DE2354599A1 - Schaetzwertbildner fuer einen codierer fuer differenz-pulscodemodulation - Google Patents

Description

Schätzwertbildner für einen Codierer für Differenz-Pulscodemodulation.

(Zusatz zu Patent . - (P 22 60 264.8))

Die Erfindung betrifft einen Schätzwertbildner für einen Codierer für Differenz-Pulscodemodulation, bei dem Elemente zur Ausführung arithmetischer und gegebenenfalls logischer Operationen und aus digitalen oder analogen Schieberegistern bestehende Verzögerungselemente verwendet werden, deren Verzögerungszeit ein Abtastintervall oder ein ganzzahliges Vielfaches eines Abtastintervalls beträgt, bei dem jeder quantisierte Schätzfehler frühestens zu dem Schätzwert beiträgt, der im zeitlich übernächst nachfolgenden Abtastintervall verwendet wird, und bei dem die Schätzwertbildung mit einer Verzögerung beginnt und mit einer Verzögerung endet.

Die Differenz-Pulscodemodulation (DPCM) wird vorzugsweise dort angewendet, wo ein elektrisches Analogsignal oder ein Digitalsignal hoher Bitrate in ein Digitalsignal niedriger Bitrate umgesetzt wird. Das Prinzip der DPCM ist beispielsweise aus den "Proceedings of the 1972 International Conference on Communications", Philadelphia, Pennsylvania, V.St.A. 19. bis 21.6.1972 bekannt.

Das Wesentliche eines insbesondere für die Fernsehübertragungstechnik geeigneten Übertragungssystems für DPCM ist in Fig. 1 gezeigt. Die Anordnung enthält einen Systemeingang T, eine Subtrahierschaltung 2, einen Digital-Analog-Umsetzer 4, einen Quantisierer 5, einen digitalen Übertra-

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gungskanal 7, einen sendeseitigen Schätzwertbildner. 8 mit Schätzwertbildnereingang 6 und Schätzwertbildnerausgang 3» eine empfangsseitige Decodierschaltung 9 und einen Systemausgang 10.

Die Amplitudenwerte der Abtastproben eines zu übertragenden Original signal s werden über den Systemeingang 1 dem positiven Eingang der Subtrahierschaltung 2 zugeführt, deren negativem Eingang Schätzwerte zugeführt werden und deren Ausgang Schätzfehler an den Eingang des Quantisierers 5 weiterleitet. Der Ausgang des Quantisierers 5· gibt quantisierte Schätzfehler sowohl über den Schätzwertbildnereingang 6 an den Eingang des sendeseitigen Schätzwertbildners als auch an den Eingang des digitalen Übertragungskanals 7 ab. Der sendeseitige. Schätzwertbildner 8 führt über den Schätzwertbildnerausgang 3 dem negativen Eingang der Subtrahierschaltung 2 Schätzwerte zu.

Sofern die über den Sygtemeingang 1 einlaufenden Amplitudenwerte des Originalsignals durch analoge Spannungswerte und die den sendeseitigen Schätzwertbildner 8 verlassenden Schätzwerte digital dargestellt sind, ist zwischen Schätzwertbildnerausgang 3 und dem negativen Eingang der Subtrahierschaltung 2 der Digital-Analog-Umsetzer 4 erforderlich. Andernfalls entfällt dieser.

Die über den digitalen Übertragungskanal 7 übertragenen quantisierten Schätzfehler werden der empfangsseitigen Decodierschaltung 9 zugeführt, welche das decodierte Signal über den Systemausgang 10 zur weiteren Verarbeitung abgibt.

