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nung liegt als innerhalb M , ebenfalls aber üblicherweise varie abel
ist; e) einem entsprechenden Codierer bzw. Decodierer empfängerseitig.
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2. Übertragungs-Systeme, welche das unter Anspruch t. beschriebene
Codierverfahren, das bei festliegenden Anfangsbedingungen und sende-und empfangsseitig
identischem Prinzip zur Auslfahl der Parameter und fehlerfreier Übertragung eindeutig
ist, anwenden, insbesondere DPCM-Systeme, sofern sie das genannte Quantisierungsprinzip(Stufungsprinzip)
anwenden.
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3. Verfahren nach Anspruch t.; welche das genannte Verfahren in vereinfachter
Form anwenden, oder nicht alle damit gebotenen adaptiven Möglichkeiten ausnutzen,
die vom Prinzip her gegeben sind, insbesondere a) Modifikation dadurch, daß -z.B.
erwartungswertgesteuert- andere Mengenaufteilungen mit adaptiver Schrittweitenfestlegung
erfolgen, wodurch ein anderer Code erzeugt wird, b) DPCM-Übertragungs-Systeme, welche
dieses Verfahren nutzen.
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4. Aufzeichnungs- und Lese-Systeme, welche das Verfahren nach Anspruch
1. oder 3. anwenden.
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Bezeichnung: Redundanzmindernde, mehrfach adaptive Quantisierung eines
Wertebreichs, besonders geeignet zur optimierten Codierung und Decodierung von (D)PCM-Signalen
bei fester bit-Rate.
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Einführung zur Nomenklatur Das neue Verfahren bedarf, als Erweiterung
bekannter Verfahren, einer einleitenden Abgrenzung der bereits üblichen Begriffsbildungen.
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Als "Erwartungswert" bzw. "Erwartungsfunktion" wird auf dem Gebiet
der zunehmend an Bedeutung gewinnenden Differenz-Puls-Code-Modulation oft der "Schätzwert"
oder "Prädiktionswert" angesprochen. Eine derart enge Interpretation ist jedoch,
von der Vielzahl der aus einem Signalverlauf isolierbaren Parameter her gesehen,
eigentlich nicht gerechtfertigt. Der in der Literatur feststehende Begriff der Prädik.tion
bleibt hier unberührt. Die "Prädiktion" sei weiterhin die mit einem bestimmten System
ermittelte Signal-Voraussage". Der Begriff "Erwartungswert" sei, in Ermangelung
besserer Begriffe, hier nunmehr auf alle zwecks optimaler Codierung aus einem Signal
überhaupt ermittelbaren, zur sinnvollen Ansteuerung einer quantisierbaren Wertmenge
sich eignenden Parameter ausgedehnt, und bezieht sich im vorliegenden Falle auf
diese. Das führt geradezu zwangslliufig zu einer Abkehr von der buchstäblich zentralen
Bedeutung einer einzi gen, völlig willkürlichen Vorhersage in Form eines Sc11.itzwertes,
indem nunmehr alle relevanten "Erwartungswerte als unabhängige St uerparameter der
Q'anti sierung zugelassen werden. Bereits der Unterschied verschiedener Schätzwer
te (Prädiktionen) liefert Erwartungswerte fiir den Quantisierungsbereich.
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Die Beschreibung des Verf.hrens muß sich willkürlich auf eine Art
Erwartungswert Beschränken, der dann in einem realisierbaren Beispiel herangezogen
werden kann um aus der bekannten "adaptiven" Quantisierung eine "mehrfach adaptive"
zu machen.
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Die Patentansprüche hingegen beschreiben das allgemein aus unabhängigen
Signalparametern erzielbare "mehrfach adaptive" Quantisierungsschema, um jede möglicher
Ausfiihrullg des Erweiterungsprinzips in bezug auf den bisherigen Stand der Technik
zu schlitzen. Das Mengenschema entspricht der Beschreibung äquivalenter Schaltungslogik.
Insofern können die Mengenbezeichnungen unmittelbar in ein Codierungsschema umgesetzt
werden, so daß Mengenoperationen mit logischen Schaltiingsoperationen synonym zu
verstehen sind.
