DE3414990A1

DE3414990A1 - Adaptive digitalisierungsschaltung

Info

Publication number: DE3414990A1
Application number: DE19843414990
Authority: DE
Inventors: Enrico Boston Mass. Dolazza; Bernard M. Gloucester Mass. Gordon; Hans J. Salem Mass. Weedon
Original assignee: Analogic Corp
Current assignee: Analogic Corp
Priority date: 1983-06-24
Filing date: 1984-04-19
Publication date: 1985-01-10
Also published as: JPS6037827A; NL188195B; NL188195C; NL8401243A; DE3414990C2; FR2547966A1; US4569028A; FR2547966B1

Description

- 6- " " 34H990

11 614 Ks/Ri

U.S. Serial No. 507,4-72

Filed! June 24-, 1983

Analogic Corporation Audubon Road, Wakefield, Mass., V.St.v.A.

Adaptive Digitalisierungsschaltunp;

Die Erfindung betrifft eine adaptive Digitalisierungsschaltung, die zur Verwendung in einem nachrichtenverarbeitenden System gedacht ist und insbesondere dafür sorgt, daß das Verhältnis zwischen dem quadratischen Hittelwert (Effektivwert) des Rauschens des analogen Eingangssignals und dem quadratischen Mittelwert des Digitalisierungsfehlers über den gesamten Bereich des verarbeiteten Signals konstant ist. Dies wird dadurch erreicht, daß man das lokale Digitalis!erungsintervall in proportionaler Weise an den lokalen Effektivwert des Rauschens des Analogsignals anpaßt.

Die Digitalisierung von Signalen ist ein besonderes Problem in Nachrichtensystemen, bei denen sich der Rauschpegel über den Dynamikbereich des Informationssignals andern kann. In Rontenstrahl-Bildwandlern beispielsweise ist ein Eigenrausehen vorhanden, das mit der statistischen Unbestimmtheit der Emission und Absorption von Röntgenstrahl-Photonen zusammenhängt; und mit wachsender Anzahl der am Ende erfaßten Photonen größer wird. Typischerweise werden die Röntenstrahlen, nachdem sie durch einen abzubildenden Körper getreten sind, von einem Bildverstärker erfaßt, der das Röntgenstrahlbild in ein sichtbares Bild, umwandelt, welches von einer Videokamera abgetastet wird, deren Ausgangssignal für die wei-

_ ₇_ 34H990

tere Verarbeitung der Bildinformation herangezogen wird· Diese Videokamera bringt in das System ein zusätzliches elektronisches Rauschen ein, welches annähernd konstant über den Bereich des Bildsignals ist· Der sich aus dem Photonenrauschen und dem elektronischen Rauschen zusammensetzende kombinierte Rausohgehalt ändert sich somit über den Betriebsbereich des Systems und kann als Eigenrauschen des zu digitalisierenden Analogsignals angesehen werden. Die verschiedenen Rauschfaktoren werden typischerweise durch Angabe der Standardabweichung ausgedrückt.

Der Digitalisierungsvorgang führt an sich noch einen Fehler ein,"dessen quadratischer Mittelwert (Effektivwert) proportional der Breite des Digitalisierungsintervalls (Quantisierungsintervall) ist. Dieser Fehler kann als Digitalisierungsrauschen betrachtet werden, das sich mit dem Eigenrauschen des Analogsignals zusätzlich kombiniert· Um den Informationsinhalt des Signals über dessen vollen Dynamikbereich zu bewahren, sollte das Gesamtrauschen des digitalisierten Sig- nals nicht mehr als wenige Prozent stärker sein als das Eigenrauschen des Analogsignals· Das heißt, wegen der veränderlichen Natur des Rauschens muß das Digitalisierungsintervall unter Berücksichtigung der Tatsache bemessen werden, daß für Signale mit geringerem Eigenrauschen kleinere Intervalle und für Signale mit stärkerem Eigenrauschen größere Intervalle erforderlich sind· Das Digitalisierungsintervall muß also so klein gemacht werden, daß auch Signale mit Mindest-Eigenrauschen noch richtig codiert werden. Dies führt zu einer Uberoodierung des Signals in Fällen höheren Eigenrauschens, wenn man nicht für eine Anpassung des Digitalisierungsintervalls sorgt. Dies ist unrationell und verbunden mit zusätzlicher Entropie der digitalisierten Daten Über den Informationsinhalt des Signals hinaus. Ein genügend kleines Digitalisierungsintervall, um beispielsweise ein Röntgenstrahl-Videosignal zufriedenstellend über seinen vollen Dynamikbereich zu codieren, erfordert einen für die relativ hohe Zahl von 12 Bits ausgelegten Analog/Digital-Wandler.

