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System zur übertragung oder Speicherung
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von Tonsignalen Die Erfindung betrifft ein System zur übertragung
oder Speicherung von Analogwerten mit einem Eingangsteil, einem übertragungsweg
bzw. einem Speichermedium und einem Ausgangsteil, wobei im Eingangsteil ein solcher
Umsetzer vorhanden ist, der jeden Analogwert in einen aus einem Exponenten und einer
m-stelligen Mantisse bestehenden Digitalwert umsetzt, wobei der Exponent eine ganze
Zahl zwischen 0 und einem Maximalwert n ist.
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In der deutschen Zeitschrift "Elektronik" wird in der Ausgabe vom*12.2.1982
(Heft 3) auf den Seiten 78 bis 80 von G.Heinle ein "Gleitkomma-D/A-Umsetzer" vorgestellt.
Mit einem solchen Umsetzer ist es möglich, einen aus einem Exponenten und einer
Mantisse bestehenden Digitalwert in einen Analogwert umzusetzen. Auch ist es durchaus
üblich, daß Meßinstrumente, welche analoge Meßwerte in Digitalwerte umsetzen, eine
automatische Bereichsumschaltung aufweisen. Der angezeigte oder an einem Datenausgang
abgreifbare Meßwert stellt dann eine Mantisse dar; der ebenfalls angezeigte bzw.
abgreifbare Meßbereich entspricht
dem Exponenten. Ein System, das
aus einem derartigen Meßinstrument, dem erwähnten Gleitkomma-D/A-Umsetzer und einem
zwischengeschalteten übertragungsweg oder Speichermedium besteht, ist in der Lage,
Analogwerte mit einem großen Wertebereich (Dynamik) mit recht geringen relativen
Fehlern zu übertragen bzw. zu speichern. Die Genauigkeitsanforderungen an die Umsetzer
und die Forderungen an die Kapazität des übertragungswegs bzw. des-Speichermediums
sind dabei geringer als bei Systemen, welche keine Berei chsumschaltung aufweisen.
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In der Praxis wird dennoch ständig gewünscht, die Forderungen an die
Kapazität des übertragungswegs bzw. des Speichermediums weiter zu reduzieren.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, anzugeben, wie bei der digitalen
Verarbeitung von Tonsignalen der Datenumfang reduziert werden kann, ohne die Tonqualität
merkbar zu beeinflussen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die kennzeichnenden
Merkmale des Anspruchs 1. Anspruch 2 nennt eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung.
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Der Erfindung liegt folgende Erkenntnis zugrunde: Das menschliche
Ohr ist in einem großen Lautstärkeberei ch wahrnehmungsfähig. Es kann sich jedoch
nicht beliebig schnell an die jeweils herrschende Lautstärke anpassen.
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In Zeitabschnitten, die kürzer sind, als die vom Ohr benötigte Anpassungszeit,
kann der wiedergebbare Lautstärkebereich eingeengt sein. Es genügt deshalb eine
übertragung oder Speicherung von Tonintervallen, die kürzer sind als
ein
solcher Zeitabschnitt und die nur einen eingeengten Lautstärkebereich umfassen.
Wird, wie üblich, der Amplitudenverlauf durch Angabe einzelner Amplitudenwerte beschrieben,
und wird jeder Amplitudenwert durch eine aus Exponent und Mantisse bestehende Digitalzahl
beschrieben, so genügt es, innerhalb eines kurzen Abschnitts alle Digitalzahlen
mit demselben Exponenten auszudrücken, so daß bei vorgegebener Stellenzahl der Mantissen
kleinere Amplitudenwerte zu Null werden. Dabei ist der dem größten Amplitudenwert
entsprechende Exponent zu wählen. Es genügt deshalb für einen solchen Zeitabschnitt
die Angabe eines einzigen Exponenten, d.h. des jeweiligen Lautstärkebereichs; die
einzelnen Mantissen stehen dann für die einzelnen Amplitudenwerte innerhalb dieses
Bereichs.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter
Zuhilfenahme der beiliegenden Zeichnung weiter erläutert.
