DE2354599B2 - Schaetzwertbildner fuer einen codierer fuer differenz-pulscodemodulation - Google Patents

Description

Abtast-Halic-Glieder realisiert sein, sofern die Elenicn- ^ zur Durchführtmg arithmetischer Operationen in Analogtechnik realisiert sind. Sie können als bistabile ICippstufen oder beispielsweise aU MOS-Schieberegijici ausgebildet sein, sofern die Elemente /ur Durchjührung arithmetischer Operationen in Digitaltechnik realisiert sind.

Beim .Systementwurf oder bei der AnaKse eines Schätzwertbildners benutzt man die Vorstellung, die arithmetischen und eventuellen logischen Operationen und die Quantisierung wurden in verschwindend kurzen Zeiträumen durchgeführt und die Ver/öeerunsisflemente würden tatsächlich das zu verzögernde Signal zwischen ihrem Eingang und ihrem Ausgang um ein oder mehrere Abtasüniervalle verzögern. Ariihmeti- "5 K'he und logische Operationen und die Quantisierung können jedoch mit technischen Schaltungen nur in endlichen Zeiträumen durchgeführt werden. Andererseits brauchen Verzögerungselemenie dann, wenn Abtastproben und nicht zeitkontinuierliche Signale n\ 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 Verzögeriingselemente Schieberegister, die mit einem Taktsignal \on der frequenz angesteuert werden, mit der dem Originalsignal die Abtastproben entnommen werden. Kurze Zeit, nacluleni ein Taktimpuls dem Takleingang eines solchen Schieberegisters zugeführt worden ist. erscheint am Signalausgang des Schieberegisters der nächstfolgende Signalwert. Diese kurze Zeit ist die Übernahmezeit de. Schieberegisters und den Bruchteil eines Abtastiniervalles lang. Während der restlichen Zeil eines Abtastintervalles bleibt der Signalwert am Signalausgang des Schieberegisters gleichbleibend. Die restliche Zeit sieht 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 Verfugung stehende Rechenzeit vielfach ein wichtiges Problein, z. B. bei der Verarbeitung von Fernsehsignalen wegen der Höhe der Abiastfrequenz. Das Problem tritt auf der Wendeseite in der aus dem Quantisierer 5. dem sendeseiligcn Schätzwertbildner 8 und der Subtrahierschaltung 2 gebildeten geschlossenen Schleife auf. In bekannten Schaltungsanordnungen weiden während des Zeitraumes eines Abtastintervalles in dieser Schleife die folgenden Operationen der Reihe nach durchgeführt:

Subtraktion des Schätzwertes vom Abiastwert in der Subtrahierschaltung 2. Quantisierung des .Schätzfehlers im Quantisierer 5. Berechnung des Schätzwertes im Schätzwertbildner 8 im einzelnen mit Übernahmezeil 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 quaniisierte Schätzfehler geeignet kombinieren.

Üblicherweise trägt bei der Berechnung eines Schätzwertes der zu einer Abiastprobe des zn üherir;«- genden Signals gehörige quantisicrie SciiätHehlei zum ⁶S Schätzwert für die z.eit'id¹ direk' nachfolgende Ablastprobe und zu den zeitl'ch später folgenden Scha In manchen !-"allen jedoch trag, er frühestens zum Schatzwert für die übernächst nachfolgende Abutstprobe bei. Beispiele für solche Sehäizwerirechner sind aus de.! »Proceedings of the 1S72 International Conference on Communications«. Philadelphia. Pa., V.St.A.. i-f lin» 21. luni 1972 bekannt.

Die Anwendung der dort beschriebenen Schätzwertbildner gestattet es. auf die über den digitalen Ubertragungskanal 7 übertragenen Codeworte das punkiver schachielte Bildw lederholverfalii en anzuw enden.

Bei bekannten Schaltungen dieser \r\ werden die arithmetischen Operationen zur Bildung eines Schatzwertes zum Teil in denjenigen Abiastintervallen durchgeführt, in denen die zu dem Schatzwert beitragender! quannsierten Sehäiz.l'ehler dem Schätzwertbildner zugelührt werden, und zum übrigen Teil in demjenigen Ablaslintervall. in dem der Schätzwert von der Ablas! probe des Originalsignals subtrahiert wird.

Nach dem llauptpaiem ist es vorteilhaft, wenn die Schäizweisbildung mit einer Verzögerung beginnt und mit einer Verzögerung endet.