Auch die nachfolgenden Verarbeitungsschaltungen müssen zur Speicherung von mindestens zwBlfstelligen Binärwörtern ausgelegt sein. Außerdem hat die zusätzliche Entropie der digitalisierten Daten nachteilige Auswirkungen auf die erzielbare Pressung der Daten.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine verbesserte, billige und extrem einfache adaptive Digitalisierungsschaltung für ein nachrichtenverarbeitendes System zu schaffen, die ein konstantes Verhältnis zwischen dem Digitalisierungsrauschen und dem Signaleigenrauschen über den Bereich des Informationssignals bringt.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Anzahl der erforderlichen Bits zur einwandfreien Codierung des Informationsinhaltes des Signals möglichst gering zu halten. Vorteilhafterweiae soll mit der erfindungsgemäßen adaptiven Digitalisierungsschaltung die Entropie der digitalisierten Codes an deren eigenen Informationsinhalt angeglichen werden, so daß die Daten im größtmöglichen Maß gepreßt werden können. Schließlich soll die erfindungsgemäße Digitalisierungsschaltung vorteilhafterweise mit einer Umwandlungsfunktion arbeiten, die am Ausgang der Schaltung einen Rauschpegel liefert, der über den Dynamikbereich des Informationssignals annähernd konstant ist·

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß sich eine verbesserte und sehr wirkungsvolle adaptive Digitalisierungsschaltung erhalten läßt, wenn man dazu ein Entropiefilter verwendet, das ein Eingangssignal mit veränderlichem Rauschen empfängt, welches eine Funktion eines Informationssignals selbst ist, um ein transformiertes Signal mit einem über seinen Dynamikbereich konstanten transformierten Rauschpegel zu erhalten, und einen Analog/Digital-Wandler, in dem das Verhältnis zwischen dem Rauschpegel des transformierten Signals und dem Digitalisierungsintervall Über den Dynamikbereich des transformierten Signals konstant ist.

"■ 34U990

*- y —

Demgemäß enthält eine erfindungsgemäße adaptive Digitalisierungsschaltung für ein nachrichtenverarbeitendes System ein Entropiefilter, das auf ein Informationssignal V veränderlichen Rauschens tf_v anspricht, welches eine Funktion von V ist, um ein transformiertes Signal T zu erhalten, das über seinen Dynamikbereich einen konstanten transformierten Rauschpegel c„ hat.

In einer vorteilhaften AusfUhrungsform der Erfindung ist ein Analog/Digital-Wandler vorgesehen, bei welchem das Verhältnis CT^/ S _T zwischen dem Rauschpegel tf^ des transformierten Signals und dem Digitalisierungsintervall 8 rp über den Dynamikbereich des transformierten Signals T konstant ist.

Das transformierte Signal T kann definiert werden als

wobei O eine willkürliche Konstante ist. 20

Bei dem nachrichtenverarbeitenden System kann es sich um ein System zur Verarbeitung von Bildinformationen handeln. Der veränderliche Rauschpegel o*y kann sich aus konstantem elektronischem Rauschen or und veränderlichen Photonenrausehen o*y zusammensetzen, um ein transformiertes Signal zu liefern, das über, seinen Dynamikbereich einen konstanten transformierten Rauschpegel hat. Das Entropiefilter kann auch eine erste Transformierungsschaltung enthalten, die eine erste Transformierungsfunktion T^ vom Wert 0 bis zum Schnittpunkt von σ_β und σ$ hat und eine zweite Transformierungsschaltung, die oberhalb dieses Schnittpunktes eine zweite Transformierungsfunktion Tg hat.

Di« erste Transformierungflsohaltung kann eine erste Trnnsformierungsfunktion

liefern, die von O bis zum Schnittpunkt von o*_e und σ χ eine Steigung ¹V)VVjTg ⁿ»t_t und die zweite Transformierungs-BohaJ-tung kann eine Transformierungsfunktion

oberhalb des erwähnten Schnittpunktes haben· Die erste Transformierungsschaltung kann eine Verstärkungseinrichtung enthalten, die an ihrem Ausgang die erste Transformierungefunktion liefert. Die zweite Transformierungsschaltung kann eine Steuerschaltung enthalten, um die Steigung des Ausgangs der Verstärkungseinrichtung so zu modifizieren, daß die zweite Transformierungsfunktion erhalten wird· Die Verstärkungseinrichtung kann aus mehreren Verstärkerstufen bestehen, und die Steuerschaltung kann mehrere spannungsempfindliche Stromleitelemente enthalten, deren Leitfähigkeit mit ansteigendem Informationssignal V sukzessiv erhöht wird, um das Ausgangssignal der jeweils zugeordneten Verstärkerstufe zu vermindern.

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 ist ein Blockschaltbild eines nachrichtenverarbeitenden Systems, das eine adaptive Digitalisierungsschaltung gemäß der Erfindung enthält;

Fig. 2 ist ein etwas ausführlicheres Blockschaltbild eines Systems ähnlich demjenigen nach Fig· 1 in einer Auslegung zur Röntgenstrahl-Abbildung;

Fig. 3 zeigt in einer graphischen Darstellung die Änderung des sich aus dem Photonenraüschen und dem elektronischen Hauschen zusammensetzenden Eigenrauschen des Analogsignals als Funktion der Intensität dieses Signals;

- 11 -

"-H-" 34U99Q

Fig. 4· zeigt die Änderung bezüglich des Ausgangs der Fernsehkamera, wenn das Signal direkt mit Hilfe eines linearen Analog/Digital-Wandlers digitalisiert wird;

Fig. 5 ist ein ausführlicheres Blockschaltbild der im System nach Fig. 1 enthaltenen adaptiven Digitalisierungsschaltung;

Fig. 6 zeigt den Verlauf der Transformierungsfunktion, die durch das erfindungsgemäße Entropiefilter erzeugt wird, welches einen konstanten Rauschpegel über den Dynamikbereich des Ausgangssignals der Fernsehkamera erzeugt;

Fig. 7 ist ein Detailschaltbild des Entropiefilters nach Fig. 5.