Die Erfindung bezieht sich auf den sendeseitigen Schätzwertbildner 8. Schätzwertbildner bestehen vorzugsweise aus Elementen zur Durchführung arithmetischer Operationen wie Ad-

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dition, Subtraktion, Multiplikation mit einem Bewertungsfaktor und aus Verzögerungselemente, welche mit Schieberegistern realisiert sind. Zusätzlich können Elemente zur Durchführung logischer Operationen vorhanden sein. Die Verzögerungszeiten der Verzögerungselemente sind ein Abtastintervall oder ein ganzzahliges Vielfaches eines Abtastintervalles. Die Verzögerungselemente können als Abtast-Halte-Glieder realisiert sein, sofern die Elemente zur Durchführung arithmetischer Operationen in Analogtechnik realisiert sind. Sie können als bistabile Kippstufen oder beispielsweise als MOS-Schieberegister ausgebildet sein, sofern die Elemente zur Durchführung arithmetischer Operationen in Digitaltechnik realisiert sind.

Beim Systementwurf oder bei der Analyse eines Schätzwertbildners benutzt man die Vorstellung, die arithmetischen und eventuellen logischen Operationen und die Quantisierung würden in verschwindend kurzen Zeiträumen durchgeführt und die Verzögerungselemente würden tatsächlich das zu verzögernde Signal zwischen ihrem Eingang und ihrem.Ausgang um ein oder mehrere Abtastintervalle verzögern. Arithmetische und logische Operationen und die Quantisierung können jedoch mit technischen Schaltungen nur in endlichen Zeiträumen durchgeführt werden« Andererseits brauchen Verzögerungselemente dann, wenn Abtastproben und nicht zeitkontinuierliche Signale zu verarbeiten sind^ das zu verzögernde Signal zwischen ihrem Eingang und ihrem Ausgang nicht exakt um ein oder mehrere Abtastintervalle zu verzögern. Man verwendet in diesem Fall als Verzögerungselemente Schieberegister, die mit einem Taktsignal von der Frequenz angesteuert werden, mit der dem Originalsignal die Abtastproben entnommen werden. Kurze Zeit, nachdem ein Taktimpuls dem Takteingang eines solchen Schieberegisters zugeführt worden ist, erscheint am Signalausgang des Schieberegisters der

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nächstfolgende Signalwert. Diese kurze Zeit ist die Übernahmezeit des Schieberegisters und den Bruchteil eines Abtastintervalles lang. Während der restlichen Zeit eines Abtastinterval-les bleibt der Signalwert am Signalausgang des Schieberegisters gleichbleibend. Die restliche Zeit steht für die Durchführung der arithmetischen und logischen Operationen und der Quantisierung zur Verfügung.

Bei der Realisierung von DPCM-Systemen ist die für diese Operationen und die Quantisierung zur Verfügung stehende Rechenzeit vielfach ein wichtiges Problem, zum Beispiel bei der Verarbeitung von Fernsehsignalen wegen der Höhe der Abtastfrequenz. Das Problem tritt auf der Sendeseite in der aus dem Quantisierer 5, dem sendeseitigen Schätzwertbildner 8 und der Subtrahierschaltung 2 gebildeten geschlossenen Schleife auf. In bekannten Sohaltungsanordnungen werden während des Zeitraumes eines Abtastintervalles in dieser Schleife die folgenden Operationen der Reihe nach dur enge führt: *

Subtraktion des Schätzwertes vom Abtastwert in der Subtrahierschaltung 2, Quantisierung des Schätzfehlers im Quantisierer 5, Berechnung des Schätzwertes im Schätzwertbildner im einzelnen mit Übernahmezeit eines oder mehrerer Schieberegister und Rechenzeit für die arithmetischen und logischen Operationen, und eventuell Digital-Analog-Umsetzung des Schätzwertes im Digital-Analog-Umsetzer 4. In der Summe tritt die Übernahmezeit der Schieberegister im Regelfall nur einfach auf.

Schätzwertbildner bilden Schätzwerte, indem sie zeitlich früher zugeführte quantisierte Schätzfehler geeignet kombinieren.

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Üblicherweise trägt bei der Berechnung eines Schätzwertes der zu einer Abtastprobe des zu übertragenden Signales gehörige quantisierte Schätzfehler zum Schätzwert für die zeitlich direkt nachfolgende Abtastprobe und zu den zeitlich später folgenden Schätzwerten bei.

