DE3810916A1 - Delta-pulscodemodulation - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät für Delta-Pulscodemodula­ tion (DPCM) sowie Verfahren zur Ausbildung der Übertragungs­ funktion eines Kompressors für ein solches Gerät.

Bei der Speicherung oder Übertragung eines Videosignals eröffnet DPCM die Möglichkeit einer Verringerung der Datenrate. Bei einem vorgeschlagenen digitalen Zeitlupenpro­ zessor, der zur Speicherung einiger Sekunden eines Vidosig­ nals in einem Direktzugriffsspeicher (RAM) benötigt wird, tritt eine sehr große Datenmenge auf, die einen entsprechend großen Direktzugriffsspeicher erfordert. Wenn die Anzahl der Bits, die für die Darstellung der einzelnen Bildelemente (Pel) des Videosignals benötigt wird, reduziert werden könnte, ohne daß dadurch die Qualität des von dem reproduzierten Videosignal abgeleiteten Bildes unzumutbar beeinträchtigt würde, könnte die Größe des Direktzugriffsspeichers entsprechend verringert beziehungsweise die Speicherzeit für das Videosignal vergrößert werden.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines DPCM-Geräts zur Verarbeitung eines bereits in pulscodemodulierter Form (PCM) vorliegenden Eingangs-Videosignals X(i) und zur Erzeugung eines DPCM-Ausgangs-Videosignals TX zur Speicherung (oder Übertragung). Das Eingangs-Videosignal X(y) besteht aus aufeinanderfolgenden Digitalwörtern, im vorliegenden Beispiel handelt es sich um 8-Bit-Wörter, die aufeinander­ folgende Abtastproben darstellen und durch Abtasten und Pulscodemodulation eines analogen Videosignals gewonnen werden. Es sei angenommen, daß die Bits der einzelnen Digitalwörter parallel ankommen und in dem Gerät von Fig. 1 parallel verarbeitet werden. Dementsprechend sind die in Fig. 1 (und den nachfolgenden Figuren) dargestellten Elemente, falls erforderlich, durch Mehrfach-Bit-Busse oder sogenannte Highways miteinander verbunden.

DPCM beruht auf der genauen Vorhersage der einzelnen ankommenden Signalproben des Eingangs-Videosignals X(i) auf der Basis einer oder mehrerer zuvor empfangener Abtast­ proben. (Einige für Videosignale geeignete Prädiktions­ schemata sind weiter unten beschrieben.) Von jeder Eingangs- Abtastprobe wird ein Vorhersagewert für diese Eingangs- Abtastprobe subtrahiert, und das resultierende Differenz- oder Fehlersignal E(i) wird komprimiert und dann gespeichert oder übertragen. Ein Prädiktor 1 liefert ein Vorhersagewert- Signal X(p), das aufeinanderfolgende Vorhersage-Abtast­ probenwerte enthält, die von aufeinanderfolgenden Eingangs- Abtastproben subtrahiert werden sollen, indem das kompri­ mierte Fehlersignal E(i) expandiert wird und das Ergebnis zu dem Vorhersagewertsignal X(p) addiert wird. Und zwar wird das Vorhersagewertsignal X(p) von dem Eingangs-Videosignal X(i) in einer Einrichtung zur Erzeugung eines Fehler- oder Differenzsignals subtrahiert, die aus einem Addierer 2 mit zwei Eingängen besteht, der als Subtrahierer wirkt und das Fehlersignal E(i) erzeugt, welches eine Folge von Wörtern enthält, die jeweils den Fehler oder die Differenz zwischen einem Eingangs-Abtastprobenwort des Eingangs-Videosignals X(i) und einem Vorhersagewert für dieses Eingangs-Ab­ tastprobenwort darstellt. Das Fehlersignal E(i) wird von einem Kompressor 3 zu Wörtern komprimiert, die weniger Bits enthalten und das Ausgangs-Videosignal TX bilden, das gespeichert oder übertragen werden kann. Das Ausgangs- Videosignal TX wird außerdem einem Expander 4 zugeführt, der einen in dem Empfangsgerät für das Ausgangs-Videosignal TX vorhandenen Expander simuliert und ein Empfangs-Videosignal RX erzeugt. Das Empfangs-Videosignal RX wird einem Eingang des Addierers 5 mit zwei Eingängen zugeführt. Der Ausgang des Addierers 5, an dem das Empfangs-Fehlersignal X(o) erscheint, ist mit einem Eingang des Prädiktors 1 verbunden. Der Prädiktor 1 erzeugt das Vorhersagewertsignal X(p), das dem Addierer 2 zugeführt und in diesem von dem Eingangs- Videosignal X(i) subtrahiert wird. Das Vorhersagewertsignal X(p) wird außerdem dem anderen Eingang des Addierers 5 zugeführt und dort zu dem Empfangs-Videosignal RX addiert, wodurch das Empfangs-Fehlersignal X(o) erzeugt wird.

