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DPCM-Coder/Decoder mit adaptiv gesteuertem Quantisierer
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Die Erfindung betrifft einen DPCM-Coder/Decoder mit adaptiv gesteuertem
Quantisierer nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1/Oberbegriff des Patentanspruchs
2.
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Bei der DPCM-Codierung (Differenzpulscodemodulation) von Bildsignalen
wird die Bildqualität dadurch verbessert, daß in Abhängigkeit von der Bildvorlage
(Aktivität) zwischen verschiedenen Quantisierungskennlinien umgeschaltet wird. Eine
gute Bildqualität wird hierbei nur erzielt, wenn auch für die Steuerung des Quantisierers
der zuletzt für die Prädiktion verwendete Bildsignalwert mit berücksichtigt wird.
Dies führt jedoch zu Problemen mit der zur Verfügung stehenden Verarbeitungszeit.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen DPCM-Coder/Decoder mit adaptiv
gesteuertem Quantisierer für hohe Verarbeitungsgeschwindigkeiten anzugeben.
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Ausgehend von dem einleitend angegebenen DPCM-Coder/Decoder wird diese
Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1/Patentanspruchs
2 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausbildungen sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Bei dem erfindungsgemäßen DPCM-Coder/Decoder sind anstelle eines umschaltbaren
Quantisierers mehrere parallel arbeitende Quantisierer vorgesehen. Hierdurch braucht
die von der Verarbeitungsdauer her zeitkritische Steuerung erst dann eine Entscheidung
über die Auswahl der optimalen
Quantisierungskennlinie zu fällen,
wenn die DPCM-Signalwerte an den Ausgängen der Quantisierer oder gar an den Ausgängen
der an die Quantisiererausgänge angeschlossenen Addierer anliegen.
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Jedem Quantisierer ist ein entsprechender Codierer zugeordnet. Es
ist jedoch auch möglich, da hier keine Zeitprobleme bestehen und gegebenenfalls
eine Zwischenspeicherung der von den Quantisierern ausgegebenen DPCM-Signalwerte
erfolgen kann, einen gemeinsamen umschaltbaren Codierer für alle Quantisierer zu
verwenden, der jedoch wieder entsprechend umfangreich aufgebaut ist.
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Der DPCM-Decoder ist nach den selben Prinzipien aufgebaut.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Figuren näher
erläutert.
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Es zeigen Fig. 1 einen erfindungsgemäßen DPCM-Coder, Fig. 2 einen
zugehörigen DPCM-Decoder, Fig. 3 eine Variante des DPCM-Coders, Fig. 4 eine Darstellung
der zur Prädiktion verwendeten Bildsignalwerte, Fig. 5 ein Zeitdiagramm und Fig.
6 eine Ausführungsform eines Umschalters.
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Der in Fig. 1 dargestellte DPCM-Coder weicht im wesentlichen von einer
bekannten DPCM-Coderschaltung durch die Verwendung von mehreren Quantisierern Q1
bis Qn ab, deren Eingänge zusammengeschaltet sind. Der Eingang 1 des DPCM-Coders
ist über einen Subtrahierer SU mit den parallel geschalteten Quantisiereingängen
verbunden. Die Ausgänge der Quantisierer Q1 bis Qn sind mit den Eingängen eines
ersten Umschalters SW1 verbunden. Der Schalterausgang ist an den Eingang eines ersten
Addierers AO1 angeschlossen, dessen
Ausgang mit einem Prädiktor
P1 und mit einer Steuerung ST1 verbunden ist. Der Prädiktorausgang ist wiederum
an den zweiten Eingang des Addierers A01 und an den Subtraktionseingang des Subtrahierers
SU angeschlossen. Die Ausgänge der Quantisierer sind jeweils über einen Codierer
C1 bis Cn mit den Eingängen eines zweiten Umschalters SW verbunden, dessen Ausgang
2 gleichzeitig den DPCM-Coderausgang bildet. Beide Umschalter werden von der Steuerung
betätigt.
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Der in Fig. 2 dargestellte DPCM-Decoder entspricht im wesentlichen
der aus Addierer und Prädiktor bestehenden inneren Rechenschleife des DPCM-Coders.
