwert liefern, können gefunden werden, indem bei vielen Kombinationen
von Abgriffen die Bewertungsfaktoren von Null verschieden gemacht werden und für
jede dieser Kombinationen und für viele Werte der Bewertungsfaktoren jeweils dasjenige
Leistungsspektrum ermittelt wird, welches in Fig. 1 an der Klemme b erscheint, wenn
den Kanal 4 ein Signal mit weißem Leistungsspektrum verläßt. Es wird die Kombination
von Abgriffen ausgewählt, die bei lohnenswertem Aufwand zu dem Leistungsspektrum
führt, das demjenigen des bei Klemme c eingespeisten Signales am ähnlichsten ist,
im günstigsten Falle diesem proportional.
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Die Abgriffe, deren zugehörige Bewertungsfaktoren Null sind, brauchen
selbstverständlich nicht realisiert zu werden.
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Zwei mögliche Schaltungen für die Empfangsseite sind zunächst die
Verzweigungsnetzwerke nach Pig. 5 und nach Fig. 6.
-
Zwei weitere mögliche Schaltungen für die Empfangsseite sind Kettenschaltungen
von 2 Schaltungen nach-Fig. 5 oder von 2 Schaltungen nach Fig. 6, 7 oder 8, die
so zusammengeschaltet sind, daß der Ausgang der ersten Schaltung den Eingang der
zweiten Schaltung speist. Die Zahlenwerte für Verzögerungszeiten der Verzögerungselemente
und für Bewertungsfaktoren der -Bewertungsglieder bei den beiden in Kette geschalteten
Schaltungen können dann gleich oder ungleich sein.
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Die beiden in Kette geschalteten Schaltungen werden Kettenglieder
genannt.
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Weitere Schaltungen für die Empfangsseite ergeben sich durch Verlängerung
der Kettenschaltungen um weitere Kettenglieder der gleichen Art wie die beiden ersten.
-
Weitere mögliche Schaltungen für die Empfangsseite ergeben sich dadurch,
daß man Ketten aus mehr als einer Schaltung nach Fig. 5, 6, 7, 8 gemischt bildet.
-
Diese bisher erwähnten Schaltungen entbehren des noch zu erläuternden
Vorteiles, daß der Schätzwertbildner in ihnen explizit auftritt, das heißt durch
lediglich eine Eingangsklemme und eine Ausgangsklemine abgegrenzt und für die Sendeseite
ohne Änderung übernommen werden kann. Schaltungen für die Empfangsseite, in denen
der Schätzwertbildner explizit auftritt, werden aus den bisher genannten Schaltungen
für die Empfangsseite mittels der bereits erwähnten Algebra der Blockschaltbilder
gefunden. Durch Anwendung der Algebra der Blockschaltbilder verändern die Schaltungen
nicht ihre Eigenschaften zwischen Eingangs- und Ausgangeklemme mit Ausnahme der
bei der Realisierung auftretenden Nebeneffekte. Zu erwartende Nebeneffekte sind
beispielsweise die Auswirkung von Rundung fehlern in Bewertungsgliedern oder Begrenzung
des-Signales, wenn ausnahnscise überhöhte Amplitudenwerte auftreten.
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Eine so aus einer Kettenschaltung zweier Kettenglieder nach -Fig.
5 leicht herleitbare Schaltung für die Empfangsseite ist in Fig. 9 dargestellt.
Eine so aus einer Kettenschaltung zweier Kettenglieder nach Fig. 6 leicht herleitbare
Schaltung für die Empfangsseite ist in Fig. 10 dargestellt.
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Die Schaltung nach Fig. 9 als Ausführungsbeispiel der Erfindung arbeitet
folgendermaßen. Die Schaltung besitzt im wesentlichen m Grundelemente wie 23. In
Fig. 9 ist m = 3 gewählt und die drei Grundelemente sind 23', 23i 23"' genannt,
da die Zahlenwerte für Verzögerungszeiten und Bewertungsfaktoren sich unterscheiden
können. Das den Kanal 4 verlassende Signal wird einer Verzweigung 72 zugeführt.