Das in Fig. 1 dargestellte Gerät besitzt ferner einen (nicht dargestellten) Taktimpulsgenerator, der dafür sorgt, daß die oben beschriebenen Operationsfolgen in jeder von einer Vielzahl aufeinanderfolgender Taktperioden stattfin­ den, die so groß sind wie der Zeitabstand T zwischen aufeinanderfolgenden Eingangs-Abtastprobenwörter des Eingangs-Videosignals X(i).

Fig. 2 zeigt das Blockschaltbild eines modifizierten DPCM- Geräts zur Verarbeitung eines Eingangs-Videosignals X(i). Der Kompressor 3 und der Expander 4 von Fig. 1 können in Form eines Kompanders 11 zusammengefaßt sein, der das Fehlersignal E(i) komprimiert und expandiert, um das Empfangs-Videosignal RX zu erzeugen. Dieses modifizierte Gerät erfordert ferner einen separaten Kompressor 12 mit ähnlicher Charakteristik wie der Kompressor 3 in Fig. 1 zur Erzeugung des Ausgangs-Videosignals TX. Eines der wich­ tigsten Merkmale des Geräts von Fig. 2 ist die Charakteri­ stik des Kompanders 11, die sich natürlich wiederholt in der Kombination des Kompressors 12 und des zugeordneten Expanders in dem Empfangsgerät.

In der Vergangenheit haben sich die Anstrengungen bezüglich der Übertragungskennlinie eines Kompanders wie des Kom­ panders 11 in Fig. 2 vor allem auf das statistische Verhalten des Fehlersignals E(i) gerichtet. Unter Verwendung von Standard-Testbildern und Datenerfassungseinrichtungen war es möglich, Wahrscheinlichkeitskarten des Fehlersignals E(i) aufzubauen. Unter Verwendung dieser Karten wurden Kompander entwickelt, die für Fehler großer Wahrscheinlich­ keit kleine Quantisierungsschritte vorsehen und für Fehler mit kleinerwerdender Wahrscheinlichkeit allmählich größer­ werdende Quantisierungsschritte. Dieses Verfahren ermöglicht eine statistische Filterung des Quantisierungsgeräuschs und führt für die Standard-Testbilder, die zur Erzeugung der Wahrscheinlichkeitskarten verwendet wurden, zu befriedigen­ den Ergebnissen.

In der Praxis stellt das Videosignal jedoch ein Bild dar, dessen spektraler Gehalt im wesentlichen nicht voraussagbar ist. Deshalb ergibt ein Kompander mit einer Übertragungs­ funktion, die auf dem Spektralgehalt von Standard-Testbil­ dern basiert, nicht notwendigerweise ein besonders gutes Ergebnis.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hier Abhilfe zu schaffen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Gerät zur Delta- Pulscodemodulation mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Erzeugung der Übertragungsfunktion eines einen Kompressor bildenden Speichers für ein Gerät zur Delta-Pulscodemodula­ tion.