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Bezeichnung: Redundanzmindernde, mehrfach adaptive Quantisierung eines
Wertebereichs, besonders geeignet zur optimierten Codierung und Decodierung von
(D)PC>í-Signalen bei fester bit-Rate.
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V E R F A H R E N S - B E S C H R E I B U N G Nutzbare Möglichkeiten
bei der Quantisierung einer Signal-Wertefliege Signaleigenschaften können redundanzmindernd
genutzt werden.
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Bei nicht willkürlichen realen Signalen braucht nur jede Signal-Änderung-als
relevant betrachtet zu werden. Bei der DPCM wird diese Gegebenheit redundanzmindernd
verwertet, indem (nur) die Änderung, oder die Abweichung von einem Schätzwert, codiert
übertragen wird. Es genügt daher eine Betrachtung des DPCM--Verfahrens,um die Vorgehensweise
bei anderen Codierungen daraus abzuleiten. Folgende Quantisierungskriterien sind
zu berücksichtigen: a) Bereiche geringer Varianz brauchen eine feine Stufung.
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b Sprünge (Signal-lCanten) benötigen eine dem zulässigen Fehler angepaßte
Stufung. Eine solche hohe Varianz (Aktivität) -ist entweder positiv oder negativ.
In diesem Falle ist es unnötig, einen Wertebereich mit Vorzeichenumkehr (der ZtSteigunglt)
zur Verfügung zu stellen, der über ein Mindestmaß hinausgeht, wie es bei den bisherigen
betragsmäßig arbeitenden Verfahren redundant der Fall ist.
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c) Wesentliche Singularitäten mit Impulscharakter werden durch alle
realen Systeme mehr oder minder verfälscht. Oft sind es Störungen. Bei der Bildübertragung
können es scharfe Linien sein, wie sie bei Schrift, Zeichnungen usw. auftreten.
Grobe Quantisierungsfehler mindern lediglich den Kontrast. Nur selten wird er erhöht.
Die dabei zulässigen Fehler sind bisher nicht ausreichend erfaßt und genutzt.
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d) Nimmt man bei PCM- oder anderen Codier-Verfahren an, daß die Werte-Codierung
als eine um einen Mittelwert schwankende Größe mit Vorzeichen aufzufassen ist, gilt
obiges entsprechend.
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Bisherige Verfahren, erläutert am Beispiel DPCM Der volle Bereich
zulässiger Fehler bei der Quantisierung von Signal-Unstetigkeiten, wie sie insbesondere
Signal-Sprünge und singuläre Werte hohen Betrages darstellen, wurde in letzter Zeit
dadurch auszuschöpfen versucht, daß eine Aktivitätsfunktion A verschiedene Kennlinien
ansteuert. Dabei wird im allgemeinen aus der Vergangenheit das Kriterium A dafür
ermittelt, welche 0 Wertemenge fest angesteuert wird(siehe Beispiele 1.A)und 2.A)
).
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Dieses Prinzip nutzt zulässige Fehler aus, indem die Stufung entsprechend
gröber oder feiner erfolgt, um mit der jeweiligen bit-Zahl den angesteuerten Bereich
zu überdecken LLit. (i) und (2) mit weiteren Literatur-AngabenJ.
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Kritik Die Redundanz dieser Verfahren liegt in der Bereichs-Zentrierung
auf den Wert Null und der Bereichswahl nach dem Betrag der Änderung, was nicht eindeutig
-positiv oder negativ- und damit eine zu grobe Aussage ist.
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Dies gilt ebenso für das Patent DT-24 03 597, das einen adaptiven
DPCM-Code nach Quantisierungsstufengröße ermittelt.
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Aufgabe der Erfindung ist eine bessere Ausnutzung zulässiger Quantisierungsfehler
Das Verfahren erreicht erfindungsgemäß durch bessere Signalanpassung einen weiteren
Bereich oder feinere Quantisierungsstufen.
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a) Anstelle der betragsmäßigen Quantisierungsstufengröße, die als
Schätzwert eine.Doppeldeutigkeit enthält, wird der Quantisierungs-Wert, der eindeutig
positiv oder negativ ist, verbessernd genutzt1 um damit nur einen engeren Teilbereich
anzusteuern.
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Eine weitere Verbesserung wird dadurch erreicht, daß man zulässige
Schrittweiten-Änderungen nun besser ausnutzen kann als bisher.