Eine Eingangsklemme 25' des ersten Grundelementes 23' ist mit einer Eingangsklemme
24" eines zweiten Grundelementes 23'' verbunden, eine Eingangsklemme 25" des zweiten
Grundelementes 23" mit einer Eingangsklemme 24''' des in Fig. 9 letzten Grundelementes
23"'. Weiter sind die Eingangsklemmen 25', 25", 25"' mit den Ausgangsklemmen je
einer Addierschaltung verbunden, und zwar 25' mit 73, 25" mit 74,- 25"' mit 75.
Das eine die Verzweigung 72 verlassende Signal wird sowohl einer Eingangaklemme
24' des ersten Grundelementes 23' zugeführt als auch jeweils einem Eingang der Addierschaltungen
73, 74, 75.
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Der Ausgang 26", 26" ' eines jeden Grundelementes 23" 23"' mit Ausnahme
des ersten 26' speist je einen Eingang einer bisher noch nicht genannten Addierschaltung,
und zwar speist 26" einen Eingang der Addierschaltung 76 und 26''' einen Eingang
der Addierschaltung 77. Das Ausgangssignal der Addierschaltung 76 speist den noch
freien zweiten Eingang der Addierschaltung 74, das Ausgangssignal der Addierschaltung
77 speist den noch freien zweiten Eingang der Addierschaltung 75.
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Der n^«h freie zweite Eingang der Addierschaltung 76 wird vom Ausgang
26' der ersten Grundschaltung 23' gespeist.
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Die Addierschaltung 77 bezieht ihr Eingangssignal für den noch freien
zweiten Eingang vom Ausgang der Addierschaltung 76. Der Ausgang der Addierschaltung
77 speist einen Eingang der Addierschaltung 78> deren zweiter Eingang vom zweiten
Ausgang der Verzweigung 72 her mit dem den Kanal 4 verlassenden Schätzfehlersignal
gespeist wird.
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Der aus den Teilen 23', 23", 23"', 73, 74, 75, 76, 77 bestehendes
eingerahmte Teil 79 der Schaltung in Fig 9 ist der Schätzwertbildner, der in Fig.
1 mit 5 bezeichnet ist.
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Die Addierschaltung 78 ist die in Fig. 1 mit 6 bezeichnete Addierschaltung.79
ist der gesuchte explizit in der Schaltung auftretende Schätzwertbildner. Die Addierschaltung
75 addiert die identisch gleichen Größen wie die Addierschaltung 78. Deshalb kann
in der empfangsseitigen Einrichtung die Addierschaltung 78 eingespart werden. Anstelle
deren Ausgangsklemme wird die Hilfsausgangsklemme 114 verwendet.
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Die Schaltung nach Fig. 10 als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung
besitzt im wesentlichen m Grundelemente 42', 42", 42''', da die Zahlenwerte für
Verzögerungszeiten und Bewertungsfaktoren sich unterscheiden können. m ist gleich
drei gewählt. Das den Kanal 4 verlassende Signal wird einer Verzweigung 80 zugeführt.
Eingänge 43', 43'', 44"' der Grundelemente werden jedes vom Ausgang einer Addierschaltung
gespeist, und zwar der Eingang 431 von einer Addierschaltung 81, der Eingang 43''
von einer Addierschaltung 82, und der Eingang 45"' von einer Addierschaltung 83.