In manchen Fällen jedoch trägt er frühestens zum Schätzwert für die übernächst nachfolgende Abtastprobe bei. Beispiele für solche Schätzwertrechner sind aus den "Proceedings of the 1972 International Conference on Communications", Philadelphia, Pa., V.St.A., 19.-21. Juni'1972 bekannt.

Die Anwendung der dort beschriebenen Schätzwertbildner gestattet es, auf die über den digitalen Übertragungskanal 7 übertragenen Codeworte das punktverschachtelte Bildwiederholverfahren anzuwenden.

Bei bekannten Schaltungen dieser Art werden die arithmetisehen Operationen zur" Bildung eines Schätzwertes zum Teil in denjenigen Abtastintervallen durchgeführt, in denen die zu dem Schätzwert beitragenden quantisierten Schätzfehler dem Schätzv^ertbildner zugeführt werden, und zum übrigen Teil in demjenigen Abtastintervall, in dem der Schätzwert von der Abtastprobe des Originalsignales subtrahiert wird.

Nach dem Hauptpatent ist es vorteilhaft, wenn die Schätzwertbildung mit einer Verzögerung beginnt und mit einer Verzögerung endet.

Denn wenn diese beiden Verzögerungen, welche durch Schiebegegister realisiert sind, an ihrem Takteingang zur gleichen Zeit einen Taktimpuls erhalten, wird der am Eingang des Schätzwertbildners anliegende quantisierte Schätzfehler unverzüglich in ein Schieberegister eingehen und am Ausgang

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des Schätzwertbildners steht nach der kurzen Übernahmezeit des Schieberegisters der Schätzwert an. Auf diese Weise sind während des Zeitraumes eines Abtastintervalles in der aus dem Quantisierer 5» dem sendeseitigen Schätzwertbildner 8, dem eventuell vorhandenen Digital-Analog-Umsetzer 4 und der Subtrahier schaltung 2 gebildeten geschlossenen Schleife nur eine Quantisierung, eine Subtrahierung, eventuell eine Digital-Analog-Umsetzung und die Übernahme durch ein Schieberegister durchzuführen. Alle sonstigen arithmepischen und logischen Operationen zur Schätzwertbildung werden im Gegensatz zu älteren bekannten Verfahren dazu parallel durchgeführt.

Ausgehend von bekannten Algorithmen zur Schätzwertbildung können erfindungsgemäße Algorithmen zur Schätzwertbildung, die mit einer Verzögerung beginnen und mit einer Verzögerung enden, gefunden werden, indem die bekannten Schaltungen entsprechend den Regeln der Algebra der Blockschaltbilder, jedoch ohne Veränderung'der Anzahl und Bewertungsfaktoren von Bewertungsmultiplizierern so verändert werden, daß sie mit einer Verzögerung beginnen und mit einer Verzögerung enden.

Dabei erhöht sich im allgemeinen der Aufwand für Verzögerungselemente, weil entweder deren Anzahl sich erhöht oder zusätzliche Abgriffe angebracht werden müssen. Dieser Mehraufwand ist der Preis für die Gewinnung von Rechenzeit.

Da sich dabei jedoch die Anzahl der in der Realisierung aufwendigen Bewertungsmultiplizierer nicht erhöht, ist es vorteilhaft, bei der Suche nach neuen erfindungsgemäßen Schätzwertbildnern, die mit je einer Verzögerung beginnen und enden, von bekannten Algorithmen auszugehen, die eine minimale Anzahl von Bewertungsmultiplizierern benötigen.