Der Eingang 3 des DPCM-Decoders ist mit den parallel geschalteten Eingängen von
Decodierern DC1 bis DCn verbunden.- Die Ausgänge der Decodierer sind mit den Eingängen
eines dritten Umschalters SW3 verbunden, dessen Ausgang an den Eingang eines Addierers
A02 angeschlossen ist. Der Ausgang des Addierers bildet gleichzeitig den Ausgang
4 des DPCM-Decoders. Dieser ist mit den Eingängen eines Prädiktors P2 und einer
Steuerung ST2 verbunden. Der Ausgang des Prädiktors P2 ist auf den zweiten Eingang
des Addierers A02 zurückgeführt.
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Die Steuerung ST2 betätigt den Umschalter SW3. Die Prädiktoren und
die Steuerungen von DPCM-Coder und DPCM-Decoder sind funktionsmäßig identisch.
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Im DPCM-Coder werden in an sich bekannter Weise aus digitalisierten
Abtastwerten, beispielsweise kann es sich hier um Bildsignalwerte s handeln, zunächst
DPCM-Signalwerte gewonnen, die quantisiert ( JSq ) und anschließend in codierter
Form ( disc) ausgesendet werden. Der Ausgang des Addierers AO1 stellt den sogenannten
lokalen Ausgang dar, an dem die sogenannten rekonstruierten Bildsignalwerte Sr anliegen,
die auch beim DPCM-Decoder wiedergewonnen werden. Der Prädiktor P1 errechnet mit
Hilfe dieser rekonstruierten Bildsignalwerte einen sogenannten Schätzwert oder Prädiktionswert
s, der von dem am Eingang 1 anliegenden
Bildsignalwert s subtrahiert
wird. Der so gewonnene DPCM-Signalwert J s wird gleichzeitig mehreren Quantisierern
Q1 bis Qn, die unterschiedliche Quantisierungskennlinien aufweisen, zugeführt. An
ihren Ausgängen geben sie quantisierte DPCM-Signalwerte J Sql bis 2 Sqn ab.
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Der Steuerung ST1 wurde ebenso wie dem Prädiktor P1 derselbe rekonstruierte
Bildsignalwerte 5r zugeführt. Aufgrund von gespeicherten Bildsignalwerten, deren
Anzahl der eines Halbbildes oder ganzen Bildes entsprechen kann, wird in der Steuerung
die Entscheidung über die Verwendung einer optimalen Quantisierungskennlinie getroffen.
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Diese Entscheidung erfolgt sobald die quantisierten DPCM-Signalwerte
jSq an den Ausgängen der Quantisierer vorq liegen oder bereits zu einem Zeitpunkt,
der um die Umschaltzeit ?u des ersten Umschalters SW1 früher liegt. Die Entscheidungszeit
für die Steuerung beträgt nahezu eine Taktperiodendauer T vermindert um die Umschaltzeit
Tu und die Laufzeit ?tA des Addierers AO1. Die Betätigung des zweiten Umschalters
SW2 kann gegenüber der Betätigung des ersten Umschalters SW1 verzögert erfolgen.
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Der in Fig. 1 dargestellte DPCM-Coder gestattet mehrere Schaltungsvarianten.
So können beispielsweise die codierten DPCM-Signalwerte dSc parallel von den Quantisierern
ausgegeben werden. Da die Codierung und die Betätigung des zweiten Umschalters SW2
zeitlich unkritisch ist, kann auch ein steuerbarer Codierer an den Ausgang des ersten
Umschalters SW1 angeschaltet werden.
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Der in Fig. 2 dargestellte DPCM-Decoder setzt die empfangenen codierten
DPCM-Signalwerte ds zunächst in c unterschiedliche quantisierte DPCM-Signalwerte
ds bis ql um. um. In der Rechenschleife wurde bereits ein Schätzqn wert s ermittelt,
aus dem durch Addition mit dem ausgewählten quantisierten DPCM-SignalwertaS9 der
rekonq
struierte Bildsignalwert sr ermittelt wird. Der Steuerung
ST2 steht dieselbe Zeit zur Ermittlung der optimalen Quantisierungskennlinie zur
Verfügung.
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In Fig. 3 ist eine Variante des DPCM-Coders dargestellt, in Fig. 4
der zugehörige DPCM-Decoder. Die Ausgänge der Quantisierer (Q1 bis Qn) sind jeweils
an einen Eingang von jeweils einem Addierer Al bis An angeschlossen. Die Ausgänge
dieser Addierer sind mit den Eingängen des ersten Umschalters SW1 verbunden, dessen
Ausgang an die Eingänge des Prädiktors P1 und der Steuerung ST1 angeschlossen ist.