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Fig. 1 zeigt als Ausführungsbeispiel das Blocksc-haltbild des Eingangsteils
eines erfindungsgemäßen Systems.
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Fig. 2 zeigt als Ausführungsbeispiel das Blockschaltbild des Ausgangsteils
eines erfindungsgemäßen Systems.
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Fig. 3 zeigt das BLockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels
eines Ausgangsteils eines erfindungsgemäßen Systems.
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Fig. 4 zeigt in tabellenartiger, vereinfachter Form die Bildung von
Exponenten und Mantissen im Eingangsteil eines erfindungsgemäßen Systems.
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Anhand von Fig. 1 wird der Signal- und Datenweg im Eingangsteil eines
erfindungsgemäßen Systems beschrieben.
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Ein ankommendes Tonsignal NF wird in einem Tiefpaß 11 bandbegrenzt
und von einem Abtast-Halte-Glied 12 mit einer dem Abtasttheorem genügenden Taktfrequenz
abgetastet und einem nachfolgenden Analog-Digital-Wandler 13 zugeführt.
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Der Wandler 13 ist so ausgelegt, daß er den gesamten Lautstärkebereich
erfaßt und daß die Quantisierungsstufen im gesamten Bereich den Quantisierungsstufen
entsprechen, die für den leisesten Teillautstärkebereich vorgesehen sind.
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An seinem Ausgang treten digitale Datenwörter mit n+m Stellen auf.
Die Figuren zeigen Beispiele, bei denen digitale.batenwörter in paralleler Form
weitergegeben werden. Eine Weitergabe in serieller Form mit entsprechend höherem
Takt ist ebenfalls möglich. Die im Wandler 13 entstehenden Digitalwerte werden durch
einen Vergleicher 14 an einen Speicher 15 weitergegeben. Der Vergleicher 14 stellt
bei jedem Digitalwert die Größenordnung fest und ordnet diesem einen Exponenten
zu, welcher mit dem Exponenten des bisher ermittelten Maximalwerts verglichen wird.
Der größere dieser beiden Exponenten wird festgehalten, der Digitalwert wird unverändert
an den Speicher 15 weitergegeben. Im Speicher 15 wird eine vorgegebene Anzahl von
Digitalwerten zu einem Datenblock zusammengefaßt. Die Aufteilung der Digitalwerte
in Exponent und Mantisse sowie die Bildung von Datenblöcken wird weiter unten anhand
von Fig. 4 näher erläutert.
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Die Digitalwerte im Speicher 15 werden nach Bildung eines Datenblocks
an ein Schieberegister 16 weitergegeben. Die Datenblöcke können mit derselben Taktfrequenz
wieder aus dem Speicher ausgelesen werden, mit der sie eingeschrieben wurden. Sie
können aber auch blockweise sehr viel schneller ausgelesen werden. Dies ist z.B.
dann sinnvoll, wenn die übertragung in der Austastlücke eines Fernsehsignals erfolgen
soll.