Jeweils ein Eingang der Addierschaltungen 81, 82, 83 wird von einem Zweig der Verzweigung
80 mit dem den Kanal 4 verlassenden Schätzfahlersignal gespeist. Ausgänge 45', 45",
4"' der Grundelemente 42', 42", 42"' speisen den einen Eingang jeweils einer Addierschaltung,
und zwar speist der Ausgang 45' eine Addierschaltung
84, der Ausgang
45-" eine Addierschaltung 85 und der Ausgang 45''' eine Addierschaltung 86. Der
zweite Eingang der Addierschaltung 84 ist mit dem noch freien zweiten Eingang der
Addierschaltung 81, der zweite Eingang der Addierschaltung 8 ist mit dem zweiten
Eingang der Addierschaltung 82 und der zweite Eingang der Addierschaltung 86 ist
mit dem zweiten Eingang der Addierschaltung 83 verbunden. Ausgänge 44't und 44'''
jedes der Grundelemente mit Ausnahme des ersten speisen den ersten Eingang je einer
noch nicht genannten Addierschaltung, und zwar speist der Ausgang 44off die Addierschaltung
87 und der Ausgang 44off die Addierschaltung 88. Der zweite Eingang einer Addierschaltung
87 wird vom Ausgang der Addierschaltung 84 gespeist, der zweite Eingang einer Addierschaltung
88 vom Ausgang der Addierschaltung 85. Der Ausgang 44' des ersten Grundelementes
42' speist die bereits verbundenen zweiten Eingangsklemmen der Addierschaltungen
81 und 84, der Ausgang der Addierschaltung 87 speist die zweiten Eingänge der Addierschaltungen
82 und 85 und der Ausgang der Addierschaltung 88 speist die zweiten Bin6änge der
Addierschaltungen 83 und 86.
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Der Ausgang der Addierschaltung 86 wird dem ersten Eingang einer
Addierschaltung 89 zugeführt. Der zweite Eingang dieser Addierschaltung 89 wird
vom zweiten Zweig der Verzweigung 80 mit dem den Kanal 4 verlassenden Schätzfehlsignal
gespeist. Der aus den Teilen 42', 42", 42"', 81, 82, 83, 84, 85, 86, o7, 88 bestehende,
eingerahmte Teil 90 der Schaltung in Fig. 10 ist der Schätzwertbildner, der in Fig.
1 mit 5 bezeichnet ist.
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Die Addierschaltung 89 ist die in Fig. 1 mit 6 bezeichnete Addierschaltung.
90 ist der gesuchte, explizit in der Schaltung für die Empfangsseite auftretende
Schätzwertbildner.
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Der Schätzwertbildner 3 der Sendeseite wird gebildet, indem eine
Kopie der empfajngsseitgien Einrichtung vorgesehen ist, und eine Subtrahierschaltung,
deren positiver Eingang vom Ausgang
der Kopie der empfangsseitigen
Schaltung gespeist wird, und deren negativer Eingang mit dem Eingang der Kopie der
empfangsseitigen Einrichtung verbunden ist und vom Eingangssignal des Schätzwertbildners
gespeist wird. Der Sachverhalt ist in Fig. 11 verdeutlicht. 91 ist die Kopie der
empfangsseitigen Einrichtung, 92 die Sutrahierschaltung. Der aus den Elementen 91
und 92 bestehende eingerahmte Teil 93 entspricht dem Schätzwertbildner 3. Diese
Schaltung errechnet aus dem Schätzfehlersignal den Schätzwert. Die Kopie 91 der
empfangsseitigen Einrichtung errechnet den rekonstruierten, mit dem Quantisierfehler
versehenen Abtastwert des Originalsignales. Subtrahiert man davon den quanttierten
Schätzfehler, so erhält man den Schätzwert.
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Zeichnet man ein vollständig, die Schaltung des Schätzwertbildners
3 beschreibendes Blockschaltbild, so ist es in der Regel auf viele Weisen möglich,
von der Eingangsklemme des Schätzwertbildners zur Ausgangsklemme zu gelangen, wenn
man den Sigilalweg verfolgt und sich an jedem Verzweigungspunkt für einen der ihn
verlassenden Zweige entscheidet. Diese unterschiedlichen Wege von Eingangsklemme
zurAusgangsklemme werden Wirkungslinien gen,mnt .