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b) Die schon erwähnte Redundanz bisheriger Quantisierungs-Verfahren
wird durch die eindeutige Bereichsansteuerung und daran orientierten Schrittweiten
beseitigt. Das hier beschriebene, neue Verfahren läßt zudem die Programmierung aller
bisher bekannten Wertebereiche als Sonderfall zu.
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Als davon unabhängiges Verfahren läßt es zudem eine kombinierte Anwendung
zu, indem aus mehreren Bereichen ein Bereich nach altem Verfahren vorgewählt, und
dann das neue Verfahren angewendet werden kann.
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Das neue Verfahren kann auch mehrfach -z.B. sukzessiv- angewendet
werden, indem der gesamte Wertebereich z.B. in vier Teilbereiche fallender Erwartungswahrscheinlichkeit
geordnet, mit angepaßter Schrittweite,un- unterteilt wird. Ein meist feines Werte-Raster
wird um den Erwartungswert herumgelegt, während man alle zulässigen Vergröberungen
im Bereich hoher Änderung zu einer Dynamik-Erweiterung ausnützen kann, die, wie
die später erwähnten Beispiele zeigen, beträchtlich ist.
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Anwendung: PCM, DPCM, Aufzeichnungs- und Lese-Verfahren, Übertragungs-Verfahren
mit allgemeiner, Schätzwert-gesteuerter Quantisierung.
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Bestimmung und Aufteilung des Quantisierungs-Hertebereichs Das neue
Verfahren teilt einen gegebenen Wertebereich, möglichst gleichwertig, in (zwei)
Bereiche ein. Dies sind im allgemeinen a) eine Erwartungsmenge M hoher Auftritts-Wahrscheinlichkeit,
logisch e z.B. mit lBlit codierbar; b) eine Restmenge niedriger Auftritts-Wahrscheinlichkeit
Mr entsprechend mit "o" codierbar.
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Verfahrensschritte: 1. Die "l"-Menge wird z.B. über den Momentanwert
Eo (t = to) einer Funktion E(t) zentriert.
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Die Funktion E(t) ist ganz allgemein eine Ansteuer-Funktion, die
ihren Momentanwert E aus Vergangenheit und Umgebung beziehen kann. Übli-0 cherweise
ist E(t) eine Wahrscheinlichkeits-Aussage und E der momen-0 tane Erwartungswert.
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2. E wählt im allgemeinen die Schrittweite und legt die davon abhängige
0 Stufung fest.
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3. Nach der Zentrierung, die gewährleistet, daß ein außerhalb der
"l"-Menge liegender Wert W eine wesentliche Unstetigkeit darstellt, werden die restlichen
bits zur Lokalisierung im jeweiligen Bereich benutzt, der nun gestuft und durch
die bit-Zahl begrenzt ist.
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4. Der l'1-Bereich wird dadurch im allgemeinen mit ebensovielen Repräsentativwerten
codiert wie die Restmenge Mr. Die Wahl der Schrittweite wird normalerweise durch
bekannte, zulässige Fehler bestimmt. Die Erwartungsmenge Me ("1") wird dementsprechend
im allgemeinen genügend fein unterteilt, der Restbereich zulässig gröber, da Stetigkeits-Sprünge
durch physikalische und physiologische Gegebenheiten verfälscht werden, und Fehler
unterhalb einer gewissen Schwelle maskiert bleiben. Diese Tatsache ist in dem neuen
Verfahren besser nutzbar.
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Die n-bit-Quantisierung: Vergleich zu bekannten Verfahren Beispiele
1. 3-bit-Codierung A) Erdmann [Lit. (1) schlägt bei einem DPCM-Quantisierer, der
drei Wertebereiche, je nach letztem übertragenen Wert 1W 1 fest ansteuert, q folgende
Stufung vor: W1 a) + (1 4 {+6} 9 18) falls |Wq| < 18 # b) (1 9 18 / 31) falls
|Wq| = 18 c) ( 4 18 / 31 / 52) falls |Wq| > 18 Der letzte Wert (W1 = 6) wurde
mit W (= 4) quantisiert. Der Betrag von q W steuert hier als Erwartungswert A den
Wertebereich a) betragsmäßig q o an, in welchem der aktuelle Wert W gesucht und
quantisiert wird. Der a binäre Code besteht aus Vorzeichen und Stellenwert.