Das in Fig. 1 dargestellte nachrichtenverarbeitende System 12 enthält eine Quelle 12, die eine geringe Anzahl von Photonen liefert, wie man sie bei Röntgenstrahlsystemen und Nachtsichtgeräten oder kosmischer Strahlung findet. Die Photonen werden von einem Detektor 15 gefühlt, dessen Auegangssignal an eine gemäß der Erfindung ausgebildete adaptive Digitalisierungsschaltung 26 gelegt wird. Das digitalisierte Ausgangssignal wird anschließend auf eine Information s-Verarbeitungseinheit 28 gegeben, deren Ausgangssignal unmittelbar einem Bildwiedergabegerät 30 zugeführt werden kann. Ein Speicher 32 kann dazu dienen, die Daten zu einer späteren Zeit erneut wiederzugeben oder neu zu verarbeiten. Die adaptive Digitalisierungsschaltung 26 ist nicht auf Bildverarbeitung beschränkt sondern kann allgemein bei jeder Art von Nachrichtenverarbeitung angewandt werden.

Eine Form von Bildverarbeitung, bei welcher die erfindtingsgemäße adaptive Digitalisierungsschaltung verwendet werden kann, nämlich eine Röntgenabbildung, ist ausführlicher in Fig. 2 dargestellt. Das verwendete Röntgengerät enthält eine

'V₁₂J 34Η99Ό

Röntgenstrahlquelle 12a, deren Röntgenstrahlen unter teilweiser Absorption durch ein Subjekt 14 dringen und dann im Detektor 15 durch einen Bildverstärker 16 gefühlt werden, der die empfangenen Röntgenstrahlen in sichtbares Licht auf einem ausgangsseitigen Schirm 18 umwandelt. In der Fig. 2 und in den folgenden Figuren sind gleiche Teile mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet, während für ähnliche Teile gleiche Bezugszahlen mit einem nachgestellten Kleinbuchstaben verwendet werden. Der Schirm 18 wird ebenfalls innerhalb des Detektors 15 in der üblichen Weise über ein optisches System 20 mit Aparturblende 22 von einer Videokamera 24· abgetastet. Das analoge Ausgangesignal der Videokamera 24 wird auf die erfindungsgemäße adaptive Digitalis!erungsschaltung 26 gegeben. Das digitalisierte Ausgangssignal gelangt anschließend zur Bildverarbeitungseinheit 28, deren Ausgangssignal unmittelbar auf die Bildwiedergabeeinrichtung (Sichtgerät) 30 gegeben wird. Ein Speicher 32 kann dazu verwendet werden, die Daten zu einer späteren Zeit erneut wiederzugeben oder neu zu verarbeiten.

Eine Erläuterung der grundlegenden Arbeitsweise des Systems 10 wird zum Verständnis der Erfindung beitragen. Die Röntgen-Bbrnhlen von der Quelle 12 setzen eioh aus einer Anzahl von Photonen zusammen. Die mittlere Anzahl der Photonen, welche die Röntgenstrahlquelle verlassen und entlang eines Weges wandern, um am Ende ein Element (Bildpunkt) des Bildes zu ergeben, werden durch das Subjekt 14 gedämpft, und zwar gemäß der Formel

Ne""/¹ , (1)

wobei Ai der Dämpfungsfaktor oder Absorptionskoeffizient für den betreffenden Weg ist und N die ursprüngliche Anzahl von Photonen pro Bildpunkt darstellt. Die Ausgangsspannung der Videokamera 24 ist dann

V «oCNe "Ζ¹ , (2)

wobei oc. die Proportionalitätskonstante an der Schnittstelle

- 13 -

34H990 - 15 - ..

zwischen dem Eingang des Bildverstärkers 16 und dem Ausgang der Videokamera 24 darstellt und proportional der Apertur 22 ist. Ne""/¹ ist kein tatsächlicher Zahlenwert sondern ein Mittelwert. Würde man durch einzelne Abfragen ermitteln, welche Anzahl von Photonen Ne"/¹ jeweils über eine Zeitperiode auf ein einziges Bildelement im Bildverstärker 16 treffen, dann erhielte man eine sich ändernde Zahl. Diese Standardabweichung stellt ein dem Betrieb der Röntgenstrahlquelle eigenes Rauschen dar und läßt sich folgendermaßen ausdrucken!

<S =/Νθ~Λ (3)

Die elektronischen Schaltungen der Videokamera 24 bewirken ebenfalls ein Rauschen, das mit σ_ bezeichnet werde und in erster Näherung gleich dem SpannungB-Vollaussohlag V_Fß der Videokamera geteilt durch den Rauschabstand S ist:

w -FS f., -v

^σβ ⁼ -ΊΓ· W

Somit gilt für das Gesamtrauschen oy am Ausgang der Videokamera folgende Gleichung:

+ (otar- ) (5)

oder einfach

_v ²N²/S² (6)

oder . __

o-_v =/ocV + V_FS ² /S² . (7)

Die Änderung des Rauschens abhängig von der Video-Ausgangsspannung V ist in Fig. 3 dargestellt. Gemäß dieser. Daretellung ist das elektronische Rauschen σ_Α der Videokamera 24 über den Dynamikbereich des Videosignals praktisch konstant. Im Unterschied dazu wird das Photonenrauschen σν der Rb'ntgen

_ ' 34Η99Ό

strahlung mit ansteigendem Videosignal über dessen Dynamikbereich stärker. Das kombinierte oder Eigenrauschen tfy ist also im wesentlichen konstant unterhalb des Schnittpunktes V_c, wo sich die beiden Rauschkurven <y_Q und a% kreuzen, Jenseits dieses Punktes wird das kombinierte oder Eigenrauschen σ_ν mit ansteigendem V großer und wird sehr bald praktisch gleich dem Wert des Photonenrauschens cfy .