Im Schieberegister 16 wird jeder Digitalwert so verschoben, daß die m-stellige Mantisse
die ersten oder die letzten Stellen einnimmt. Diese Stellen werden an einen Multiplexer
17 weitergegeben. Der Multiplexer 17 schaltet wahlweise die vom Schieberegister
16 kommenden Daten oder von einem Steuerteil 18 kommende Zusatzzeichen an den Ausgang
durch. Das Umschalten des Multiplexers wie auch die übrigen Vorgänge im Eingangstei
1 werden von diesem Steuerteil 18 gesteuert. Eines der vom Steuerteil 18 über den
ilultiplexer 17 auf den Ausgang gegebenen Zusatzzeichen stellt den Exponenten für
den nachfolgenden oder vorausgegangenen Datenblock dar. Wird der Exponent erst nach
dem Datenblock übertragen, so müssen die Daten zur Rückumformung im Ausgangsteil
erst zwischengespeichert werden, bis der Exponent übertragen ist. Dort müßte dann
ein zusätzlicher Speicher vorhanden sein. Der jeweilige Exponent wird deshalb vorzugsweise
vor dem jeweiligen Datenblock übertragen. Weitere vom Steuerteil 18 über den Multplexer
17 an den.Ausgang gegebene Zusatzzeichen-können Synchronisierzeichen sein. Beim
oben genannten Beispiel der übertragung in der Austastlücke eines Fernsehsignals
können Synchronisierzeichen fehlen, da diese vom Fernsehsignal selbst geliefert
werden.
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Anhand der Figur 2 wird der Ausgangsteil eines erfindungsgemäßen Systems
weiter erläutert. Die Mantissen eines Datenblocks kommen im zeitlichen Wechsel mit
den Zusatzzeichen als m-stellige Digitalzahlen an den Eingang eines Demultiplexers
21, der in Umkehrung zur Wirkungsweise des Multiplexers 17 Mantissen und Zusatzzeichen
voneinander trennt. Die Mantissen werden in ein Schieberegister 22 weitergegeben
und dort in Umkehrung der Wirkungsweise des Schieberegisters 16 im Eingangsteil
wieder in Digitalwerte
mit der ursprünglichen Stellenzahl n+m zurückgewandelt.
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Eine Verbin-dung 23 führt vom Ausgang der ersten Stelle auf den Eingang
der ersten Stelle zurück. Dem Schieberegister 22 nachgeschaltet ist ein Digital-Analog-Wandler
24, welcher das ursprüngliche Tonsignal wieder herste-llt. Ein Steuerteil 25 steuert
den gesamten zeitlichen Ablauf des Ausgangsteils.
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Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform eines Ausgångsteils, bei
dem ein Gl.eitkomma-D/A-Umsetzer entsprechend dem oben erwähnten "Elektronik"-Artikel
eingesetzt ist.
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Einem Demultiplexer 31, der dem Demultiplexer 21 im Beispiel entsprechend
Fig. 2 entspricht, folgt ein Digital-Analog-Wandler 32, welcher einen Spannungswert
M bildet, der der Mantisse des jeweiligen Digitalwerts analog ist.
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Dieser Spannungswert M wird als Referenzspannung einem weiteren Digital-Analog-Wandler-
33 zugeführt. Dessen digitaler Eingang wird von einem aus dem Exponenten gebildeten
Wert angesteuert. Am Ausgang ist- dann wieder der ursprüngliche Analogwert vorhanden.
Näheres hierzu kann dem erwähnten "Elektronik"-Artikel entnommen werden. Ein Steuerteil
24 steuert den,gesamten Ablauf.
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Anhand von Fig. 4 wird die Bildung von Datenblöcken sowie die Aufteilung
der Digitalwerte in Exponent und Mantisse, wie auch die Rückgewinnung der ursprünglichen
Digitalwerte weiter erläutert. Der zeitliche Ablauf wird in Tabellenform dargestellt.
Die einzelnen Zeilen entsprechen aufeinanderfolgenden Zeitpunkten. Im gezeigten
Beispiel sind jeweils -fünf Zeilen, d.h. -fünf Zeitpunkte zu einem Datenblock zusammengefaßt.
Im -realen Schaltungsaufbau umfaßt ein Datenblock z.B. 256 Digitalwerte, was bei
einer Abtastfrequenz von 12,8 kHz einem Zeitabschnitt von 20 msec
entspricht.