Die erfindungsgemäße Ausbildung eines solchen Verfahrens ist in Anspruch 10 angegeben.

Im folgenden sei die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert:

Fig. 1 und 2 zeigen Blockdiagramme von Geräten zur Delta- Pulscodemodulation,

Fig. 3 ist eine Quantisierungskennlinie, die die Anzahl der Quantisierungspegel über der Eingangsfrequenz wieder­ gibt,

Fig. 4 zeigt eine Kennlinie der Größe des Vorhersagefehlers für Vollamplitude über der diagonalen Raumfrequenz,

Fig. 5 zeigt eine Kennlinie der maximal erforderlichen Quantisierungsstufengröße über dem Vorhersagefehler,

Fig. 6 zeigt ein Diagramm, das die Bildung der Quantisie­ rungsstufe für einen Kompander veranschaulicht,

Fig. 7 zeigt ein Diagramm des Grenzfalls der Quantisierungs­ schritte für einen Kompander,

Fig. 8 zeigt als Diagramm einen Teil eines Abtastwertfeldes eines Videosignals,

Fig. 9 zeigt eine mit Hilfe eines Computer erzeugte Darstellung des Vorhersagefehlers über der Vertikal- und der Horizontal-Frequenz,

Fig. 10 und 11 zeigen Blockschaltbilder von Ausführungsfor­ men des erfindungsgemäßen Geräts zur Delta- Pulscodemodulation.

Wie oben erwähnt wurde, hat man bei früheren Arbeiten zur Übertragungsfunktion eines Kompanders die größte Aufmerksam­ keit auf das statistische Verhalten des Fehlersignals gelegt. Um ein Videosignal in befriedigender Weise digital zu codieren, müssen insbesondere zwei Bedingungen erfüllt sein. Zunächst muß eine genügend große Anzahl von Luminanz­ pegeln vorhanden sein, um diskrete Graupegel unsichtbar zu machen. Sodann muß man eine genügend große Abtastfrequenz verwenden, um der maximalen Horizontalfrequenz gerecht zu werden. Letzteres entspricht der Forderung des Abtast­ theorems. Um ein Videosignal perfekt zu regenerieren, müssen theoretisch beide Bedingungen erfüllt sein. Es ist weniger offensichtlich, läßt sich jedoch nachweisen, daß eine hohe Raumfrequenz subjektiv weniger Luminanzpegel erfordert als eine niedrige Raumfrequenz. Mit anderen Worten, die Anzahl der zur Quantisierung eines Videosignals erforderlichen Bits ist subjektiv nicht für alle Raumfrequenzen und Amplituden konstant.

Als Extrembeispiel sei eine extrem schnelle Kante betrach­ tet, die aus einem abrupten Übergang von schwarz zu weiß besteht. Dies könnte tatsächlich durch ein einziges Bit dargestellt werden, wobei beispielsweise "0" schwarz und "1" weiß bedeutet. Als weiteres Extrembeispiel sei ein gleich­ förmiger Übergang von schwarz auf weiß betrachtet, der sich über eine vollständige horizontale Zeilenperiode erstreckt. Dies läßt sich als eine Rampenfunktion betrachten, deren Periode gleich der Periode einer horizontalen Zeile ist. Es ist allgemein anerkannt, daß hierzu 8 Bit erforderlich sind, weil etwa 256 verschiedene Luminanzpegel erforderlich sind, um dem menschlichen Auge den Eindruck eines stufenlosen Übergangs von schwarz auf weiß zu geben. Dies bedeutet, daß ein Kompander, der die Anzahl der für die Quantisierung verwendeten Bits dadurch reduzieren würde, daß beispiels­ weise die drei niedrigstwertigen Bits aus einem mit 8 Bit quantisierten Signal eliminiert werden, in dem ersten Beispiel einer schnellen Kante ein vollkommen befriedigendes Ergebnis liefert, in dem zweiten Beispiel eines Rampensig­ nals jedoch kein befriedigendes Ergebnis, weil hier für das Auge Luminanzschritte klar sichtbar sind. Allgemeiner ausgedrückt: Ein rampfenförmiger Signalverlauf mit einer Periodendauer von einer horizontalen Zeile zeigt die Grauskalaquantisierung ausgeprägter als ein rampenförmiger Signalverlauf mit wesentlich kürzerer Periode. Diese Beziehung zwischen der für eine befriedigende Quantisierung eines Bildelements erforderlichen Bit-Zahl und der Raumfre­ quenz wird bei dem weiter unten zu beschreibenden Kompander dazu verwendet, sichtbare Beeinträchtigungen in dem endgültigen Bild zu verringern, die von dem Quantisie­ rungsgeräusch herrühren.