Denn wenn diese beulen Verzögerungen, welche durch Schieberegister realisiert sind, an ihrem Takieingang ZUi gleichen Zeit einen Taktimpuls erhalten, wird der ani Eingang des Schätzwertbildner anliegende quantisierie Schäizfehler unverzüglich in ein Schieheregister eingehen und am Ausgang des Schätzwertbildner steht nach der kurzen Übernahmezeit des Schic beregisters der Schätzwert an. Auf diese Weise sind während des Zeitraumes eines Ablastintervalles 111 dei aus (.lern Quantisierer 5, dem sendeseiligcn Schätzwertbildner 8. dem eventuell vorhandenen Digital-Analog-Umsetzer 4 und der Subtruhierchaluing 2 gebildeten geschlossenen Schleife nur eine Quantisierung, eine Subirahierung. eventuell eine Digital-Analog-Umsetzung und die Übernahme durch ein Schieberegister durchzufühen. Alle sonstigen arithmetischen und logischen Operationen zur Schätzweribildung werden im Gegensatz zu älteren bekannten Verfahren dazu parallel durchgeführt.

Ausgehend von bekannten Algorithmen zur Schatzwertbildung können erfindungsgemäße Algorithmen zur Schätz.wertbildung, 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 Bcwertungs fakioren 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 isi der Preis für die Gewinnung von Rechenzeit.

Da sich dabei jedoch die Anzahl der in der Realisierung aufwendigen Bewertungsmulliplizierer nicht erhöht, ist es vorteilhaft, bei der Suche nach neuen crfindungsgemälien Schätzwertbildner!!, die mit je einer Verzögerung beginnen und enden, von bekannten Algorithmen auszugehen, die eine minimale Anzahl von Ik-wertungsuiultiplizierern benötigen.

Die Algebra der Blockschaltbilder ist aus dem Buch von M erz, »Grundkurs der Regelungstechnik«. Auflage. Verlag Oldenhoup: 14(T-I-. bekannt

Im Hauptpatent sind Aiisliihn'ngsheispiele zu Schät/.weribildneni angegeben die "iii je einem Verzögerungselement beginnen und enden

Aufgabe der Erfindung ist es. ein weiteres besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel eines derartigen Schätzwert bildners an/.ugcben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine erste Addierschaltung vorgesehen ist. deren erster Eingang über ein erstes Ver/ögerungselemcnt mit dem Schätzwertbildnereingang und deren Ausgang über ein zweites Verzögcrungselenicnt, einen ersten Bcwcrtungsmultiplizierer und ein drittes Verzögerungsclement mit deren /weiten umgang vcrbuii- ic den sind, daß eine zweite Addierschaltung vorgesehen ist. deren ersten Eingang mit dem Ausgang des eisten Bewertungsmultipli/.ierers verbunden ist. daß eine dritte Addierschaltung vorgesehen ist, deren erster Eingang mit dem ersten Hingang der ersten Addierschal- is lung, deren zweiter Hingang über ein viertes Verzögcrungselement mit dem Ausgang der /weilen Addierschaltung und deren Ausgang über ein fünftes Ver/ögerungsclcment und einen /weiten Bewernmgsmultiplizierer mit dem zweiten Eingang der /weiten Addierschaltung verbunden sind, daß eine vierte Addierschal lung vorgesehen ist. deren erster Hingang mit dem Ausgang der zweiten Addicrschaluing und deren Ausgang über ein sechstes Vcr/ögcrungselemeni mit dem Schätz.wcrtbildnerausgang verbunden sind und dali -s eine fünfte Addierschaltung vorgesehen ist. deren erster Hingang mit dem ersten Hingang der ersten Ad diersehaltung. deren /weiter Hingang über ein siebentes Verzogerungsclemeni mit dem Schätzwertbildnerausgang und deren Ausgang über einen drillen Heuertungsmuliiplizierer mit dem /weiten Hingang der vierten Addicrschalnmg verbunden sind.

Bei dieser Lösung wird von einem Schätzwertbildner nach einem anderen Vorschlag ausgegangen, der an Hand der F i g. 2 beschrieben wird. Dieser enthalt Ad- <«. dierschaltungcn 11 bis 15, Ver/ögerungselemente lh bis 18 und Bcwertungsmultipli/ierer 19 bis 21.