Bei einer Digitalisierung ist das Mgitalisierungsint ervall (Quantisierungssprung)S umgekehrt proportional der beim Digitalisieren verwendeten Anzahl von Codes· Je kleiner das Digitalisierungsintervall ist, desto großer ist die erforderliche Anzahl von Codes. Für irgendeine gegebene Spannung ist das Produkt der Anzahl von Codes mit dem Digitalisierungsintervall gleich der Vollausschlagspannung, also

^VVollausschlag ^{3 Anzahl der Codes} (^N _c) . Digitalisierungs-

intervall (S), (8)

Durch die Digitalisierung wird ein gewisser Fehler eingeführt, der wie ein äquivalentes Rauschen behandelt werden kann, das einen quadratischen Mittelwert (Effektivwert) d{ gemäß der Formel

<*5 -ί//Ϊ2~ (9)

hat. Somit läßt sich das Gesamtrauschen σ«·* des Videosignals nach der Digitalisierung, also das kombinierte oder Eigenrauschen in weiterer Kombination mit dem äquivalenten Digitali sierungsrauschen, folgendermaßen ausdrücken!

(10)

/ X^

V =	*/ο_ν +**	ί²	^ 2
*0γ /θγ*	-Λ		, ²12

- 15 -

'""_ ₁₅ _ " ' 34 Ί A39O WiTd das Verhältnis des Rauschens (Jy zum Digitalisierungsintervall 6 mit 'η bezeichnet, also

σ_γ/6 - η . (12)

bzw. in anderer Schreibweise

σ_ν - η 6 , (1?)

ΊΟ dann wird aus Gleichung (11) folgender Ausdruck

Wenn z.B. η gleich 1 ist, dann ist <Ty*/Oy gleich 1,04, was einen vierprozentigen Anstieg des Rauschens bedeutet. Wenn η gleich 2 ist, dann ist oyVöy gleich 1,01, was einen einprozentigen Anstieg des Rauschens bedeutet. Es läßt sich nun erkennen, daß es ein Gleichgewicht zwischen dem Digita-Ii si erungsint ervall S unä. eiern Rauschen σ_ν gibt. Wenn Tj kleiner ist als 1, dann ist das Digitalisierungsintervall 5 größer als σ_ν· Ist η größer als 1, dann ist das Digitalisierungsintervall £ kleiner als ofy. Die Digitalisierung ist zufriedenstellend, wenn η größer ist als ein Wert, der zwischen 0,5 und 0,8 liegt, je nach der Struktur des Bildes. Eine ausgezeichnete Digitalisierung ergibt sich bei Ti größer als 1. Das heißt also, wenn η gleich oder größer ist als 1, dann ist das Digitalisierungsrauschen im Vergleich zum Eigenrausehen des Analogsignals vernachlassigbar.

Wenn das Digitalisierungsintervall für den kleineren Rausohpegel, der praktisch gleich a_Q ist, entsprechend einem η-Wert gleich 1 eingestellt wird, dann wird dieser Wert bei dem höheren Rauschpegel, der praktisch gleich <S~ ist, viel größer sein. Dies ist in Fig. 4 veranschaulicht und führt dazu, daß bei größerem Rauschpegel das Signal überdigita-

- 16 -

lisiert wird, womit die Gesamtanzahl der benötigten Codes sowie die Kosten nachgeschalteter Verarbeitungseinrichtungen im System höher werden. Wenn man hingegen 7] auf einen Wert einstellt, der nicht zur überdigitalisierung des Sig-η als bei hohem Rauschpegel führt, dann wird man für den schwacher rauschenden Teil des Signals einen unannehmbar kleinen Wert für ^ haben, so daß in diesem Bereich Information verlorengeht.

Das vorstehend beschriebene System sei an einem Beispiel erläutert. Es sei angenommen, daß im Ausdruck er = V^g/S der Wert für das Verhältnis S von Nutzsignal zu Rauschsignal (also der Rauschabstand) gleich 4000 ist. Weiter sei angenommen, daß der Wert für Tj gleich oder größer als 1 sein soll. Bekannt ist, daß

(15)

	Ebenso	weiß	V =	o6Ne "Γ .
			man	, daß
20
		^VFS	= Q6N .

(16) En Inb niioh boknnnb, dnß

V . N_oode * S (17)

und daß

^ ^{β N}code '

^und daß

O₇ . 7|Ä
oder

<f_v/6 - η . (20)

Daher gilt

^Ncode

- 17 -

34U930 - 17 Hieraus folgt, daß

~^{N β N}code^{5 D N}code V^min^| " ^NcodeV>| · ^

xz Da N gleich oder größer als 1 ist, gilt

⁽²⁵⁾

und
10

woraus folgt, daß

Anzahl der Bits = ^loS2^Ncode

und log^^OOO «=■ 12, wird deutlich, daß man normalerweise einen 12-Bit-A/D-Wandler benötigen würde, um das analoge Videosignal in ein Digitalsignal umzuwandeln. Bei Anwendung herkömmlicher Technik brauchte man also einen 12-Bit-A/D-Wandler, obwohl im größten Teil des Signalbereichs eine derart hohe Anzahl von Bits unnötig wäre. Die Entropie der Dnten würde weit Über deren Informntionednhnlt erhöht werden, und die Möglichkeit für eine wirksame Datenpressung wäre dadurch vermindert.

Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Anzahl der erforderlichen Bits wesentlich verringert werden könnte, wenn man das Analogsignal einer geeigneten monotonen Transformierung unterwirft, derart daß das modifizierte Eigenrauschen des transformierten Signals über den Dynamikbereich dieses Signals konstant gemacht werden kann. Im folgenden sei die Transformierte des Signals V mit T und

-ίο- 3AU990

der Effektivwert dee Rausohens im transformierten Signal mit σ,ρ be&eichneb. Wie in Fig. 5 dargestellt, wird die erwähnte Transformation mit Hilfe einer Analogsohaltung durchgeführt, die als ein Entropiefilter angesehen werden kann. Die erfindungsgemäße adaptive Digitalisierungseohaltung 26 enthält also ein Entropiefilter 4-0, welches die erwähnte Transformationefunktion liefert und es mSglioh macht, einen einfachen 9-Bit-A/D-Wandler 42 zu verwenden, in welohem das Verhältnis o"_T/ 6 ^ zwischen dem Rauschpegel o"m des transformierten Signals und dem Digitalisierungsintervall ί*_τ über den Bereich des Signals T konstant ist·

Die erwähnte Transformationsfunktion ist in der Fig. 6 als Kurve 44 aus zwei Teilen dargestellt. Der erste Teil T^. ist im wesentlichen linear bis zum Kreuzungspunkt Vq., er ist definiert durch die Gleichung

und hat die Steigung ηβ/ν_Γβ. Der zweite Teil T₂ der Funktion 44 folgt der Gleichung

T₂ (V) - ψ£Γ. (28)

Me Funktion ist so, daß das Eigenrauschen von V in ein konstantes Rauschen öVj, transformiert wird.

Betrachtet man den allgemeineren Fall, daß ein Signal V gegeben ist, dessen Eigenrauschen einen Effektivwert o*_v hat, der eine Funktion von V ist, dann gilt für eine Transformierte T(V) des Signals V, in weicher das Rauschen über ihren gesamten Dynamikbereich konstant ist, folgende Gleichung: p_y

^T(v) ~\ ^{dV +} ° · ⁽²⁹⁾

wobei C eine willkürliche Konstante ist.

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Das Eigenrauschen des Signals V eines digitalen Röntgenstrahlsystems zeigt in etwa dae folgende Verhalten:

Im Bereich T., wo das elektronische Rauschen vorherrschend ist, gilt

Im Bereich Tp, wo das Photonenrauschen vorherrschend ist, gilt j — r~

o-_v « «^/Ne-/¹ «Μ . (31)

Durch Kombination der Gleichungen (29) und (30) erhalt man die Transformation Ί_Λ (V):
^Ί

τ (ν) - Vl£— dv + σ - ψί + σ . (3o)

¹ ο ^VFS ^{π 7}IS ¹

Durch Kombination der Gleichungen (29) und (31) lSßt sich die Transformation T₂ (V) ableiten:

(3

dv + σ - + σ₂. (33)

~P I⁰⁰¹G ~^ ^νσ

2t: Das elektronische Rauschen und das Photonenrauschen sind am Punkt V_Q einander gleich, und dieser Punkt kann durch folgende Rechnung als Funktion von S, V₅₁₃ und oc ausgedrückt werden:

V²FS

Am Punkt V₀ müssen die Ableitungen von T,. (V) und T₂ (V) einander gleich sein. In der Tat ist:

M₁ (V₀) s

—ar— vr- (35)

FS

- 20 -

3AU990

/ V²

O6 FS

FS

Um für das Signal V eine Gesamt-Transformierte T (?) zu bekommen, die keine Diskontinuität am Punkt Vq hat, muß eine passende Beziehung zwischen den beiden willkürlichen Konstanten 0. und C« gewählt werden. Das heißt, bei Vq muß gelten:

Ά^β\ε

²⁷I /^V0R

(37)

Unter Heranziehung der Gleichung (34-) ergibt sich daraus«

+ 0.

+ 0

2 ·

(38)

Nun kann man willkürlich Cg = 0 setzen, und als gesamte Transformationsfunktion für den speziellen Fall erhalt man:

T(V)=

für V, V₀,

(V)

(39)

LfUrV^V₀, T₂(V)

(40)

Dies ist die Transformationsfunktion, die in der hier beschriebenen Ausführungsform eines adaptiven A/D-Wandlers realisiert wird.