Um diese Beziehung zu ermitteln, wurden Tests durchgeführt, bei denen beispielsweise ein Zonengittergenerator zur Synthetisierung von Raumfrequenzen mit in Abhängigkeit von der Anzahl der Luminanzpegel variierender Auflösung verwendet wurde. Dabei wurde ein linearer rampenförmiger Verlauf von schwarz zu weiß mit einer Periodendauer eingestellt, die einer horizontalen Zeilenperiode entsprach. Durch Ausschalten des niedrigstwertigen Bits war es möglich, Quantisierungsstufen erkennbar zu machen. Die Horizontalfre­ quenz wurde dann vergrößert, bis diese Quantisierungsstufen für einen Beobachter nicht mehr zu erkennen waren. Die Horizontalfrequenz, bei der dies der Fall war, wurde aufgezeichnet. Sodann wurde das nächste niedrigwertige Bit ausgeschaltet. Die Prozedur wurde solange wiederholt, bis man einen Satz von Punkten gewonnen hatte, die die kleinst­ mögliche Anzahl von Quantisierungspegeln ergaben, die für Raumfrequenzen von Null (Gleichspannung) bis zur Abtast­ frequenz verwendbar sind. Dies ist graphisch als Quanti­ sierungs-Wahrnehmungskurve in Fig. 3 dargestellt, in der die erforderliche Anzahl von Quantisierungspegeln als Ordinaten und die Eingangsfrequenzen in Bruchteilen der Abtastfrequenz Fs als Abszissen aufgetragen sind.

Bei einem DPCM-Gerät der oben anhand von Fig. 1 und 2 beschriebenen allgemeinen Art sollten der Kompander und der Prädiktor nicht als separate Einheiten betrachtet werden, da die Leistungsfähigkeit des Prädiktors die Größe des Fehlersignals E(i) in Abhängigkeit von der Richtung der Raumfrequenzen in dem von dem Videosignal repräsentierten Bild beeinflußt. Deshalb sollten die Eigenschaften des Kompanders vorzugsweise mit der Vorhersagerichtung in Einklang gebracht werden, die der Prädiktor im schlechtesten Fall liefert.

Dies geschieht durch Verwendung einer von einem Computer erzeugten Darstellung des maximalen Vorhersagefehlers in zwei Dimensionen. Fig. 4 zeigt in einer Kurve der Prädiktor­ fehlergröße die Größe des maximalen Fehlers längs der diagonalen Achse einer zweidimensionalen Prädiktorsimulation (die weiter unten in Verbindung mit Fig. 9 beschrieben ist). Die Prozentwerte der maximalen Fehler sind als Ordinaten über den Diagonalfrequenzen in Bruchteilen der Abtastfre­ quenz Fs als Abszissen aufgetragen.