Der Schätzwertbildner nach F i g. 2 läßt sich in ein erstes 11. 16. 19. zweites 12. 13. 17, 20 und drittes 14. IS. 18. 21 Filter zerlegen. Das Hingangssignal des ersten Filters ist der über den Schät/wertbildnereingang 6 /ugeführic quantisicrlc Schät/Iehler. Das Ausgangssignal des ersten Filters ist die um eine Zeilendauer minus ein Ablastintervall verzögerte und mit dem ßewcrtungsfaktor 0.5 multiplizierte Summe aus dem qtiantisierten Sehätzfehlcr und dem Ausgangssignal des ersten Filters selber. Die Hingangssignalc des /weiten Filters sind d;is Ausgangssignal des ersten Filters und der quantisierte Schätzfehler. Das Ausgangssignal des /weiten Filters ist die um eine Zeilendauer plus ein Abtastmter\ali \crzögerte und mit dem Bewcrtungsfaklor 0.5 miilnpli/>erte Summe aus dem quanlisicnen Schät/fchier und dem Ausgangssignal des /weiten Filters selber /u/iiglicii des \usgangssignals des ersten Filters. Die Hingangssignale des dritten Filters sind das Ausgangssignal des /weilen ^ Filters und der quantisierte Schätzlchlcr. Das \us gangssignal des dritten 1 iilers ist die um /uei Abtastm tervalle verzögerte und mit dem Bcwerumgsf.iktnr 0.7": multiplizierte Summe aus dem quantiisiei ten Schal/ (ehler und dem Ausgangssigna! des /weilen I liiers. Vt.w N Ausgangssignal des dritten Filiers ist identisch mit dein Schatz wert bildneraiisgangssig na I.

Hin Nachteil ties Schätzwertbildner η ..ich i ι υ. 2 hesteht m manchen Anwendungsfälicn daiui. d.;!'· nac'i /titiihren des quani'siei ten Si-iiat/ichici ·■ .m '.Ic Schal/werlbMdnereiiig.iüi: v> nacheinander '.;r·'. /c>; dauern lur ic ein·· '\...tiliti!>:i und die I i hi.-i"ii.i hrin-/;-.; rllll". ! lip 1 ilips (\ !■; /1.'S-CnS¹^SeIfIIl!.-!]! I \ iTS'el··-!! I' · vor der Schatzwert für das nächste Abtastiniervall am Schät/wertbildnerausgang erscheint. Die Miiltiplikatio neu mit 0.5 in dem ersten 19 und /weiten 20 Bewer liingsmultipli/ierer geschehen ver/ögernngsfrei. wenn sie in bekannter Weise in der digitalen Schaluingstech nik ohne Bauelemente durch reine Verdrahtung reali siert werden.

Für die praktische Auslührung der Hrlindung ist es vorteilhaft, wenn das erste Ver/ögeningselemeni. da·- sechste Ver/ögeriingselement und das siebente Vei zögei Hilfselement |e eine Ver/ögenmgszeit der Dauei eines Abtastintervalles auiweisen. wenn das zweite Vcr/.ögerungselenieni eine Ver/ngeruncs/eit dei Dauer eine Zeile minus dreier Abtastiniei vailc aiii weist, wenn das dn!¹'* Ver/ögerungseiemeni und da· vierte Vei/ögerungselement je eine Ver/ögerungs/en der Dauer zweier Ahtasimtervalle aufweisen, wenn das fünfte Ver/.ögernngselemeni eine Ver/ogerungs/eü der Dauer eiuei Zeile minus eines Abiasuntervallcs aufweist, wenn der erste Bewertungsmultipli/ierer .·ηιί der zweite Beweriunasniultiplr/ierer je einen Bewer limgslakior 0.5 aufweisen und wenn der drille Bewer lungsmuhipli/ierer einen Bewcrtungsfaktor von 0,7^raufweist.

An Hand eines Austühningsbei'-picls wird die F.rfindtiny nachstehend näher erläutert.

Der Schätzwertbildner nach F 1 \:. 3 enthält die Ad dierschaluingen 11 bis 15. Verzögeriingselemente 22 bis 28 Miid die Bew'C'Mimgsnuihipiizierer W bis 21.

Die Wirkitn"s\\-c!se der Anordnung nach Fig. i 's* die folgende.

Dry Schätzwertbildner luvh F 1 g. 3 läßt sich in da· erste Ver/ögeningselcnient 22 und in ein viertes \\. 2λ. 14. 24. fünftes 12. 25. Π. 26. 20 und ein sechstes 14. 27. 28. 15.21 Filter aufteilen.