In einer bevorzugten Ausführungaform für ein System, das mit geringen Anzahlen von Photonen arbeitet, kann ein Entropie-

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- 34H93Ü

filter 40 verwendet werden, wie es in Fig. 7 dargestellt ist. Die Anordnung nach Fig. 7 enthält eine Transformation sschaltung 46 zur Lieferung des Teils T^ der Transformation sfunktion 44 und eine Schaltung 48 zur Lieferung des Teils Tg der Transformationsfunktion 44. Die Schaltung 46 enthält fünf Operationsverstärker 50, 52, 54, 56 und 58, bei denen es sich um Schaltungen des Typs HA254O der Firma Harris Semiconductor, Melbourne, Florida handeln kann. Die Verstärker 50 und 58 haben jeweils über eine Leitung 60 bzw. 62 eine Direktverbindung zwischen ihrem Ausgang und ihrem negativen Eingang. Die Ausgänge der Verstärker 52, 54 und 56 sind auf die jeweils eigenen negativen Eingänge über jeweils gleiche Spannungsteilerschaltungen 64 rückgekoppelt, deren jede zwei Widerstände enthält, einen mit 649 Ohm und einen mit 499 Ohm. Die Ausgänge der Verstärker 50, 52, 54 und 56 sind über jeweils einen 249-Ohm-Widerstand mit dem positiven Eingang des jeweils nächstfolgenden Verstärkers verbunden. Das Ausgangssignal des Verstärkers 58 wird über einen 75-Ohm-Widerstand 68 geliefert. Die andere Schaltung 48 enthält vier diodengesteuerte Einζelschaltungen 70, 72, 74 und 76.

Die diodengesteuerte Schaltung 70 enthält einen ersten Zweig aus einer Diode 78, einem 1000-Ohm-Widerstaiid 80 und einer Vorspannungsquelle 82, die eine Spannung V^ von -75 Millivolt liefert. Parallel zum ersten Zweig liegt ein zweiter Zweig aus einer zweiten Diode 84, einem 1020-Ohm-Widerstand 86 und einer Vorspannungsquelle 88, die eine Vorspannung Vp von -86 Millivolt liefert. Die diodengesteuerte Schaltung enthält eine erste Reihenschaltung aus einer Diode 90, einem 845-Ohm-Widerstand 92 und einer Vorspannungsquelle 94 für eine Spannung V, von +255 Millivolt, und parallel dazu eine zweite Reihenschaltung aus einer Diode 96, einem 887-Ohm-Widerstand 98 und einer Vorspannungsquelle 100 für eine Vor- _ spannung V^ von +50 Millivolt. Die diodengesteuerte Schaltung 74 enthält eine erste Reihenschaltung aus einer Diode 102, einem 649-Ohm-Widerstand 104 und einer Vorspannungs-

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■^:- ' 34H990

quelle 106 für eine Vorspannung Ve von 157 Millivolt, und parallel dazu eine »weite Reihenschaltung aus einer Diode 108, einem 649-0hm~Widerstand 110 und einer Vorspannungsquelle 112, die eine Spannung Vg von +124 Millivolt liefert.

Der Widerstand 104 hat ebenso wie der Widerstand 110 einen Wert von 649 Ohm. Die diodengesbeuertβ Schaltung 76 enthalt eine erste Reihenschaltung aus einer Diode 114, einem 499-Ohm-Widerstand 116 und einer Vorspannungsquelle 118 für eine Spannung V« von 390 Millivolt, und parallel dazu eine zweite Reihenschaltung aus einer Diode 120, einem 499-Ohm-Widerstand .122 und einer Vorspannungsquelle 124, die eine Vorspannung

V_Q von 275 Millivolt liefert,
ö

Im Betrieb liefert im unteren Spannungsbereich die Reihe der Verstärker 50 bis 58 den Teil T^ der Transformationsfunktion, also die Punktion

wobei die Steigung auf dem Wert ηΒ/Vpg gehalten wird. Wenn die Spannung hoher wird, schalten sich die verschiedenen Dioden in den diodengesteuerten Schaltungen 70 bis 76 ein und vermindern dadurch die Verstärkung, die Steigung abzuflachen und den zweiten Teil T^ der Transformationsfunktion 44 zu liefern, der durch folgende Gleichung definiert ist:

τ_ο(ν) = 23Ul . (28)

Wenn zum Beispiel die Spannung genügend ansteigt , um am Auggang des Verstärkers 56 die notwendigen 0,975 Volt zu erzeugen, die gleich der Summe der etwa 0,7 Volt betragenden Durchlaßspannung der Diode 120 und der Spannung V_fl von 275 Millivolt sind, dann leitet die Diode 120, und die Ver-Stärkung am Ausgang wird vermindert, so daß die Steigung der Kurve abzunehmen beginnt. Wenn dann die Spannung weiter ansteigt, so daß die über die Diode 114 gemessene Spannung

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den Wert 1,09 Volt erreicht, also die Summe von 0,7 Volt und der Vorspannung V₁-, von 390 Millivolt, dann leitet diese Diode ebenfalls· Dadurch vermindert sich der Gesamtwiderstand der Schaltung 76 auf die HSIfte, von 499 Ohm auf 249 5 Ohm. Dieser Widerstand bildet zusammen mit dem 249-0hm-Widerstand 266 am Ausgang des Verstärkers 56 einen Spannungsteiler, der die Verstärkung um einen Faktor 2 vermindert· Die ursprünglich auf dem Wert 2,3 liegende Verstärkung des Verstärkers 56 ist nun auf den Wert 1,15 reduziert, womit der zweite Schritt der Steigungsverminderung durchgeführt ist. Die gleiche Schaltfolge findet in den diodengesteuerten Schaltungen 74, 72 und 70 statt. In der Schaltung 74 ist der Reduktionsfaktor gleich 1,77» so daß die Verstärkung nur auf 1,3 vermindert wird. In der Schaltung 72 ist der Reduktionsfaktor gleich 1,58, so daß die Verstärkung dort auf nur 1,45 vermindert wird. In der Schaltung 70 ist der ReauktdonBfnktor gloloh 1,49, so daß die VerebHrkung dort nur auf 1,54 vermindert wird. Auf diese Weise wird die übertragungs- oder Transformationskurve 44 mit glatten übergängen in Segmenten zusammengesetzt, um die definierte Funktion