Der Ausgang des Prädiktors ist auf die parallel geschalteten zweiten Eingänge der
Addierer Al bis An und selbstverständlich wieder auf dem Subtraktionseingang des
Subtrahierers SU geführt.
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Die Eingänge des zweiten Umschalters SW2 sind direkt an die Ausgänge
der Quantisierer angeschlossen und der Ausgang des zweiten Umschalters ist mit dem
Eingang eines steuerbaren Codierers CO verbunden, der an seinem Ausgang 2 die codierten
DPCM-Signalwerte gsc abgibt.
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c Der DPCM-Decoder ist entsprechend der inneren Rechenschleife des
DPCM-Coders mit einer entsprechenden Anzahl von Addierern All bis Aln aufgebaut,
deren Eingänge jeweils an den Ausgang eines der Decodierer DC1 bis DCn angeschlossen
ist und deren zweite Eingänge ebenfalls parallel geschaltet und mit dem Ausgang
des Prädiktors P2 verbunden sind. Die Ausgänge der Addierer sind über den dritten
Umschalter SW3 mit den Eingängen des Prädiktors P2 unter Steuerung ST2 verbunden.
Der Ausgang des dritten Umschalters SW3 entspricht dem Ausgang 4 des DPCM-Decoders.
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Bei dieser Schaltungsvariante steht für die Steuerung nochmals eine
größere Verarbeitungszeit zur Verfügung.
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Sie entspricht einer Taktperiodendauer T vermindert um die Umschaltzeit
TU des Umschalters SW1 bzw. beim DPCM-Decoder SW2. Anhand des Zeitdiagrammes in
Fig. 5 soll dies näher erläutert werden. Zum Zeitpunkt t0 liegen die quantisierten
DPCM-Signalwerte sql bis sqn an den Ausgängen der Quantisierer Q1 bis Qn an. Nach
der Laufzeit TA der Addierer - der erste Umschalter SW1 wurde bereits zum Zeitpunkt
t1 betätigt - wird der Ausgang des ausgewählten Addierers anliegende rekonstruierte
Bildsignalwert Sr zum Zeitpunkt t2, also sobald er am Addiererausgang anliegt, den
Eingängen des Prädiktors P1 und der Steuerung ST1 zugeführt. Der Prädiktor errechnet
den neuen Schätzwert s (t3), vom anliegenden Bildsignalwert s wird dieser subtrahiert
(t4), der ermittelte DPCM-Signalwert Ä5 wird den Quantisierern Q1 bis Qn zugeführt,
die an ihren Ausgängen die neuen quantisierten DPCM-Signalwerte JSql bis JSqn abgeben(t10).
Zum Zeitpunkt t11 muß bereits der erste Umschalter SW1 von der Steuerung ST2 betätigt
werden, der somit nahezu eine ganze Abtastperiodendauer T zur Verfügung steht. Nach
der Umschaltzeit Zu liegen die rekonstruierten Bildsignalwerte an den Ausgängen
der Addierer Al bis An an.
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In Fig. 6 ist eine praktische Realisierung des zweiten Umschalters
mit Hilfe von Trennverstärkern (Buffer) T1 bis Tn mit 3-State-Ausgängen dargestellt.
Die jeweils ein Byte (8 Bits) umfassenden 3-State-Ausgänge der Quantisierer sind
parallel geschaltet und dem Eingang des umschaltbaren Codierers C10 verbunden, der
an seinem Ausgang 4 Bits breite Datenwörter abgibt.
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Mit Hilfe von 3-State-Ausgängen können ebenfalls die anderen Umschalter
realisiert werden. In einigen Schaltungsbeispielen können Quantisierer oder Addierer
mit 3-State-Ausgängen zur Realisierung der Umschalter verwendet werden. Ebenso ist
die Verwendung von Multiplexern
möglich. Auf weitere Einzelheiten
bei der Realisierung der Prädiktoren und der Steuerung soll hier nicht eingegangen
werden. Die Prädiktoren wird man in Abhängigkeit vom Verwendungszweck der geforderten
Bildqualität des vertretbaren Aufwandes auslegen. Die Funktion der Steuerung ist
wiederum von dem verwendeten Prädiktionsalgorithmus weitgehend bestimmt. Wegen der
erforderlichen hohen Geschwindigkeit wird die Steuerung beim heutigen Stand der
Technik hardwaremäßig realisiert. Speicher- und Rechenelemente der Steuerung und
des Prädiktors werden hierbei weitgehend gemeinsam verwendet.
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6 Figuren 9 Patentansprüche