Durch Dividieren der Quantisierungs-Wahrnehmungskurve von Fig. 3 durch die Kurve der Prädiktorfehlergröße von Fig. 4 (was deshalb möglich ist, weil beide Kurven über der Frequenz aufgetragen sind) erhält man die in Fig. 5 dargestellte Kurve der Stufengröße für den Kompander. Diese Division hat zur Folge, daß die in Prozentzahlen aus­ gedrückten Vorhersagefehler die Abszissen werden und die Ordinaten von den erforderlichen maximalen Quantisierungs­ stufengrößen gebildet sind, die der Kompander für einen gegebenen Vorhersagefehler benötigt. Somit gibt die in Fig. 5 dargestellte Kurve die Anzahl der Quantisierungspegel wieder, die der Kompander für einen gegebenen Vorhersagefeh­ ler benötigt, und der Vorhersagefehler ist bekannt, weil er gemäß dem in Fig. 4 wiedergegebenen Gesetz zur Eingangsfre­ quenz proportional ist. Wenn beispielsweise der Vorhersage­ fehler 50% beträgt, wie dies in Fig. 5 durch die gestrichel­ ten Linien angedeutet ist, sind etwa 35 Quantisierungspegel in dem Kompander erforderlich.

Die in Fig. 5 wiedergegebene Kurve der Quantisierungsgröße wird dann zur Entwicklung des erforderlichen Grenzfallkom­ panders verwendet, bei dem der Quantisierungseffekt aufgrund der Verringerung der Bitzahl gerade durch die Wirkung der hohen Raumfrequenz maskiert wird.

Dies geschieht folgendermaßen.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Gerät, bei dem das Eingangs- Videosignal X(i) irgendeinen von 256 unterschiedlichen Quantisierungspegeln haben kann, kann dann das dem Kompander 11 zugeführte Fehlersignal E(i) jeden beliebigen Wert in dem Hexadezimalbereich von minus FF bis plus FF haben. Da die Schleifenverstärkung in dem Kompander 11 nicht größer als 1 werden kann, das heißt das Ausgangssignal nicht größer werden kann als das Eingangssignal, wird für den Kompander 11 eine absteigende Treppenstufenkennlinie erzeugt. Fig. 6 zeigt die Konstruktion der Quantisierungsstufen. Die obere Kurve entspricht der Stufengrößenkurve von Fig. 5 mit komprimierten Ordinaten. Darunter befindet sich die Kompanderkennlinie, wobei die Ausgangssignale als Ordinaten und die Eingangssignale als Abszissen, jeweils in Hexadezi­ mal, dargestellt sind. Für den oberen Wert, das heißt ein Eingangssignal (Fehlersignal) von FF, muß das Ausgangssignal FF sein, und die Stufen müssen der geraden Linie von dem Punkt FF/FF zurück zum Koordinatenursprung folgen.

Von dem oberen Wert dieser geraden Linie folgt man der Linie zurück, bis die Kompanderstufengröße gleich der maximalen Stufengröße ist, das heißt die Stufe k ist gleich k in der oberen Kurve von Fig. 6. Dieser Punkt wird dann als nächster Quantisierungspegel gesetzt, und das Verfahren wird für die nächstfolgenden Schritte wiederholt: j = j, i = i, und so weiter, bis der ganze Bereich zurück zum Koordinatenursprung vervollständigt ist. Der Grenzfall für einen Bereich von 00 bis FF ist in Fig. 7 dargestellt. In diesem speziellen Beispiel wurde herausgefunden, daß 17 Schritte erforderlich sind, um ein positives Fehlersignal im Bereich von 00 bis FF zu übertragen, das heißt jeden beliebigen Kompander- Eingangswert im Bereich von 00 bis FF in einen von 17- Kompander-Ausgangswerten umzuwandeln. Die Stufen liegen bei 0, 1, 2, 3, 5, 8 E, 17, 21, 2 D, 3 C, 4 E, 66, 83, A 6, D 0 und FF. Man erkennt, daß für kleine Fehler (die niedrigen Frequenzen entsprechen) eine eins-zu-eins-Korelation zwischen Kompandereingangswert und -ausgangswert besteht, jedoch dann, wenn die Fehler in ihrer Größe zunehmen (was einer größerwerdenden Frequenz entspricht) ein zunehmend größerer Bereich von Eingangswerten sämtlich zu demselben Ausgangswert führen. Am oberen Ende des Bereichs liefern alle Eingangswerte von D 0 bis FF den Ausgangswert FF. Wenn man auch negative Fehler in Betracht zieht, sind insgesamt 33 Stufen (17 + 16) erforderlich. Dies ist eine unbequeme Zahl, da sie gerade zu groß ist, um mit 5 Bits dargestellt zu werden.