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Die Algebra der Blockschaltbilder ist aus dem Buch von
Merz, "Grundkurs der Regelungstechnik", 2. Auflage,
Verlag Oldenbourg, 1964, bekannt. *

Im Hauptpatent sind Ausführungsbeispiele zu Schätzwertbildnern angegeben, die mit je einem Verzögerungselement
beginnen und enden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein weiteres besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel eines derartigen Schätzwertbildners anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine erste Addierschaltung vorgesehen ist, deren erster Eingang
über ein erstes Verzögerungselement mit dem Schätzwertbildnereingang und deren Ausgang über ein zweites Verzögerungselement, einen ersten Bewertungsmultiplizierer und ein drittes Verzögerungselement mit deren zweiten'Eingang verbunden sind, daß eine zweite*Addierschaltung vorgesehen ist, deren ersten' Eingang mit dem Ausgang des ersten Bewertungsmultiplizierers verbunden ist, daß eine dritte Addierschaltung
vorgesehen ist, deren erster Eingang mit dem ersten Eingang der ersten Addierschaltung, deren zweiter Eingang über ein
viertes Verzögerungselement mit dem Ausgang der zweiten
Addierschaltung und deren Ausgang- über ein fünftes Verzöge-.rungselement und einen zweiten Bewertungsmultiplizierer mit dem zweiten Eingang der zweiten Addierschaltung verbunden
sind, daß eine vierte Addierschaltung vorgesehen ist* deren erster Eingang mit dem Ausgang der zweiten Addierschaltung
und deren Ausgang über ein sechstes Verzögerungselement mit dem Schätzwertbildnerausgang verbunden sind und daß eine
fünfte Addierschaltung vorgesehen ist, deren erster Eingang mit dem ersten Eingang der ersten Addierschaltung, deren

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zweiter Eingang über ein siebentes Verzögerungselement mit dem Schätzwertbildnerausgang und deren Ausgang über einen dritten Bewertungsmultiplizierer mit dem zweiten Eingang der vierten Addierschaltung verbunden sind.

Bei dieser Lösung wird von einem Schätzwertbildner nach einem anderen Vorschlag ausgegangen, der anhand der Fig. 2 beschrieben wird. Dieser enthält Addierschaltungen 11 bis 15, Verzögerungselemente 16 bis 18 und Bewertungsmultiplizierer 19 bis 21. -

Der Schätzwertbildner nach Fig. 2 läßt sich in ein erstes 11, 16, 19, zweites 12, 13, 17, 20 und drittes 14, 15, 18, 21 Filter zerlegen. Das Eingangssignal des ersten Filters ist der über den Schätzwertbildnereingang 6 zugeführte quantisierte Schätzfehler. Das Ausgangssignal des ersten Filters ist die um eine Zeilendauer minus ein Abtastintervall verzögerte und mit dem Bewertungsfaktor 0,5 multiplizierte Summe aus dem quantisierten Schätzfehler und dem Ausgangssignal des ersten Filters selber. Die Eingangssignale des zweiten Filters sind das Ausgangssignal des ersten Filters und der quantisierte Schätzfehler. Das AusgangsSignal des zweiten Filters ist die um eine Zeilendauer plus ein Abtastintervall verzögerte und mit dem Bewertungsfaktor 0,5 multiplizierte Summe aus dem quantisierten Schätzfehler und dem Ausgangssignal des zweiten Filters selber zuzüglich des Ausgangssignales der ersten Filters. Die Eingangssignale des dritten Filters sind das Ausgangssignal des zweiten Filters und der quantisierte Schätzfehler. Das Ausgangssignal des dritten Filters ist die um zwei Abtastintervalle verzögerte und mit dem Bewertungsfaktor 0,75 multiplizierte Summe aus dem quantiisierten Schätzfehler und dem Ausgangssignal des zweiten Filters. Das Ausgangssignal

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des dritten Filters ist identisch mit dem Schätzwertbildnerausgangs signal.

Ein Nachteil des Schätzwertbildners nach Fig. 2 besteht in manchen Anwendungsfällen darin, daß nach Zuführen des quantisierten Schätzfehlers an den Schätzwertbildnereingang 6 nacheinander drei Zeitdauern für je eine Addition und die Übernahmezeit eines Flip-Flops (Verzögerungselment) vergehen, bevor der Schätzwert für das nächste Abtastintervall am Schätzwertbildnerausgang erscheint."Die Multiplikationen mit.0,5 in dem ersten 19 und zweiten 20 Bewertungsmultiplizierer geschehen verzögerungsfrei, wenn sie in bekannter Weise in der digitalen Schaltungstechnik ohne Bauelemente durch reine Verdrahtung realisiert werden.