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B) Werteschema gemäß den neuen Verfahren: Positiv W1 Stufung: ((
1 4 {6}9 18)) 31* 52 t Code: loo lol llo 111 oll Negativ Stufung: 1 4 9 18 31 52
Code: ooo ool olo (Die unterstrichenen Werte stellen die Repräsentativwerte der
Restmenge darl) a) Der letzte Wert' (W1 = 6) zentriert und begrenzt hier die Erwartungsmenge
Al über W = 4, d.h. nur den in den Doppelklammern stehenden e q positiven Wertebereich,
gemäß der darin zulässigen Schrittweite.
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Die Zentrierung ist weitgehend modifizierbar.
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b) Der Restbereich wird unter Ausnutzung zulässig gröberer Stufung?
vorgegeben durch den positiven Wert E = W , quantisiert. Im vorge-0 q nannten Beispiel
werden die unterstrichenen, fest programmierten Werte verwendet. Der Code besteht
aus "true = 0", falze = 1" für die angesteuerte Erwartungsmenge M und dem Stellenwert.
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e Gewinn: Im Vergleich zu Erdmann wird hier ein zusätzlicher Wert
im positiven Bereich gewonnen, der die Dynamik erhöht. Im Beispiel ist es der positive
Repräsentativwert 31(durch * hervorgehoben), der nach alter Vorgehensweise nicht
erreicht wird.
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Ein weiterer Gewinn kann unter voller Ausnutzung der variabel programmierbaren,
zulässigen Schrittweite(siehe Beispiel 2.B) und 2.C)) erzielt werden.
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C) Andere Erwartungsmengen M als im Beispiel B) und mögliche feste
Quane tisierung der jeweiligen Restmengen Mr : a) positiv: 1)) ((4)) 9 18 31 52
Der Wert +1 wird durch W1 den Wert +4 ersetzt.
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negativ: 1 # 4 9)) 18 31 52 Gegenüber Erdmann (Beisp. 1.A)) wird
der Repräsentativ Wert -31 gewonnen.
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W1 b) positiv: 1 4 ((9 18 # 31 52)) negativ: 1 4 9 18 31 52 In diesem
Beispiel war der letzte Wert W1 positiv und >18. Die negative Quantisierungsstufe
-52 ist, im Gegensatz zu Erdmann, mit dem neuen Wert W in diesem Beispiel nicht
erreichbar. Da es sich jedoch um eine Singularität mit Impulscharakter handelt(siehe
"Nutzbare Möglichkeiten", Absatz c), sind hohe Quantisierungsfehler zulässig(es
fand ein starker Steigungssprung vom Positiven ins Negative statt). Dennoch läßt
sich prinzipiell, gemäß den Beispielen 2.B) und C), auch diese Quantisierungsstufe
erreichen.
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2. 4-bit-Codierung A) Pirsch [Lit. (2)J überdeckt mit seinen drei
Kennlinien, entsprechend wie Erdmann, folgenden Wertebereich(Unsymmetrie wurde hier
zur Vereinfachung weggelassen): 16 Werte | Gewinn | ( 1 4 9 16 23 32 43 56 / 71
/ 86) Die Codierung enthält wiederum sinngemäß Vorzeichen und Stellenwert.
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Die Stufung wurde aufgrund ermittelter Maskierungsfunktionen für
Quantisierungstisierungs
-Fehler gewählt. Gegenüber einfacher Quantisierung
werden vier Werte gewonnen. Der erste Wertebereich geht -analog wie bei Erdmann-
bis 56, der zweite bis 71, der dritte bis 86.
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B) Nach dem neuen Verfahren verbessertes Werteschema: Positiv 8 Werte
zusätzlicher W1 | Gewinn | Stufung: 1 (( 4 9 16 23 27 32 43 56 71)) 86 105 125 Code:
1000 .............................. 1111 0111 0110 Negativ Stufung urspr. : 1 4
9 i6 23 32 43 56 71 86 105 125 errechn.: 5 16 29 44 59 74 Code: oooo oool oolo 0011
oloo olol a) Wiederum zentriert und definiert hier der letzte Wert W1 = 27, über
W = 23, den Wahrscheinlichkeitsbereich M (mit Doppelklammern gekennq e zeichnet)!
b) Unter Ausnutzung der Maskierung von Fehlern wird hier die Stufung noch ab den
Randwerten von M individuell errechnet.