Die Kurve der maximalen Stufengröße im oberen Teil von Fig. 5 wird deshalb skaliert, indem man jeden Wert mit der gleichen Zahl multipliziert. Sodann wird das oben beschrie­ bene Verfahren mit dem Ziel wiederholt, die Anzahl der Stufen auf 32 oder gerade darunter zu verringern, so daß sie mit 5 Bit dargestellt werden kann. Alternativ kann erforder­ lichenfalls eine Skalierung durchgeführt werden, um die Kompander-Ausgangswerte durch irgendeine andere Anzahl von Bits wiedergeben zu können, zum Beispiel durch 3 oder 4 Bits. Dabei muß jedoch in Rechnung gestellt werden, daß eine solche Kompression nicht ohne größere Beeinträchtigung der Bildqualität durchführbar ist.

Beim oben erwähnten 5-Bit-Beispiel wird nun eine Tabelle erzeugt, die angibt, in welcher Weise die einzelnen Eingangs-Fehlersignale in dem Bereich von plus 255 bis minus 255 in einen der (beispielsweise) 32 Ausgangswerte umzuwan­ deln sind, die mit 0 bis 31 bezeichnet und durch einen 5- Bit-Ausgangswert dargestellt sind.

Zu diesem Zweck wird der Kompressor 12 von Fig. 2 als Speicher realisiert, vorzugsweise als PROM (programmierbarer Nurlesespeicher), der eine Nachschlagtabelle enthält und bei Empfang eines 8-Bit-Eingangswerts im (dezimalen) Bereich von minus 255 bis plus 255 diesen in einen 5-Bit-Ausgangswert umwandelt. Der Kompander 11 von Fig. 2 ist ebenfalls als PROM ausgebildet und umfaßt ein weiteres PROM, das eine Nachschlagtabelle enthält. Bei Empfang eines 5-Bit-Eingangs­ wert liefert er den entsprechenden 8-Bit-Ausgangswert. Ein dem letztgenannten PROM ähnliches PROM in dem Kompander 11 ist in dem Gerät zum Empfang des Empfangs-Videosignals TX vorgesehen.

Im folgenden sei der Prädiktor 1 von Fig. 1 und 2 näher betrachtet.

Der Prädiktor 1 soll den Wert jeder Eingangs-Signalprobe des Eingangs-Videosignals X(i) auf der Basis einer oder mehrerer der zuvor empfangenen Abtastproben vorhersagen. Die zur Verfügung stehenden Optionen bestehen darin, daß man vorhergehende Abtastproben in einer oder zwei räumlichen Dimensionen mit oder ohne Abtastproben aus der zeitlichen Dimension, das heißt von einem oder mehreren vorhergehenden Bildfeldern benutzt. Zur Vereinfachung seien hier nur Prädiktoren betrachtet, die vorangehende Abtastproben in einer oder zwei räumlichen Dimensionen verwenden. Selbstver­ ständlich läßt sich die Erfindung auch auf DPCM-Geräte mit anderen Prädiktoren anwenden.

Fig. 8 zeigt als Diagramm einen Teil eines Abtastprobenfel­ des eines Videosignals. Falls x die vorherzusagende Abtastprobe ist, liefert ein eindimensionaler Prädiktor
x = c, während ein zweidimensionaler Prädiktor beispielsweise
x = c + b-a liefern kann. Im letzteren Fall kann der Prädiktor-Aus­ gangswert außerhab des normalen Abtastprobenbereichs (0- 255) liegen und es müssen Vorkehrungen getroffen sein, um solche Überschreitungen oder Unterschreitungen zu berück­ sichtigen.

Unabhängig von der Form des gewählten Prädiktors 1 ist es möglich, mit Hilfe eines Computers Fehlergrößen für Eingangswerte mit voller Amplitude (ausgedrückt in Vertikal- und Horizontal-Frequenzen) zu generieren, so daß der maximale Fehler in jedem Punkt für alle Frequenz- und Phasenwerte berechnet wird. Das Ergebnis des oben erwähnten zweidimensionalen Prädiktors ist in Fig. 9 dargestellt, in der jede Zahl den Mittelpunkt eines Bereichs angibt. Beispielsweise steht 0 für 0 bis 5% Fehler, 3 für 25 bis 35% Fehler und A für 95 bis 100% Fehler. Ein Querschnitt von Koordinatenursprung zu dem Punkt maximalen Fehlers ergibt die in Fig. 4 dargestellte Kurve der Prädiktor-Fehlergröße.

Es sei noch einmal auf Fig. 1 und 2 Bezug genommen:

Die Schleifenberechnungszeit, das heißt die Zeit zur Durchführung der Reihe von Operationen, die beim Eintreffen jedes Worts des Eingangs-Videosignals X(y) ausgeführt werden, darf die Datenperiode des Signals X(i), das heißt den Abstand T der Wörter des Eingangs-Videosignals X(i), nicht überschreiten. Der kritische Pfad, der die Schleifen­ rechenzeit bestimmt, ist in Fig. 1 und 2 durch schraffierte Linien dargestellt. Wenn der Kompressor 3, der Expander 4 und der Kompander 11 als PROMs ausgebildet sind, wird die Schleifenrechenzeit durch die Zeiten bestimmt, die zur Durchführung der Additionen in den Addierern 2 und 3 und zum Auslesen der PROMs erforderlich sind, und die Zeitverzöge­ rung in dem Prädiktor 1.

Wenn man die oben angegebene einfachste Form des Prädiktors 1 betrachtet, bei der jeder Vorhersagewert der Eingangs- Abtastprobe von dem zuvor empfangenen Wert gebildet ist, besteht der Prädiktor 1 aus einem Verzögerungselement, das eine Verzögerung verursacht, die gleich dem Abstand T ist und mathematisch als Z ^-1 dargestellt wird. Das Verzögerungs­ element ist eine Halteschaltung (genauer gesagt, eine Gruppe von parallel arbeitenden Halteschaltungen, deren Zahl der Anzahl der Bits in jedem Eingangswort entspricht), die im Abstand T getriggert wird. In diesem Fall wird die Schlei­ fenrechenzeit durch die zur Durchführung der Additionen in den Addierern 2 und 5 benötigten Zeiten bestimmt, ferner die Zeit zum Auslesen der PROMs und die Einstell- und Ausbrei­ tungszeiten der den Prädiktor 1 bildenden Halteschaltung. Falls das in Fig. 2 dargestellte DPCM-Gerät beispielsweise in Transistor-Transistor-Logik (TTL) realisiert ist und der Prädiktor 1, wie beschrieben, aus einer einzigen Halteschal­ tung besteht, ist die kürzeste der Zeit erreichbare Schleifenrechenzeit etwa 70 ns. Das heißt, der Abstand T muß größer sein als etwa 70 ns.

Im allgemeinen ist der Prädiktor 1 natürlich komplexer aufgebaut und verwendet mehrere der vorhergehenden Abtast­ proben. Deshalb befinden sich weitere Elemente in dem kritischen Pfad, so daß die Schleifenrechenzeit vergrößert wird.