Das Hingangssignal des vierten Filters isi der uw r\<-Abtastintervall verzögerte quant;siene Schätzfehlci' Sein AuscLini-'ssieiui! ist die um eine Zeilendauer minus dreier Abt.islinterv alle \cr/(.>gerlc wna mit 0.5 multipü zierte Summe aus dein l-ingangssign.!· ''Kt dem u;v zwei AbtaMintervalle verzöiicrtcn Ausviangsii^na! '.leersten Filters silber. Die i^:ingan;^vssiijn.iie des lüi'ftc Filters sind das Ausgansssignal ties vierten i^:üters utn der um ein AbtaMintervail \er/oi:er;e quantis-eri·. Schäl/fehler. Sein Ausgangssignal is; die um eine /ei lendauer minus ein Abtaslintervall verzögerte und mi dem Rcwertungsfakteir 0.5 iv liipli/iene Summe au dem um em Abhistinier. ai'¹ \ ι ■■ 'zogencn qu-.:'it'is'ieru Sch.il/lciii;:¹ ',i!i-i .^:.-iii iiiii /v.u\ •\'"Mastinter\ alle \er.⁷ gerten A.isg.uigssignal des funlter I liters selber /u/üs.' lieh des Ausgangssignai¹- des uenen l-'iliers. Die Hn iZ.ingss!i;n.-H' i'c¹ s^chsU'M ϊ liters sind das Aussjanüss Ljnal des luntien i iiier·· ur.ci der um ein Abiastintcn. a veivogcne cjir.i'itisiet te Si.i:.it/;ehier. Das mit de; Schal.'w ei ■!i'.ld.;-.i-r;iu^l-gon.£:s'.:i-na! identische Aitsgav-: signal des se.'--.'c:; iihc's is-_; die um ein '\b;as>inter\. verzogene un>i m·! ^:'.~i -Vi'VMpli/ierie Summe ims de um ein -Nbiastinierv al! vcr'i -.renen Ausgan^ssüMi.·¹ d se. liste:; I !iu"¹- --eine;' '.ru! . :cm im' cn'· Abtasunte!'■ . \ !-r/ogei ','■:' ii:!,-niisicru ü '-ch,i: :_;;iici /i;/;:iz!ich ei ;im em ''-.'.'-!as^iitci \ .di ■■!■■■■,>;:·. ^₁Vi Aus^ansrssiL'ii.

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jangenen Bildpunkten mit unterschiedlichen Gewichen verwendet. Von diesen sechs Bildpunkten liegen ;incr in derselben, drei in der vorangegangenen BiId-'.eile.

Ein besonderer Vorteil dieses Schätzwertbildner!» nach F i g. 3 besteht darin, daß die Berechnung des Schätzwertes mit einem Ver/ögcrungselement beginnt

und mit einem Verzögerungselemcnt en nächste Schätzwert um nur die Übern Rip-Flops (Verzögerungselement) nach me des quantisierten Schätzfehlers in zögcrungselement 22 verzögert am Sch ausgang 3 erscheint.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

1. Patentansprüche:

   !. Schätzwertbildner tür einen Codierer für Diiierenz-Pulscodemodulation. hei dem Elemente /ur Ausführung arithmetischer und gegebenenfalls logischer Operationen und aus digitalen oder analogen Schieberegistern bestehende Verzögerungselemenle verwendet werden, deren Ver/ögerungszeit ein Abtastintervall oder ein ganzzahliges Vielfaches eines Abtastintervslls beträgt, bei dem jeder quamisierte Schätzfehler frühestens zu dem Schatzwert beiträgt, der im zeitlich übernächst nachfolgenden Abtastintervall verwendet wird, und bei dem die Schätzwertbüdung mit einer Verzögerung beginnt und mit einer Verzögerung endet, nach llauptpatent P 22 60 264. dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Addierschaltung (1!) vorgesehen ist, deren erster Eingang über ein erstes Verzögerungselement (22) mit dem Sehützwertbildnereingaiig (6) und deren Ausgang über ein zweites Verzögerungselement (23). einen ersten Bewertungsmuliiplizierer (19) und ein drittes Verzögerungselement (24) mit deren zweiten Eingang verbunden sind, daß eine zweite Addierschaltung (12) vorgesehen ist. deren eisten Eingang mit dem Ausgang des ersten Bewertungsmultiplizierers (19) verbunden ist. daß eine dritte Addierschaltung (13) vorgesehen ist. deren erster Eingang mit dem ersten Eingang der ersten Addierschaliung (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 Bewcrtungsmultiplizierer (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 Addierschahung (12) und deren Ausgang über ein sechstes Verzögerungselement (27) mit dem Schätzwertbildnerausgang (3) verbunden sind und daß eine iünfie Addierschahung (15) vorgesehen ist, deren erster Eingang mit dem ersten Eingang der ersten Addierschaltung (11), deren zweiter Eingang über ein siebentes Verzögerungselement (28) mit dem Sehätzwertbildnerausgang (3) und deren Ausgang über einen dritten Bewertungsmultiplizierer (21) mit dem zweiten Eingang der vierten Addierschahung (14) verbunden sind.
2. 2. Schätzwertbildner nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß das erste Verzögerungselement (22). das sechste Verzögerungselement (27) und das sicbenie Verzögerungselement (28) je eine Ver/ögerungs/cit der Dauer eines Abtastintervalles aufweisen, daß das zweite Verzögerungselement (23) eine Verzögerungszeit der Dauer einer Zeile minus dreier Abtaslintcrvallc aufweist, daß das dritte Verzögerungsclement (24) und das vierte Verzögerungselement (25) je eine Ver/ögerungszeit der Dauer zweier Abtastintervalle aufweisen, daß das fünfte Verzögerungselement (26) eine Verzögerungszeit der Dauer eine Zeile minus eines Ablastintervalles aufweist, daß der erste Bewerumgsmultipli/ierer (19) und der zweile Bewertungsmultiplizierer (20) je einen Bewertungsfaktor 0,5 aufweisen und daß der dritte Bewertungsmultipli/ieier (21) einen Bewertungsfakior von 0,75 aufweist.