Für die praktische Ausführung der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn das erste Verzögerungselement, das sechste Verzögerungselement und das siebente Verzögerungselement je eine Verzögerungszeit der Dauer eines Abtefstintervalles aufweisen, wenn das zweite Verzögerungselement eine Verzögerungszeit der Dauer eine Zeile minus dreier Abtastintervalle, aufweist, wenn das dritte Verzögerungselement und das vierte Verzögerungselement je eine Verzögerungszeit der Dauer zweier Abtastintervalle aufweisen, wenn das fünfte Verzögerungselement eine Verzögerungszeit der Dauer einer Zeile minus eines Abtastintervalles aufweist, wenn der erste Bewertungsmul tipli zier er und der zweite Bewertungsmultiplizierer je einen Bewertungsfaktor 0,5 aufweisen und wenn der dritte Bewertungsmultiplizierer einenBewertungsfaktor von 0,75 aufweist.

Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.

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Der Schätzwertbildner nach Fig. 3 enthält die Addierschaltungen 11 bis 15, Verzögerungselemente 22 bis 28 und die Bewertungsmultipli zier er 19 bis 21.

Die Wirkungsweise der Anordnung nach Fig. 3 ist die folgende.

Der Schätzwertbildner nach Fig. 3 läßt sich in das erste Verzögerungselement 22 und in ein viertes 11, 23» 19, 24, fünftes 12, 25, 13, 26, 20 und ein sechstes 14, 27, 28, 15, 21 Filter aufteilen.

Das Eingangssignal des vierten Filters ist der um ein Abtastintervall verzögerte quantisierte Schätzfehler. Sein Ausgangssignal" ist die um eine Zeilendauer minus dreie;r- Abtastintervalle verzögerte und mit 0,5 multiplizierte Summe aus dem Eingangssignal und dem um zwei Abtastintervalle verzögerten Ausgangssignal des ersten Filters selber. Die Eingangssignale des fünf'ten Filters sind das Ausgangssignal · des vierten Filters und der um ein Abtastintervall.verzögerte quantisierte Schätzfehler. Sein Ausgangssignal ist die um eine Zeilendauer minus ein Abtastintervall verzögerte und mit dem Bewertungsfaktor 0,5 multiplizierte Summe aus dem um ein Abtastintervall verzögerten quantisierten Schätzfehler und dem um zwei Abtastintervalle verzögerten, Ausgangssignal des fünften Filters selber zuzüglich des Ausgangssignales des vierten Filters. Die Eingangssignale des sechsten Filters sind das Ausgangssignal des fünften Filters und der um ein Abtastintervall verzögerte quantisierte Schätzfehler. Das mit dem Schätzwertbildnerausgangssignal identische Ausgangssignal des sechsten Filters ist die um ein Abtastintervall verzögerte und mit 0,75 multiplizierte Summe aus dem um ein Abtastintervall verzögerten Ausgangssignal des sechsten

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Filters selber und dem um ein Abtastintervall verzögerten quantisierten Schätzfehler zuzüglich des um ein Abtastintervall verzögerten Ausgangssignales des fünften Filters.

Das vierte, fünfte und sechste Filter führen im Prinzip die gleichen Operationen wie das erste, zweite bzw. dritte Filter in dem Schätzwertbildner nach Fig. 2, lediglich in anderen Zeitlagen, durch.

Auf diese Weise werden zur Bildung eines Schätzwertes letzlich die Bildpunktwerte von sechs vorangegangenen Bildpunkten mit unterschiedlichen Gewichten verwendet. Von diesen sechs Bildpunkten liegen einer in derselben, drei in der vorangegangenen und zwei in der vorvorangegangenen Bildzeile.