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Es ist vorteilhaft, wenn der Schätzwertbildner 3 keine Wirkungslinien
enthält, die vom Eingang zum Ausgang verlaufen, ohne durch mindestens ein Verzögerungslied
zu gehen. Bei den gezeigten Beispielen von Schätzwertbildnern 79 und 90 ist dieso
Bedingung erfüllt, bei 93 jedoch nicht.
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Wenn solche Wirkungslinien auftreten, dann heben sie sich in ihrer
Wirkung auf den an der Ausgangsklemme auftretenden Schätzwert gegenseitig auf, da
der Schätzwertbildner nur verzögerte quantisierte Schätzfehler zur Bildung eines
Schätzwertes verwenden darf und dies bei unserem Ansatz auch nur tut. Mehrere Wirkungslinien,
die unverzögert von der Eingangszur Ausgangsklemme verlaufen, heben sich aber wegen
Unvollkommenheiten in der technischen Realisierung, beispielBweise
infolge
von Rundungsfehlern in digitalen Rechenwerken, nicht immer exakt fort und dadurch
kann die Anlage funktionsuntüchtig werden.
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Beim Schätzwertbildner 93 muß deshalb die Realisierung des Teiles
91 sehr exakt erfolgen.
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Es ist vorteilhaft, in der Realisierung die Schätzwertbildner auf
Sende- und Empfangsseite exakt gleich aufzubauen, damit auch exakt die gleichen
Schätzwerte errechnet werden, und nicht etwa unterschiedliche, weil beispielsweise
bei Sender und Empfänger andere Rundungsfihler bei Multiplikation in Bewertungsgliedern
auftreten.
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Deshalb ist es vorteilhaft, auf Schaltungen wie die nach Fig. 9 und
10 zurückzugreifen, in denen der Schätzwertbildner explizit auftritt.
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Es sei angemerkt, daß die Erfindung auch noch andere Schaltungen als
die nach Fig. 9 und 10 umfaßt, bei welchen der Schätzwertbildner' explizit auf tritt.
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Vorteilhaft für die Übertragung von Fernsehsignalen, die mit oder
ohne Zeilensprungverfahren gewonnen väirden, ist ein einfacher Sonderfall der beschriebenen
Anordnung, welche in Fig. 12 dargestellt ist. Die Anordnung entspricht der nach
der Fig. 1, wobei der sendeseitige 3 und der empfangsseitige 5 Schätzwertbildner
detailliert dargestellt sind. Jeder Schätzwertbildner 3.5 enthält Addierschaltungen
94,97, 98 bzw. 94', 97', 98', Verzögerungsschaltungen 95, 99 bzw. 95', 99', Bewertungsglieder
96, 100 bzw. 96', 100', sowie Rilfsausgang 113 bzw. 113'. Da auf der Empfangsseite
die Addierschaltungen 6 und 98' identische die gleichen Größen addieren, kann auf
der Empfangsseite der Addierer 6 eingespart werden und der Hilfsausgang 113', welcher
mit dem Ausgang der Addierschaltung 98' verbunden ist, als Ausgang der empfangsseitigen
Einrichtung verwendet werden.
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Vorteilhaft ist die Wahl der Verzögerung TA der Verzögerungselemente
99, 992 als Verzögerung um ein Abtastintervall und der Verzögerung TZ der Verzögerungselemente
95, 95' als Verzögerung um den Kehrwert der Zeilenfrequenz. Die optimalen Bewertungsfaktoren
aA und az der Bewertungsglieder 96, 96' und 100, 100' liegen bei Fernsehsignalen
im Regelfall knapp unter 1,0.
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Im folgenden ist verdeutlicht, daß der Sonderfall nach Fig. 12 für
Fernsehsignale besonders günstig ist. Dies wird zunächst getan, indem gezeigt wird,
daß die empfängerseitige Anordnung aus einem aus dem Kanal 4 kommenden Signal mit
weißem Leistungsspektrum ein Signal macht, welches ein einem typischen Fernsehspektrum
sehr ähnliches Beistungsspektrum hat. Ferner wird ein Beispiel einer Schätzwertbildung
in der'Nähe eines Sprunges im Bildsignal nach dem bekannten, bereits erwähnten,
Verfahren nach O'Neal und nach dem neuen Verfahren behandelt, um den Vorteil des
neuen Verfahrens an einem Beispiel herauszustellen.
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Das Leistungsspektrum des Ausgangssignales des Bildfernsprechers (Picturephone)
der Pirma Bell (USA) ist dargestellt und eingehend erläutert in Franks, "'ehe Bell
System Technical Journal", April 1966, S. 609 bis 630, Fig. 7. In der dort gewählten
Darstellung in Dezibel hat das Spektrum die Form einer Girlande. Die Spitzenwerte
der Girlanden treten bei ganzzahligen Vielfachen (?aktor 0, 1,2 ...) der Zeilenfrequenz
des Fernsehsignales auf. Die Einhüllende, die die Spitzenwerte miteinander verbtldet,
ist mit zunehmender Frequenz abfallend. Die Sinzelbögen der Girlande sind untereinander
sehr ähnlich. Bei den höheren Frequenzen des Signalbandes können die Einzelbögen
etwas weniger ausgeprägt auftreten, da dort das Kamerarauschen bereits inß Gewicht
fallen kann. An den prinzipielleh Zusammenhängen ändert dies nur wenig.
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Die Einzelbögen treten im Spektrum nicht exakt auf. Sie entstehen
bei der Messung dadurch, daß eine noch feinere Linienstruktur geglättet vmrde. In
Fig. 13 ist gestrichelt für den
Bildfernsprecher-Typ Ib der Siemens
AG, München, Baujahr 1970, die Einhüllende E7 der Girlande eingezeichnet. Oberhalb
700 kllz ist die Signalleistung vernachlässigbar.
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In Fig. 14 ist gestrichelt für den gleichen Bildfernsprecher der erste
Bogen E2 der Girlande dargestellt. Es ist hier unwesentlich, daß der Siemens-Bildfernsprecher
mit Zeilensprungverfahren arbeitet. Es handelt sich dabei um das Spektrum des sogenannten
BA-Signales, welches noch nicht die ausgeprägten Synchronisierimpulse enthält. Diese
Darstellungen des Spektrums sind typisch, sie treffen lediglich bei Bildvorlagen
mit sehr kleinen }mustern, die ohnehin schlecht übertragen werden können, schlechter
zu. Die empfängerseitige Decodiereinrichtung nach Fig. 12.arbeitet wie ein lineares
Filter und formt aus einem Signal mit weißem Spektrum ein Signal mit einem ieistungsspektrum,welches
bei geeigneter Dimenalonierung in einer zeichnerischen Darstellung ebenfalls wie
eine Girlande aussieht, deren Spitzenwerte mit zunehmender Frequenz kontinuierlich
abfallen. In die Form der Einhüllenden der Girlande geht dabei im wesentlichen der
Bewertungsfaktor aA ein, in die Form der Einzelbögen der Girlande der Bewertungsfaktor
a2. Für verschiedene Werte von aA ist die Einhüllende ausgezogen in Fig. 13 wiedergegeben,
für verschiedene Werte von az in Fig. 14. Man erkennt, daß bei aA -, 0,96 und az
- 0,94 die Einrichtung nach Fig. 12 für die Fernsehsignale des Bildfernsprechers
der Siemens AG., Typ Ib, nahezu ideal dimensioniert ist. Pür Fernsehsignale mit
anderen Normen trifft dies ebenfalls, allerdings möglicherweise mit anderen Zahlenwerten,
zu. Es ist zu bemerken, daß durch Erweiterung der Kettenschaltung in Pig. 12 um
einige weitere einfache Glieder mit Verzögerungsgliedern, die um etwa eine halbe
Bildabtastdauer und noch mehr verzögern, erreicht werden kann, daß die Einrichtung
nach Fig. 12 auch die bei Pranks erwähnte noch feinere Struktur des Fernsehens berücksichtigen
kann; dies ist bei Fernsehsignalen, die mit oder ohne Zeilensprungverfahren gewonnen
wurden, möglich, allerdings mit hohem finanziellen Aufwand verbunden.
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Im folgenden wird gezeigt, daß der in der Anordnung nach Pig. 12 vorgesehene
Schätzwertbildner bei Fernsehen bessere Schätzwerte liefert als die bereits erwähnte
Schaltung nach O'Neal mit gleichem Aufwand an Verzögerungselementen und Bewertungsgliedern.
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Zu dieser Analyse werden die linearen Ersatzbilder der Sendeseite,
bestehend aus Subtrahierer 1 und Schätzwertbildner S, entsprechend Fig. 4, verwendet.
In Fig. 15 ist dies Ersatzbild für die Anordnung nach Fig. 12, in Fig. 16 für die
Anordnung nach O'Neal dargestellt. In Fig. 15 ist der eigentliche Schätzwert die
Summe der Teilschätzwerte f\ und 22.
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Der Sendeteil des erfindungsgemäßen Übertragungssystems nach Fig.
15 enthält zwei Subtrahierschaltungen 103 und 106, zwei Verzögerungselemente 101
und 104 sowie zwei Bewertungsglieder 102 und 105. Der Sendeteil nach Fig. 16 besteht
aus zwei Verzögerungselementen 107 und 109, zwei Bewertungsgliedern 108 und 110,
einer Addierschaltung 111 und einer Subtrahierschaltung 112.
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Zur Verdeutlichung und ohne Einschränkung der Allgemeingültigkeit
wird näherungsweise angenommen, in Fig. 15 seien die Bewertungsfaktoren 1 und in
Fig. 16 seien sie 0,5. Wenn das Originalsignal einen Sprung um einen Betrag S zwischen
zwei Abtastwerten hat, dann erscheint in Fig. 15 eine Zwischengröße g1 am Ausgang
der Subtrahierschaltung 103 mit dem Wert S.
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Mit großer Wahrscheinlichkeit war in der zuvor abgetasteten Zeile
der Sprung ebenso groß, also auch S. Deshalb liegt am Ausgang des Verzögerungselements
104 mit der Verzögerungszeit TZ nun ebenfalls der Wert S an. Der Schätzfehler SK
am Ausgang der Subtrahierschaltung 106 ist somit Null. Da die Paktoren nicht exakt
1 sind, trifft dies in einem realisierten System mir näherungsweise zu. Bei O'Neal
erscheint am Ausgang des Verzögerungselements 101 mit der Verzögerungszeit sA der
Wert des zuvor verarbeiteten Abtastwertes des Analogsignales. Er unterscheidet
sich
vom frisch abgetasteten Wert durch den Wert S. Am Ausgang des Verzögerungselements
104 erscheint mit großer Wahrscheinlichkeit der gleiche Wert wie beim frischen Abtastpunkt,
vor allem dann, wenn der Sprung von einer senkrechten Kante im Bildinhalt herrührt.