   Die Erfindung betrifft einen Schätzwertbildner lur einen Codierer für Differenz-Pulscodemodulation, bei dem Elemente /ur Ausführung arithmetischer und »<.-gcbvnenfalis logischer Operiuicnen und .ms digitalen 5 oder analogen Schieberegistern bestehende Vermögerungselemente verwendet werden, deren Ver/ögerungszeit ein Abtasiintervall oder ein gan//ahliges Vielfaches eines Abtastiniervalls beträgt, bet dem jeder quantisierte Schätzfehler frühestens /u dem Schätzwert

   ίο beiträgt, der im zeitlich übernächst nachfolgenden Ablastiniervall verwendet wird, und bei dem die Si.liät/ wertbildung mi: einer Verzögerung beginnt und mit einer Verzögerung endet.

   Die Differenz-Pulscodemodulation (DPCM) wird vorzugsweise dor' angewendet, wo ein elektrische¹-Analogsignal oder ein üigiialsignal hoher Bitrate in ein DigitaTsignal niedrigei Bitrate umgesetzt wird. Das Prinzip der DPCM is! beispielsweise aus den »Proceedings of the 1972 International Conference on Comniunicaiions«. Philadelphia, Penns\lvania. V.St.A, H. his 21.6. '72 bekannt.

   Das Wesentliche eines insbesondere für die Eenisehübertragungstechnik geeigneten Übenr;sgungss\stems für DPCM ist in F i g. 1 gezeigt. Die Anordnung einhalt

   *5 einen Sytemeingang 1. eine Subtrahierschaltuiig 2. einen Digital-Analog-Umsetzer 4. einen Quantisierer 5. einen digitalen Übertragungskanal 7. einen sendeseitigen Schätzwertbildner 8 mit Schiitzweribiklnereingang 6 und Schät/wcrtbildnerausgang 3. eine empfangsseiiige Decodiersehaltung 9 und einen Sysiemausgang 10.

   Die Amplitudenwerte der Abtastproben eines zu übertragenden Originalsignals werden über den S\ stemeingang 1 dem positiven Eingang der Subtrahierschaltung 2 zugeführt, deren negativem Eingang Schätzwerte zugeführt werden und tieren Ausgang Schät/fehlcr an den Eingang des Quantisierers 5 weiterleitet. Der Ausgang des Quantisierers 5 gibt quantisierte Sehät/fehlcr sowohl über den Schätzwertbildnereingang 6 an den Eingang des sendeseitigen Schätzwertbildner 8 als auch an den Eingang des digitalen Übertragungskanals 7 ab. Der sendeseitige Schätzwertbildner 8 führt über den Schätzw eitbildnerausgang 3 dem negativen Eingang c'er Subirahierschaltung 2 Schätzwerte zu.

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

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

   Die Erfindung bezieht sich auf den sendeseitiger Schätzwertbildner 8. Schätzwertbildner bestehen vor· ztigsweise aus Elementen zur Durchführung arithmcti scher Operationen wie Addition. Subtraktion. Multipli kation mit einem Bewertungsfakior und aus Verzöge rungselemente. welche mit Schieberegistern realisier sind. Zusätzlich können Elemente zur Durchführung Io gischer Operationen vorhanden sein. Die Verzöge rungszeiien der Verzögeningselemente sind ein Ab lastintervall oder ein ganzzahliges Vielfaches eines Ab tasnniervalles. Die Verzögerungselemenie können al: