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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Klemm- und
Verstärkerschaltungen und im besonderen auf eine digitale Klemm-
und Verstärkerschaltung zum Erzeugen einer neuen
Steuerwellenform von einer Eingangswellenform.
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In dem SMPTE Journal, Band 95, Nr. 3, März 1986 ist auf
Seite 298, Abbildung 6B ein digitaler Farbschlüsselgenerator
offenbart, welcher eine Klemm- und Verstärkerschaltung aufweist,
die eine Subtrahierschaltung umfaßt, bei deren Ausgang die
Differenz zwischen einer Eingangswellenform und einem Klemmpegel
erscheint, wobei dieses Differenzsignal nach dem Verarbeiten an
eine Verstärkungseinrichtung zum Verstärken der
Differenzwellenform durch einen Verstärkungswert geführt wird.
Die in diesem Dokument offenbarte Schaltung bildet die
Einleitung zu Anspruch 1.
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In der Fernsehtechnik werden Klemm- und
Verstärkerschaltungen für die Videoverarbeitung verwendet, bei
welcher eine Eingangswellenform mit einem Bezugspegel verglichen
wird und der Differenzwert verstärkt wird, der Pegel verschoben
und begrenzt ist, um eine Steuerwellenform zu erzeugen. Eine
typische Klemm- und Verstärkerschaltung, welche den Anwendern
bekannt ist, wird in Fig. 1 abgebildet. Zu den typischen
Anwendungsbereichen für Klemm- und Verstärkerschaltungen gehören
"Schiebe-", "Eigenschlüssel-" und "Tiefenwirkungen".
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Ein Schieben ist ein Verfahren, durch welches zwei
Videobilder zu einem Ausgangsbild kombiniert werden, indem der
Ausgang räumlich in zwei oder mehrere einzelne Räume geteilt
wird, wobei jeder dieser das entsprechende Video von einem der
Eingänge umfaßt. Fig. 2 zeigt einen einfachen "gespaltenen
Bildschirm"-Verschieber, bei welchem die linke Seite des
Ausgangsbildes die linke Seite einer ersten Eingabe umfaßt und
die rechte Seite des Ausgangsbildes die rechte Seite einer
zweite Eingabe umfaßt. Diese Wirkung wird durchgeführt, indem
erst eine Sägezahnwellenform erzeugt wird, welche eine niedrige
Spannung in Bereichen entsprechend der linken Seite des Bildes
ist und eine hohe Spannung in den Bereichen entsprechend der
rechten Seiten des Bildes ist, wie in Fig. 3 dargestellt. Diese
Wellenform wird der Eingang der Klemm- und Verstärkerschaltung,
wo sie mit einem Bezug oder einer Klemme und dem Differenzwert
verstärkt wird. Nach dem Pegelschieben und dem Begrenzen auf
einen geeigneten Bereich kann der resultierende Ausgang
verwendet werden, um den Steuereingang eines Mischers
anzutreiben, dessen zwei Eingänge die zwei Bilder sind.
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In Bereichen, in welchen die Sägezahnwellenform viel
geringer ist als die Klemmspannung, ist der Ausgang des
Vergleichers oder einer Subtrahierschaltung negativ. Der
negative Ausgang wird verstärkt und wird zu einer Steuerspannung
umgewandelt, welche es dem Mischer ermöglicht, das erste
Bildvideo einzuschalten. In dem umgekehrten Fall, ist der
Ausgang des Vergleichers positiv, wenn die Sägezahnwellenform
viel höher ist als die Klemmspannung. Der positive Ausgang wird
ähnlich zu einer Steuerspannung umgewandelt, welche es dem
Mischer ermöglicht, das zweite Bildvideo anzuschalten. Wenn die
Sägezahnwellenform in bezug auf den Pegel nahe der Klemmspannung
ist, dann ist der Ausgang des Vergleichers nahe zu null, was
abhängig von der Verstärkung des Verstärkers, nicht zu einem
Ausgangspegel führen kann, welcher den Mischer nicht ganz an
jede Begrenzung treibt, das heißt, der Mischer gibt eine
proportionale Mischung der beiden Eingangsbilder aus. Dieses
proportionale Mischen, welches an den Grenzen zwischen zwei
Bildern stattfindet, wird als "Weichheit" bezeichnet und liefert
einen Teilübergang von einem Bild zu einem anderen. Die Breite
des Weichheitsbereiches hängt von der Verstärkung des
Verstärkers und der Steigung der Sägezahnwellenform ab. Durch
das Bereitstellen einer Bedienungspersonensteuerung über die
Verstärker- und Klemmeinstellungen kann der übergangsbereich
räumlich von links nach rechts bewegt werden und seine Breite
kann variiert werden.
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Bei dem Eigenschlüsselbeispiel ist einer der beiden
Eingänge zu dem Mischer ebenso ein Eingang zu dem Vergleicher,
wie in Fig. 4 abgebildet. Wenn der Pegel in dem Bild unter dem
der Klemmspannung ist, dann bewirkt die resultierende
Steuerwellenform, daß der Mischer das erste. Bild ausgibt und
wenn der Pegel in dem Bild über der Klemmspannung ist, bewirkt
die resultierende Steuerwellenform, daß der Mischer das zweite
Bild ausgibt. In dieser Art nehmen helle oder hohe Pegel-
Bereiche des zweiten Bildes Priorität über das erste Bildvideo,
während dunkle oder niedrige Pegelgebiete des zweiten Bildes dem
ersten Bild untergeordnet werden. Wenn das zweite Bild
Buchstaben auf einem dunklen Hintergrund sind, wie in Fig. 5
abgebildet, dann sind diese Buchstaben über dem ersten Bild das
resultierende Bild.
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In einem weiteren Beispiel ist die Eingangswellenform
ein Signal, dessen Spannung proportional zu der zweiten
Bildtiefe ist oder ein Scheinabstand von dem Betrachter in dem
Bild oder ein Objekt in dem Bild. Wenn die Eingangswellenform
erzeugt wird, so daß "nahe" Tiefen hohe Pegel sind und "weite"
Tiefen niedrige Pegel relativ zu der Klemmspannung sind, dann
wird das zweite Bild in dem ersten Bild "verschwinden". In
diesem Fall stellt die Klemmspannung eine Tiefe dar, hinter
welcher der Betrachter das zweite Bild nicht sehen konnte. Durch
das Reduzieren der Verstärkung des Verstärkers, so daß der
Übergangsabstand ziemlich groß ist, wird ein allmähliches
"Schwinden" des zweiten Bildes bewirkt, wenn es von dem
Betrachter zu verschwinden scheint, wobei die Tiefenillusion
verbessert wird.
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Bei herkömmlichen analogen Implementierungen ist das
hauptsächliche Entwicklungshindernis ein Geräusch, da jedes
Geräusch, das auf der Eingangswellenform neben der Klemmspannung
erscheint, verstärkt wird und ein falsches oder ungerades
Mischen zwischen der zwei Bilder an dem Übergangspunkt bewirkt.
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Bei digitalen Systemen stellen Zufallsgeräusche weniger ein
Problem dar, besonders wenn die Eingangswellenform digital
erzeugt wurde, aber die Eingangswellenform muß allgemein von
vielen Bits dargestellt werden, um ähnliche Wirkungen aufgrund
von Quantisierungsgeräuschen zu vermeiden. Wenn nicht genügend
Genauigkeit für die Eingangswellenformdarstellung verwendet
wird, dann braucht eine Verstärkung, welche groß genug ist, den
gewünschten kleinen Übergangsbereich herzustellen, alle der Bits
auf und der Ausgang der Steuerwellenform zu dem Mischer springt
von dem ausgeschalteten, Bild eins, Pegel zu dem
eingeschalteten, Bild zwei, Pegel ohne dazwischenliegende
Schritte. Auf diagonalen Kanten bewirkt dies, daß der Übergang
"unscharf" oder treppengestuft aussieht anstatt einem
angenehmeren Verschwinden von einem Bild zu dem anderen. Wenn
die Anzahl der in der Eingangswellenform verwendeten Bits
ansteigt, dann wird die Verzerrung nicht mehr so ausgeprägt,
aber die Kosten der Klemm- und Verstärkerschaltung steigen
aufgrund der Komplexität und Kosten eines größeren
Multiplizierers.
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Eine weitere Implementierungsschwierigkeit in digitalen
Systemen ist der Wunsch, einen großen Bereich an
Verstärkungswerten zu haben. Eine typische Klemm- und
Verstärkerschaltung hat Verstärkungswerte so niedrig wie 0,00,
Schaltung aus und so hoch wie 512,0 bis 1024,0. Darüberhinaus
ist die bei kleinen Verstärkungen benötigte teilweise
Genauigkeit hoch, oft acht oder mehr Bits, um ein "Versetzen" zu
vermeiden oder einen bemerkbaren Sprung in der Übergangsbreite,
wenn die Verstärkung sanft variiert wird. Die kombinierte Anzahl
von Bits, welche für den Bereich und die Bruchgenauigkeit der
Verstärkungswerte erfordert werden, macht die Schaltung ebenso
teurer und komplexer. Das trifft im besonderen bei dem
Verstärkungsmultiplizierer zu, da die Anzahl der Bits, welche an
dem Ausgang des Multiplizierers benötigt werden, die Summe der
Anzahl der Bits an den zwei Eingängen ist. Für eine typische
Schaltung kann die Eingangswellenform bis zu zwanzig Bit
benötigen, welche nach dem Vergleicher einundzwanzig werden, und
der Verstärkungswert kann bis zu achtzehn Bits für eine
Ausgangsgenauigkeit von achtunddreißig Bits erfordern. Eine
typische Mischersteuerungswellenform ist nur zehn Bits, aber die
ganzen achtunddreißig Bits müssen erzeugt werden, um
sicherzustellen, daß bei Werte, welche über den Bereich liegen,
die Begrenzungen richtig erkannt und begrenzt werden.
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Was erwünscht ist, ist eine digitale Klemm- und
Verstärkerschaltung, welche Verzackungen und Verzahnungen
minimiert ohne die Anforderung an Verfielfachern mit einem
weiten dynamischen Bereich zur Reduzierung der Kosten und
Komplexität der Implementierung.
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In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird
eine digitale Klemm- und Verstärkerschaltung bereitgestellt,
welche eine Vergleichseinrichtung zum Vergleichen einer
Eingangswellenform mit einem Bezugspegel (Klemme) zur Erzeugung
einer Differenzwellenform aufweist und eine
Verstärkereinrichtung zum Verstärken der Differenzwellenform
durch einen Verstärkungswert, wobei die Eingangswellenform, der
Bezugspegel und die Differenzwellenform Digitalwerte sind,
dadurch gekennzeichnet, daß:
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die genannte Verstärkereinrichtung eine
Schiebeeinrichtung zum digitalen Schieben der genannten
Differenzwellenform gemäß eines Exponententeils des
Verstärkungswertes, welcher einen 2er-Potenzwert des
Verstärkungswertes darstellt und eine Einrichtung zum
Multiplizieren des Ausgangs von der Schiebeeinrichtung mit einem
Mantissenteil des Verstärkungswertes umfaßt, welcher einen
Bruchteil des Verstärkungswertes darstellt und weiterhin durch
eine Pegelschiebe- und einer Begrenzungseinrichtung zum
Pegelschieben und dem Begrenzen der verstärkten
Differenzwellenform zur Erzeugung einer Steuerwellenform
gekennzeichnet ist.
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Daher stellt die vorliegende Erfindung eine digitale
Klemm- und Verstärkerschaltung bereit, welche die
Verstärkungsvervielfachung in zwei Schritten behandelt. Der
Ausgang eines Vergleichers, welcher den Vergleich einer
Eingangswellenform mit einem Klemmpegel ausführt, wird in eine
Verstärkungsstufe mit zwei Teilen eingegeben, einen
Exponentenschieber, der von einem Mantissenvervielfacher gefolgt
wird. Der Exponentenschieber schiebt den Vergleicherausgang um
einige Bitzahlen und der Mantissenvervielfacher führt eine
Vervielfachung innerhalb des Bereiches von 0,0 bis gerade
weniger als 2,0 aus. Der gewünschte Verstärkungswert wird als
gewünschte 2er-Potenzvielfache in den Exponentenschieber
eingegeben und als Bruchverstärkungsteil in den
Mantissenvervielfacher. Der Ausgang des Vergleichers wird ebenso
in eine Überlauflogikschaltung eingegeben, um die Eingangswerte
zu testen, welche nach der Verstärkungsmultiplikation über der
Begrenzung sein werden. Die Ausgabe des Mantissenvervielfachers,
das Zeichenbit von dem Vergleicher und der Ausgang der
Überlauflogikschaltung werden in eine Verweistabelle eingegeben,
welche das Pegelschieben und das Begrenzen der
Mantissenvervielfacherausgabe zur Erzeugung einer neuen
Steuerwellenform liefert.
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Fig. 1 ist ein allgemeines Blockdiagramm einer Klemm-
und Verstärkerschaltung.
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Fig. 2 ist eine bildliche Abbildung einer
Schiebewirkung.
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Fig. 3 ist ein Wellenformdiagramm, welches den Betrieb
einer Klemm- und Verstärkerschaltung zeigt.
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Fig. 4 ist ein allgemeines Blockdiagramm einer Klemm-
und Verstärkerschaltung, welche zum Erzeugen einer
Eigenschlüsselwirkung verwendet wird.
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Fig. 5 ist eine bildliche Abbildung einer
Eigenschlüsselwirkung.
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Fig. 6 ist ein detailliertes Blockdiagramm einer Klemm-
und Verstärkerschaltung von Fig. 1 in Übereinstimmung mit der
vorliegenden Erfindung.
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Fig. 7 ist ein Blockdiagramm der Überlauflogik für die
Klemm- und Verstärkerschaltung von Fig. 6 in Übereinstimmung mit
der vorliegenden Erfindung.
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In bezug auf die Fig. 1, 4 und 6 wird eine
Eingangswellenform und ein Klemmpegel in einen Vergleicher (20)
eingegeben. Der Ausgang des Vergleichers (20) ist eine
Differenzwellenform, welche negativ ist, wo die
Eingangswellenform geringer ist als der Klemmpegel und positive
ist, wo die Eingangswellenform größer ist als der Klemmpegel.
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Die Differenzwellenform wird in einen Multiplizierer oder
Verstärkerstufe (30) eingegeben. Der Ausgang der Verstärkerstufe
(30) wird in einen Pegelschieber (40) eingegeben, wobei der
Ausgang dieser an einen Begrenzer (50) zur Erzeugung einer neuen
Steuerwellenform an dem Ausgang eingegeben wird. Die
Steuerwellenform wird nachfolgend an einen Mischer (60)
eingegeben, wo die zwei Videobilder kombiniert werden, wie von
der Steuerwellenform bestimmt. Für beste Ergebnisse ist die
Klemm- und Verstärkerschaltung digital, um die analogen
Geräuschprobleme zu eliminieren, wo die Eingangswellenform in
dem Wert nahe dem Klemmpegel ist. Die Eingangswellenform ist
typischerweise zwanzig Bits und der Ausgang des Vergleichers
(20) ist zwanzig Bit plus einem Zeichenbit für ganze
einundzwanzig Bit.
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Die Differenzwellenform wird an einem Schieber (21) in
der Verstärkerstufe (30) eingegeben. Der Verstärkungswert wird
in einen Exponentenverstärkungswert, welcher ein Vielfaches von
zwei ist und in einen Mantissenverstärkungswert geteilt, welcher
ein Bruchteil des Verstärkungswertes ist. Der
Exponentenverstärkungswert wird an dem Schieber (21) eingegeben,
um die Differenzwellenform folgend zu schieben, entsprechend der
Vervielfachung der Differenzwellenform mit einer 2er-Potenz. Der
Ausgang des Schiebers (21) wird dann in einen Multiplizierer
(23) eingegeben, wo er mit dem Mantissenverstärkungswert
multipliziert wird, welcher ein Wert zwischen 0,0 und gerade
weniger als 2,0 ist. Der resultierende Ausgang des
Multiplizierers (23) zusammen mit dem Zeichenbit von dem
Vergleicher (21) werden in eine Verweistabelle (45) eingegeben,
welche das Pegelschieben und die Begrenzungsfunktionen liefert,
um die neue Steuerwellenform an dem Ausgang zu erzeugen.
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Die Differenzwellenform wird ebenso in eine
Überlauflogikschaltung (25) eingegeben. Die Differenzwellenform
wird mit dem Exponentenverstärkungswert kombiniert, um zu
bestimmen, ob das Ergebnis der Multiplikation mit der
Verstärkungsstufe (30) ein Ergebnis erzeugen wird, welches
außerhalb der Begrenzung liegt. Ein Überlaufbit ist gesetzt,
wenn die Multiplikation einen solchen außerhalb der Begrenzung
liegenden Wert erzeugen würde. Das Überlaufbit wird in die
Verweistabelle (45) zusammen mit dem Zeichenbit eingegeben und
der Ausgang der Verweistabelle wird entweder auf den maximalen
oder den minimalen Wert in Übereinstimmung mit dem Zeichenbit
gesetzt, wodurch die Ausgabe des Multiplizierers (23)
ausgeschalten wird. Wie in Fig. 7 abgebildet, hat die
Überlauflogikschaltung (25) einen Prioritätscodierer (27), an
welchen die Differenzwellenform eingegeben wird. Der
Prioritätscodierer (27) bestimmt die Position des bedeutendsten
Bit der Differenzwellenform und entwickelt dementsprechend ein
Codewort. Für positive Zahlen ist dieses Bit das bedeutendste
"1" und für negative Zahlen ist dieses Bit das bedeutendste "0".
Das Codewort von dem Prioritätscodierer (27), welcher bevorzugt
eine PROM Verweistabelle ist, wird in einen Überlaufvergleicher
(29) eingegeben, in welchen ebenso der
Exponentenverstärkungswert eingegeben wird. Wenn der Vergleich
des Codewortes mit dem Exponentenverstärkungswert eine
Überlaufbedingung anzeigt, dann wird das Überlaufbit von dem
Überlaufvergleicher (29) gesetzt, welches anzeigt, daß die
Differenzwellenform außerhalb des Bereiches liegt, und die
Verweistabelle (45) verwendet das Zeichenbit zusammen mit dem
Überlaufbit, um die maximale (+) oder minimale (-)
Mischersteuerwellenform auszugeben. Wenn das Überlaufbit nicht
gesetzt ist, dann übersetzt die Verweistabelle (45) die Ausgabe
des Vervielfachers (23) zusammen mit dem Zeichenbit in die
gewünschte Ausgabe.
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Der gewünschte Verstärkungswert wird in die Klemm- und
Verstärkerschaltung (10) in einer standarisierten Gleitkommaform
eingegeben und wird entweder durch Software an der
Eingangsschnittstelle oder durch eine Hardwareverweistabelle in
einen Exponentenverstärkungswert und einem
Mantissenverstärkungswert gespalten. Tabelle I zeigt einige
typische Verstärkungswerte und die Umwandlung in Exponenten- und
Mantissenverstärkungswerte:
Tabelle I
Verstärkung Exponent Mantisse
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Die Exponenten- und Mantissenwerte fangen jeweils bei null für
eine Verstärkung von null an. Wenn die Verstärkung ansteigt,
folgt der Mantissenwert bis die Verstärkung gleich zwei ist, an
welchen Punkt der Exponent bis eins ansteigt und die Mantisse
zurück auf 1,00 fällt. Die Mantisse steigt dann weiterhin mit
der ansteigenden Verstärkung bis die Verstärkung 4.00 ist, wenn
die Exponente auf 2 ansteigt und die Mantisse wieder auf 1,00
fällt. Dies dauert die ganzen Verstärkungsbereiche, wobei die
Mantisse von 1,00 bis gerade unter 2,00 variiert, wobei der
Exponent bei jedem Vielfachen von zwei abfällt und inkrementiert
wird. Das hat die Wirkung des Reduzierens der Bruchgenauigkeit
des Verstärkungswertes für hohe Nummern und des Reduzierens der
Gesamtanzahl von Bits, welche von der Multiplizierstufe (30)
verarbeitet werden müssen.
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Der Multiplizierer (23) in der Multiplizierstufe (30)
ist ebenso viel geringer in der Anzahl der behandelten Bits als
die herkömmliche Entwicklung, da die vorliegende Erfindung nur
eine ganze Bruchverstärkungsgenauigkeit liefert, wenn notwendig
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- bei niedrigen Verstärkungen. Weiterhin ist die Ausgabe des
Multiplizierers (23) nur die Anzahl der Bits, welche für die
Mischersteuerwellenform erfordert werden, da die
Überlauferkennung als eine getrennte Schaltung behandelt wird.
Schließlich ist die Ausgabegenauigkeit und die Verstärkung
eingeschränkt, da die Eingabe von dem Schieber (21) nur die Bits
sind, welche zur Erzeugung der gewünschten
Mischersteuerwellenformgenauigkeit erfordert werden, nicht die
ganze Differenzwellenformgenauigkeit.
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Obwohl die Verweistabelle (45) das Pegelschieben und
die Begrenzungsfunktionen ausführt, könnten diese Funktionen
ebenso in getrennten Verweistabellen durchgeführt werden oder
von getrennten Schaltungen für besondere Zwecke verarbeitet
werden. Die Verweistabelle (45) kann ebenso verwendet werden, um
eine Wellenformung an die Mischersteuerwellenform anzubringen
wie zum Beispiel eine S-Formung, um plötzliche Übergänge an den
Grenzpunkten zum Reduzieren der Erscheinunung von "Machbändern"
oder Übergangsdifferentialdiskontinuitäten in der
Endvideoausgabe zu vermeiden.
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Daher stellt die vorliegende Erfindung eine digitale
Klemm- und Verstärkerschaltung bereit, welche einfacher und
kostengünstiger durch das Reduzieren der Größe des
Multiplizierers ist. Die Verstärkungsmultiplikation wird in zwei
Schritten behandelt: ein Exponentenschieben und eine
Mantissenvervielfachung. Es wird ebenso eine parallele
Überlauflogik verwendet, um die Anforderung an einen
Multiplizierer mit einem weiten dynamischen Bereich zu
vermeiden.