Ein·, besonderer Vorteil dieses Schätzwertbildners nach Fig. 3 besteht darin, daß die Berechnung des Schätzwertes mit einem Verzögerungselement beginnt und mit einem Verzögerungselement endet, so daß der nächste Schätzwert um nur die Übernahmezeit eines Flip-Flops (Verzögerungselement) nach der Übernahme des quantisierten Schätzfehlers in das erste Verzögerungselement 22 verzögert am Schätzwertbildnerausgang 3 erscheint.

2 Patentansprüche

3 Figuren

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Claims (2)

Patentansprüche

1.!Schätzwertbildner für einen Codierer für Differenz- ^ Pulscodemodulation, bei dem Elemente zur Ausführung arithmetischer und gegebenenfalls logischer Operationen und aus digitalen oder analogen Schieberegistern bestehende Verzögerungselemente verwendet werden, deren Verzögerungszeit ein Abtastintervall oder ein ganzzahliges Vielfaches eines Abtastintervalls beträgt, bei dem Jeder quantisierte Schätzfehler frühestens zu dem Schätzwert beiträgt, der im zeitlich übernächst nachfolgenden Abtastintervall verwendet wird, und bei dem die Schätzwertbildung mit einer Verzögerung beginnt und mit einer Verzögerung endet, nach Patent (P 22 60 264.8), dadurch gekennzeichnet , daß eine erste Addierschaltung (11) vorgesehen ist, deren erster Eingang über ein erstes Verzögerungselement (22) mit dem Schätzwertbildnereingang (6) und deren Ausgang über ein zweites Verzögerungselement (23), einen ersten Bewertungsmultiplizierer (19) und ein drittes Verzögerungselement (24) mit deren zweiten Eingang verbunden sind, daß eine zweite Addierschaltung (12) vorgesehen ist, deren ersten Eingang mit dem Ausgang des ersten Bewertungsmultiplizierer s (19) verbunden ist, daß eine dritte Addierschaltung (13) vorgesehen ist, deren erster Eingang mit dem ersten Eingang der ersten Addierschaltung (11), deren zweiter Eingang über ein viertes Verzögerungselement (25) mit dem Ausgang der zweiten Addierschaltung (12) und deren Ausgang über ein fünftes Verzögerungselement (26) und einen zweiten Bewertungsmultiplizierer (20) mit dem zweiten Eingang der zweiten Addierschaltung (12) verbunden sind, daß eine vierte Addierschaltung (14) vorgesehen ist, deren erster Eingang mit dem Ausgang der zweiten Addierschaltung (12) und

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deren Ausgang über ein sechstes Verzögerungselement (27) mit dem Schätzwertbildnerausgang (3) verbunden sind und daß eine fünfte Addierschaltung (15) vorgesehen ist, deren erster Eingang mit dem ersten Eingang der ersten Addierschaltung (11), deren zweiter Eingang über eine siebentes Verzögerungselement (28) mit dem Schätzwertbildnerausgang (3) und deren Ausgang über einen dritten Bewertungsmultipli zierer (21) mit dem zweiten Eingang der vierten Addierschaltung (14) verbunden sind.

2. Schätzwertbildner nach Anspruch 1, dadu'rch gekennzeichnet, daß das erste Verzögerungselement (22), das sechste Verzögerungselement £27) und das siebente Verzögerungselement (28) je eine Verzögerungszeit der Dauer eines Abtastintervalles aufweisen, daß das zweite Verzögerungselement (23) eine Verzögerungszeit der Dauer einer Zeile minus dreier Abtastintervalle aufweist, daß das dritte Verzögerungselement (24) und das vierte Verzögerungselement (25) je eine Verzögerungszeit der Dauer zweier Abtastintervalle aufweisen, daß das fünfte Verzögerungselement ' (26) eine Verzögerungszeit der Dauer eine Zeile minus eines Abtastintervalles aufweist, daß der erste Bewertungsmultiplizierer (19) und der zweite Bewertungsmultiplizierer (20) je einen Bewertungsfaktor 0,5 aufweisen und daß der dritte Bewertungsmultiplizierer (21) einen Bewertungsfaktor von 0,75 aufweist.

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