Für höhere Qualitätsanforderungen können auch kürzere Zeitabschnitte, etwa 10 oder
gar 5 msec zu einem Datenblock zusammengefaßt werden. In Fig. 4 sind die einzelnen
Datenblöcke durch waagerechte Linien voneinander getrennt. Die Tabelle umfaßt vier
Spalten. Spalte 1 zeigt die Digitalwerte, wie sie vom Analog-Dig-ital-Wandler 13
gebildet werden. Verwendet wird ein Zweier-Komplement-Kode. Alle positiven Werte
beginnen mit einer "0", alle negativen Werte beginnen mit einer "1". Je klei-ner
der jeweilige Wert ist, desto mehr der nachfolgenden Stellen sind der Vorzeichenstelle
gleich. Die untereinander gleichen Stellen am Anfang können bis auf eine weggelassen
werden, wenn angegeben wird, wieviele Stellen weggelassen wurden.
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Die Angabe der weggelassenen Stellen entspricht dem Exponenten, die
übriggebliebenen Stellen sind die Mantisse.
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Auch bei der verbleibenden Mantisse sind nicht unbedingt alle Stellen
erforderlich. Es genügt, die Mantisse auf eine feste Stellenzahl m zu beschranken
und die restlichen Stellen am Ende der Mantisse wegfallen zu -lassen. Da sowohl
der ursprüngliche Stellenwert n+m, wie auch der Stellenwert der verbleibenden Mantisse
m festliegen, ist es unerheblich, ob die Anzahl der am Beginn oder die Anzahl der
am Ende wegfallenden Stellen angegeben wird. In Spalte 2 sind Markierungen, die
auf diejenigen Digitalwerte hinweisen, bei denen innerhalb eines Datenblocks der
größte Exppnent auftritt. Daß mehrere Digitalwerte auftreten, bei denen dieser Exponent
gleich groß ist, ist unerheblich, da nur dieser Exponent gesucht wird und nicht
der Datenwert, bei welchem er in Erscheinung tritt. Ausgehend von dem so ermittelten
Exponenten wird bei- jedem Digitalwert des jeweiligen Datenblocks jeweils die gleiche
Anzahl von führenden Stellen wie auch eine entsprechende Anzahl von Stellen am Ende
unterdrückt. Dies geschieht im Schieberegister 16
durch eine entsprechende
Verschiebung der gesamten Digitalzahl. Die verbleibenden Stellen sind in der Tabelle
gegenüber den übrigen, wegfallenden Stellen hervorgehoben. In Spalte 3 ist jeweils
als Dezimalzahl die Anzahl der am Ende wegfallenden Stellen angegeben.
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In Spalte 4 ist der zugehörige Binärwert genannt. Durch diese Zahlen
liegt der Exponent des jeweiligen Datenblocks fest. Die Rückgewinnung des ursprünglichen
Digit a lwe rts kann im Ausgangsteil etwa dadurch erfolgen, daß im Schieberegister
22 die jeweilige Mantisse linksbündig eingelesen und um so viele Stellen nach rechts
verschoben wird, wie ursprünglich führende Stellen weggelassen wurden. Mittels der
Verbindung 23 wird dafür gesorgt, daß die vorderste Stelle vor und nach dem Verschieben
jeweils gleich ist, so daß alle führenden Stellen untereinander gleich sind. Die
Ziffernfolge der hinten angefügten Stellen ist unerheblich; sie können sowohl auf
einen festen Wert eingestellt werden wie auch, der Einfachheit halber, vom vorangegangenen
Digitalwert übernommen werden.
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Bezugszeichen M Spannungswert NF Tonsignal 11 Tiefpaß 12 Abtast-Halte-Glied
13 Analog-Digital-Wandler 14 Vergleicher 15 Speicher 16 Schieberegister 17 Multiplexer
18 Steuerteil 21 Demultiplexer 22 Schieberegister 23 Verbindung 24 Digital-Analog-Wandler
25 Steuerteil 31 Demultiplexer 32 Digital-Analog-Wandler 33 Digital-Analog-Wandler
34 Steuerteil