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Der Schätzwert liegt daher in der Mitte des Sprunges. Dieser Schätzwert
ist schlechter als der beim hier vorgeschlagenen neuen Schätzwertbildner. Auf ähnliche
Weise läßt sich zeigen, daß in der Nähe von horizontalen Kanten im Bildinhalt in
der Schaltung nach Fig. 15 besser geschätzt wird als in der nach Fig. 16. Gerade
die senkrechten und waagerechten Kanten müssen bei einem Bildfernsprecher gut übertragen
werden-, damit Schrift gut lesbar bleibt. An diagonal verlaufenden Kanten ist, je
nach Anstiegwinkel, teilweise die Schätzwertbildung nach O'Neal in Fig. 16 besser,
was den Mangel an senkrechten und waagerechten Kanten nicht aufwiegt; vor allem
markt der Schätzwertbildner nach Fig. 15 bei Bildinhalt mit stetigen Grautonübergängen
besser. Das Verhalten an schrägen und senkrechten Kanten kann mittels einer noch
zu erwähnenden Präemphase entsprechend einem früheren Vorschlag verbessert werden.
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Es ist in dieser Beschreibung angenommen, daß d e Zeilen, die durch
zeilenweise Abtastung entstehen, horizontal verlaufen.
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Horizontale Kanten laufen parallel und vertikale Kanten senkrecht
zu diesen Zeilen. Eine Kante ist eine Linie im Bild, an der zwei Bereiche unterschiedlicher
Helligkeit aneinanderstoßen und der Übergang von einer zur anderen Helligkeit unstetig
ist.
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Es ist bekannt, daß es vorteilhaft ist, den Schätzwertbildner so zu
dimensionieren, daß die Impulsantwort der aus dem Schätzwertbildner 5 und der Addierschaltung
6 oder einer äquvivalenten Schaltung bestehenden empfangsseitigen Einrichtung nach
Fig. 1 zeitlich begrenzt ist oder zumindest asymptotisch
einem
Grenzwert zuläuft und nach endlicher Zeit für den Anwendungsfall vernachlässigbar
klein-wird. Denn Übertragungsfehler im Kanal führen dazu, daß einzelne Abtastproben
des quantisierten Schätzfehlersignales auf der Empfangsseite falsch verstanden werden.
Dies äußert sich ebenso wie ein dem richtigen quantisierten Schätzfehlersignal additiv
zugesetztes Übertragungsfehlersignal, welches aus einzelnen Impulsen besteht. Auf
die empfängerseitige Einrichtung läßt sich der lineare Überlagerungssatz anwenden,
solange bei ihm keine Amplitudenbegrenzung wirksam wird. Demnach äußern sich impulsförmige
Übertragungsfehler so, daß dem wiedergegebenen Signal hin und wieder eine der Impulsantwort
der empfangsseitigen Einrichtung proportionale Fehlerschleppe additiv zugesetzt
ist. Wenn die Impulsantwort abklingt, klingen diese Fehlerschleppen auch ab. Wenn
die Impulsantwort nicht a-bklingt, müssen Vorrichtungen vorgesehen werden, die eventuell
auftretende Fehlerschleppen abbrechen. Solche Vorrichtungen sind bekannt.
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Es ist vorteilhaft und bekannt, zumindest den Schätzwertbildner als
voll digital arbeitendes Rechenwerk zu realisieren, da diese Realisierung größere
Genauigkeiten erreichen kann als beispielsweise Abtastanalogrechner; auf diese Weise
errechnen die beiden gleich aufgebauten Schätzwertbildner auf Sende-und Empfangsseite
exakt gleiche Schätzwerte, was für eine gute Übertragungsqualität erforderlich ist.
Bei geringen Ansprühen kann eine Analogschaltung vorgesehen werden.
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Aus der Zeitschrift "he Bell System Technical Journal", Mai/Juni 1966,
Seite 689 bis 721, ist bereits bekannt, daß es vorteilhaft ist, den Quantisierer
mit ungleich verteilten Stufen zu versehen. Ein technisches Ausführungsbeispiel
ist aus der Zeitschrift "'ehe Bell System Géchnical Journal", September 1969, S.
2583 bis 2599, Bild 1, bekannt.