(γ) = £011 (28)

zu erreichen. Die Anzahl der Verstärker und Dioden ist nicht auf die in Fig. 7 dargestellte Menge begrenzt sondern kann jeweils passend gewählt werden, um die gewünschte Anzahl von Schritten für die Zusammensetzung der Übertragungskurve zu erreichen. Außerdem müssen zur Konstruktion der Übertragungskurve nicht unbedingt die dargestellten speziellen Verstärker- und Diodenschaltungen verwendet werden, vielmehr sind hierzu auch andere Schaltungen möglich. So kann zum Beispiel eine pegelfühlende Schaltung verwendet werden, um die Spannung zu überwachen und selektiv die passenden Dämpfungsglieder einzuschalten oder die Verstärkung von Verstärkern zu ändern, so daß die gewünschte Übertragungskurve erhalten wird.

Durch Anwendung der Erfindung wird die Anzahl der erforder-

- 24-

~ 24 -

1 lichen Bits im A/D-Wandler 42 auf nicht mehr als 9 reduziert, wie nachstehend näher erläutert wird· Es ist bekannt, daß

code

5 .

wobei δip das neue Digitalisierungsinfcervall iet, welches zur Digitalisierung der Funktion T verwendet wird. Ferner gilt

J3pn

und

<r_T - ij 3 _T

Daraus folgt: 15

so daß

code -^— =/=cN , (44)

^Ncode Wie man weiß, ist die

Anzahl der Bits » 1ο%^2.τ\^ΊΙ . (46)

Im Falle N - 40 000 Photonen gilt also für die Bit-Anzahl Bt

(47)

(48) W) (50)

	55	B =	Iog₂2 η /	40 000
30 d.h. für	Ά	- 1i
	B	- Iog₂2'1	*.2OO
oder
	B	= Iog₂400
also:
B	- 8,7

■ ' " 3414230

Die erforderliche Anzahl von Bits ist also von ursprünglich zwölf auf nunmehr neun vermindert, und dies bedeutet eine wesentliche Reduzierung der Größe und Kosten für alle notwendigen nachgeschalteten informationsverarbeitenden Einrichtungen· Außerdem wird bei dieser Technik die Übercodierung der Information vermieden, welche die Entropie der Daten über deren Informationsinhalt hinaus erhöht. Dank dieser Tatsache kann man bei Verwendung von Daten, die gemSß der Erfindung codiert sind, eine viel wirksamere Datenpressung vornehmen· Unter bestimmten typischen Umstanden können beispielsweise die 9-Bit-Daten auf drei oder vier Bits gepreßt werden, während man die typischen 12-Bit-Daten nur auf ungefähr sechs Bits vermindern konnte.

- Leerseite -

Claims

Patentansprüche

Adaptive Digitalisierungsschaltung für ein nachrichtenverarbeitendes System, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Entropiefilter (40) enthält, welches aus einem empfangenen Informationssignal V, das einen variablen Rauschpegel o*_v als Funktion von V aufweist, ein transformiertes Signal T erzeugt, in welchem der transformierte Rauschpegel σ*» über den Dynamikbereich des Signals konstant ist·

2. Adaptive Digitalisierungsschaltung nach Anspruch 1, da-. durch gekennzeichnet, daß sie ferner einen Analog/Digital-Wandler (42) enthält, in welchem das Verhältnis tfij/S rp zwischen dem Rauschpegel o*_T des transformierten Signals und dem Digitalisierungsintervall & _T über den Dynamikbereich des Signals T konstant ist·

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Λ 3· Adaptive Digitalisierungssohaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Entropiefilter (40) das transformierte Signal T als folgende Funktion von V erzeugt*

^T(T)" \ s^n ^{aT + σ}

4. Adaptive Digitalisierungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der variable Rauschpegel tf_v ein konstantes elektronisches Rauschen er und ein variables Photonenrauschen O^ enthält, um ein transformiertes Signal zu erzeugen, welches einen über den Dynamikbereich des Signals konstanten transformierten Rauschpegel aufweist·

5. Adaptive Digitalisierungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Entropiefilter (40) eine erste Transformierungsschaltung enthält, die vom Wert 0 bis zum Kreuzungspunkt von o" und σ^ eine erste Transformationsfunktion T- hat, und eine zweite Transformierungsschaltung, die oberhalb des erwähnten Kreuzungspunk tes eine zweite Transformationsfunktion Tg hat.

6. Adaptive Digitalisierungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Transformationsschaltung (46) eine Verstärkeranordnung (50 bis 58) enthält, um an ihrem Ausgang die erste Transformationsfunktion zu realisieren.

7. Adaptive Digitalisierungsschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Transformationsschaltung (48) eine Steueranordnung (70 bis 76) enthält, um die Steigung des Ausgangssignals der Verstärkeranordnung (46) zur Realisierung der zweiten Transformationsfunktion zu modifizieren.