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e Gewinn: Gegenüber der Quantisierung mittels betragsmäßig angesteuerter
Kennlinie werden nach dem neuen Verfahren in diesem Beispiel zwei positive Werte
(86, 105) mehr erreicht. Im negativen Bereich wird durch die individuelle Berechnung
zusätzlich ein geringfügig höherer Randwert (-74) erreicht. Dieses stellt eine bedeutende
Dynamikerweiterung gegenüber dem zweiten Wertebereich von Pirsch dar. Es stehen
außerdem hier vier erreichbare Stufen mehr (+105, + 125) zur Verfügung.
-
C) Eine zusätzliche Dynamikerweiterung läßt sich erzielen, indem auch
der in Doppelklammern stehende Bereich in 2.B) individuell, jeweils entsprechend
dem durch die Zentrierung über W zulässigen Fehler, gestuft q wird. Die Stufung
könnte dementsprechend lauten: Wq Stufung: ((-4 +5 14 23 32 43 56 71)) Schritt-
9 9 9 9 11 13 15 weite: Weiterer Gewinn: Etwa eine Wertestufe unter Ausnutzung der
bei Pirsch verwendeten Maskierungsfunktion, welche die zulässige Schrittweite an
Sprungkanten angibt(Hier Schrittweite 9 bei W ).
-
q
D) Eine unter- Anspruch 3 fallende, vereinfachte
Variante, die dem Punkt c) im Absatz "Nutzbare- riöglichkeiten" (Singularität mit
Impulscharakter) besser Rechnung trägt, definiert erwartungswertgesteuert einen
an diesem orientierten, zunächst unbegrenzten Rechtsbereich Br (Code im ersten bit
z.B. "1") und Linksbereich B1(Code im ersten bit z.B. "o"). Über den Erwartungswert
werden die Schrittweiten und Stufungen nun festgesetzt, während die restliche bit-Zahl
danach entsprechend den Rechts- bzw.
-
-Linksbereich begrenzen kann. Anschließend wird, durch suksezzive
weitere Halbierung des jeweils angesteuerten Teilbereiches, mit entsprechender Rechts("1")-
bzw. Links("0"-Codierung nach bekannten Verfahren der -Wert angesteuert.
| -- rechts |
| ~Stufung: 32 43 56 71 86 105 /-88 -73 |
| - Schritt- 11 13 15 15 19 15 |
| Code: looo 1111 ¼ |
| Schrittweite 15 |
| E =W1 r 27 |
| 0 |
| Stufung: 23 14 5 -4 -15 -28 -43 |
| Schritt- 9- - 9 9 11 13 15 15 |
| weite: |
| - Code: olll--..- oloo .................. oooo |
| links |
Codierungsbeispiel 4-bit "0101" Der Erwartungswert Eo = W1 = 27 halbiert den Gesamtbereich
mit jeweils acht Stufen links und rechts von E . Die erste tto§ im Code definiert
o c den unteren Halbbereich von +23 bis -58(Linksbereich), die zweite "1" definiert
die rechte Hälfte dieses Teilbereiches bis -4, die dritte "0" die linke Hälfte dieses
zweiten Teilbereiches von +5 bis -4 und die letzte "1" den rechten Wert davon,-
d.h. den Wert 5.
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Zusammenfassung.
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Die Anwendung von Mikroprozessoren und PROMs wird in naher Zukunft
eine schnelle, hochgradig adaptive Quantisierung zulassen, was besonders bei (D)PCM-Verfahren
von Vorteil ist.
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Selbst in einfachster Realisierung ergibt die Anwendung des neuen
Prinzips einen Gewinn an Informationskapazität gegenüber bisher bekannten adaptiven
Quantisierungs-Verfahren.
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Unter Ausnutzung aller Möglichkeiten dürfte sich bei 3-bit-Codierung
durchschnittlich eine Erweiterung gegenüber einem angesteuerten Teilbereich(Kennlinie)
um eine Stufe erzielen lassen. Die Realisierung ist in diesem Falle am einfachsten,
der Gewinn jedoch, wegen der wenigen Stufen, noch nicht so auffällig.
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Bei