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Es ist bekannt, daß es vorteilhaft sein kann, die Koeffizienten des
SchäthNertbildllers und die Stufen des Quantisierers nicht
fest
einzustellen, sondern zu regeln oder vom Signal steuern zu lassen. Auf diese Weise
erreicht man, daß aufgrund besserer Schätzung und Quantisierung das Quantisiergeräusch
bei vorgegebener Bit-Rate verringert wird.
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Es ist vorteilhaft, das Analogsignal der senderseitigen Einrichtung
so zuzuführen, daß es keine Gleichspannungskomponente enthält, beispielsweise über
einen Abblockkondensator oder mit Hilfe einer geeigneten Klemmschaltung. Dann enthält
auch der zu quantisierende Schätzfehler keine Gleichspannungskomponente und der
Quantisierer wird im Mittel nicht unsymmetrisch ausgesteuert.
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Aus einem früheren Vorschlag ist bekannt, daß es bei Fernseh- und
auch Tonsignalen vorteilhaft ist, vor die Differenz-Puls-Modulationseinrichtung
ein Präemphasefilter zu setzen, dessen Betrag des Übertragungsfaktors mit der Frequenz,
abfallt, und hinter die Demodulationseinrichtung ein Deemphasefilter zu setzen,
dessen komplexer Übertragungsfaktor dem komplexen Ubertragungsfak-tor der Präemphase
umgekehrt proportional ist oder diese zu einer reinen Verzögerung ergänzt.
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Die Differenz-Puls"Modulation wird auf diese Weise auf das vorverzerrte
Originalsignal angewendet. Zum einen wird hierdurch das bei der Wiedergabe erscheinende
Quantisiergeräusch in subjektiv für den menschlichen Empfänger günstigen Weise so
beeinflußt, daß die spektrale teistungsdichte bei den niedrigen Frequenzen geringer
und bei den höheren Frequenzen größer wird; zum anderen wird erreicht, daß der Schätzwertbildner
bessere Schätzwerte liefert, da das vorverzerrte Signal weniger scharfe Sprünge
enthält als das Originalsignal. Die Dimqnsionierung des Schätzwertbildners richtet
sich dann nach dem Leistungsspektrum des vorverzerrten Originalsignales.
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Aus den VeröffentlIchungen Limb. "The Bell System EXchn.Journal",
Sept. 1969, S. 2555 bis S. 2582 und Roberts, "FIXE Transactions of Information Theory",
1962, S. 145 bis S. 154, ist bekannt,
daß es bei Fernsehübertragung
vorteilhaft ist, vor dem Quantisierer dem zu quantisierenden Schätzfehlersignal
ein bekanntes Signal, beispielsweise ein Pseudo-Zufalls-Signal, additiv zuzusetzen
und eventuell hinter dem Quantisierer oder hinter der Differenz-Puls-Demodulationseinrichtung
zu subtrahieren. Auf diese Weise wird erreicht, daß das Quantisiergeräusch bei der
Wiedergabe statistisch unabhängiger vom Nutzsignal ist und beim menschlichen Betrachter
weniger störend wirkt. Dies ist auch bei Tonsignalen vorteilhaft.
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Es ist vorteilhaft und bekannt, bekannte Teile des Signales, beispielsweise
die Synchronisierimpulse eines Fernsehsignales, welche bei der Verarbeitung durch
das Zusetzen von Quantisiergeräusch gelitten haben, mit Hilfe von Entscheiderschaltungen
zu regenerieren, damit beispielsweise die Bild- und Zeilensynchronisation auf der
Empfatlgsseite sauber fwiktioniert.
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Das Verfahren läßt sich vorzugsweise bei der Übertragung von Fernsehsignalen
einsetzen, aber auch bei Tonübertragung, Faksimileübertragung, Datenübertragung
und Radar, aber außer bei der Übertragung auch zur Verringerung der Speicherkapazität
von Verzögerungsleitungen (Schieberegistern) und von Speichern in Datenbänken.
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18 Patentansprüche 16 Figuren