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8. Adaptive Digitalisierungeschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkeranordnung mehrere Verstärkerstufen (50 bis 58) enthalt und daß die Steueranordnung mehrere spannungsempfindliche Stromleitungselemente (78, 84, 90, 96, 102, 108, 114-, 120)

enthält, deren Leitwerte sich mit ansteigendem Informationssignal V schrittweise nacheinander erhöhen, um das Ausgangssignal einer jeweils zugeordneten Verstärkerstufe zu vermindern·
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9· Adaptive Digitalisierungsschaltung für ein nachriohtenverarbeitendes System, gekennzeichnet durch:

ein Entropiefilter (4-0), das aus einem Informationssignal V, welches einen variablen Rauschpegel o*_v als Funktion von V hat, ein transformiertes Signal T erzeugt, in welchem der transformierte Rauschpegel cf™ über den Dynamikbereioh des Signals konstant ist}

einen Analog/Digital-Wandler (42), in welchem das Verhältnis cfm/$> m zwischen dem Rauschpegel o"_T des transformierten Signals und dem Digital!sierungsintervall £ _T über den Dynamikbereich von T konstant ist·

10, Adaptive Digitalisierungsschaltung für ein nachrichtenverarbeitendes System, gekennzeichnet durch: ein Entropiefilter (4-0), das aus einem Informationssignal V, welches einen variablen Rauschpegel o*_v hat, der ein konstantes elektronisches Rauschen rf und ein

variables Photonenrauschen <r$ enthält, ein transformiertes. Signal erzeugt, welches einen über seinen Dynamik- bereich konstanten transformierten Rauschpegel aufweist, und das eine erste Transformationsschaltung (46) enthält, die vom Pegel 0 bis zum Kreuzungspunkt von er und tfy eine erste Transformationsfunktion T. hat, und eine zweite Transformationsschaltung, die oberhalb des erwähnten Kreuzungspunktes eine zweite Transformationsfunktion Tg hat;

einen Analog/Digital-Wandler (42), in welchem das Ver-

«μ *φ· mm

hältnis tim/h _τ zwischen dem Rauschpegel OT^ des transformierten Signals und dem Digitalisierungsintervall δ »konstant ist.

11. Adaptive Digitalisierungsschaltung für ein bildverarbeitendes System, gekennzeichnet durch:

ein Entropiefilter (40), das aus einem Bildsignal V₁ welches einen variablen Rauschpegel o*_v hat, der sich aus einem konstanten elektronischen Rauschen o*. und einem variablen Eigenrauschen o*£ zusammensetzt, ein Ausgangssignal erzeugt, welches einen über den Dynamikbereich des Bildsignals konstanten Rauschpegel hat, und das eine erste Transformierungsschaltung (46) aufweist, die im Bereich vom Pegel 0 bis zum Kreuzungspunkt von σ und <s% eine erste Transformationsfunktion T,. hat, und eine zweite Transformierungsschaltung (48), die ober halb des erwähnten Kreuzungspunktes eine zweite Tranβίο rmationsfunktion T₂ hat;

einen Analog/Digital-Wandler (42), in welchem das Verhältnis Oq/£ _τ zwischen dem Rauschpegel & _T des transformierten Signals und dem Digitalisierungsintervall 8 _τ konstant ist.

12. Adaptive Digitalisierungsschaltung für ein nachrichtenverarbeitendes System, dadurch gekennzeichnet,

daß sie ein Entropiefilter (40) aufweist, das aus einem Informationssignal V, welches einen variablen Rauschpegel o*y hat, der sich aus einem konstanten elektronischen Rauschen σ und einem variablen Eigenrauschen oV zusammensetzt, ein Ausgangssignal erzeugt, das einen über den Dynamikbereich des Informationssignals konstanten Rauschpegel hat;

daß das Entropiefilter eine erste Transformierungsschaltung (46) enthält, die im Bereich vom Pegel 0 bis zum Kreuzungspunkt von σ und ö& eine erste Transforms-

tionsfunktion «„-ir T)V-e._q

mit einer Steigung von ^ß/Vpg hat_t und eine zweite Transformierungsschaltung (48), die oberhalb des erwähnten Kreuzungspunktes eine zweite Transformationsfunktion

T₂(V) - 2t]

hat;

daß ein Analog/Digital-Wandler (42) vorgesehen ist, in welchem das Verhältnis o*_T/$ _T zwischen dem Rauschpegel Cm des transformierten Signals und dem Digitali-

Jk Λ Χ λ

' sierungsintervallo _T konstant ist.

13. Adaptive Digitalisierungsschaltung für ein bildverarbeitendes System, dadurch gekennzeichnet,

daß sie ein Entropiefilter (40) enthält, das aus einem '* Bildsignal V, welches einen variablen Rauschpegel σ_ν

. hat, der sich aus einem konstanten elektronischen Rauschen σ^ und einem variablen Eigenrauschen σν zusammensetzt, ein Ausgangssignal bildet, welches einen über den Dynamikbereich des Bildsignals konstanten Rauschpegel hat;

daß das Entropiefilter eine erste Transformierungsschaltung (46) enthält, die im Bereich vom Pegel O bis zum Kreuzungspunkt von ο*_θ und o*£ eine erste Transformationsfunktion

mit einer Steigung von ^S/Vpg hat, und eine zweite Transformierungsschaltung (48), die oberhalb des erwähnten Kreuzungspunktes eine zweite Transformationsfunktion 30

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hat;

daß ein Analog/Digital-Wandler (42) vorgesehen ist, y. in welchem das Verhältnis cr^/S.tjt zwischen dem Rauschpegel σ_τ des transformierten Signals und dem DigitalisierungsintervallS/p konstant ist.