Fig. 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel des DPCM-Geräts mit einem in allgemeiner Form dargestellten Prädiktor 1, der zur Bildung der einzelnen Abtastproben-Vorhersagewerte jeweils mehrere (n + 1) vorangehende Abtastproben verwendet. Der Prädiktor 1 umfaßt (n + 1) Halteschaltungen (Z ^-1-Verzögerungs­ elemente) L 0 bis Ln, die hintereinander geschaltet sind. Ein Ausgang jeder der Halteschaltungen L 0 bis Ln ist mit jeweils einem von (n + 1) Multiplizierern M 0 bis Mn verbunden, in denen eine von dazugehörigen Halteschaltung zugeführten Abtastprobe mit jeweils von (n + 1) aus mehreren Bits bestehenden Gewichtskoeffizienten ko bis kn multipliziert wird, bevor sie zu einer Summiereinrichtung 31 weiterge­ leitet wird. Die Summiereinrichtung 31 addiert die (n + 1) Eingangssignale, die ihr von den Multiplizierern M 0 bis Mn zugeführt werden, und erzeugt das Vorhersagewertsignal X(p).

Der Prädiktor 1 von Fig. 10 arbeitet in folgender Weise: Während aufeinanderfolgender Taktperioden werden die von dem Addierer 5 ankommenden Abtastproben durch die Halteschaltun­ gen L 0 bis Ln getaktet. Dies geschieht ähnlich wie bei einem Schieberegister. So halten die Halteschaltungen L 0 bis Ln die vorangehenden (n + 1) Abtastproben des von dem Addierer 5 aufgenommenen Fehlersignals X(o). Während jeder Taktperiode werden die Inhalte aller Halteschaltungen L 0 bis Ln in die Multiplizierer M 0 bis Mn eingelesen und dort mit den entsprechenden Gewichtungskoeffizienten ko-kn multi­ pliziert. Die Werte dieser Gewichtungskoeffizienten sind so gewählt, daß sie die (n + 1) Abtastproben in der der gewünsch­ ten Prädiktionscharakteristik entsprechenden Weise gewich­ ten. Die resultierenden (n + 1) Produktwörter oder Abtastpro­ ben aus den Multiplizierern M 0 bis Mn werden der Summierein­ richtung 31 zugeführt und - noch während derselben Taktperi­ ode - zueinander addiert, so daß eine einzelne Vorhersage- Abtastprobe des Vorhersage-Abtastproben-Signals X(p) erzeugt wird.

Es sei hier erwähnt, daß die Anzahl der Halteschaltungen (Z ^-1-Verzögerungselemente) in dem Prädiktor in Abhängigkeit von der gewünschten Vorhersagegenauigkeit beliebig gewählt werden kann. Der Prädiktor 1 von Fig. 10 gleicht einem endlichen Impulsantwortfilter, wie es bei der Bildsignal­ verarbeitung verwendet wird. Bei der Realisierung des Prädiktors von Fig. 10 können deshalb die vom Entwurf solcher Filter bekannten Verfahren Anwendung finden. In Fig. 10 ist wie in Fig. 1 und 2 der für die Schleifenrechenzeit kritische Pfad durch schraffierte Linien dargestellt. Wie bei dem einfachen Prädiktor, der aus einer einzigen Halteschaltung besteht, wird die Schleifenrechenzeit durch die Zeit bestimmt, die zur Durchführung der Additionen in den Addierern 2 und 5 bestimmt werden, ferner die zum Auslesen der PROMs erforder­ liche Zeit, sowie die Einstell- und Ausbreitungszeiten einer Halteschaltung. Zusätzlich umfaßt die Schleifenrechenzeit jedoch:

• (i) die Zeit für die Durchführung der Multiplikation in den Multiplizierern M 0 bis Mn. Da diese parallel arbeiten, entspricht diese Zeit (unter der Voraus­ setzung, daß alle gleich schnell arbeiten) der Arbeitszeitverzögerung eines Multiplizierers beziehungsweise des am langsamsten arbeitenden Multiplizierers, sowie
• (ii) die Zeit, die die Summiereinrichtung 31 zum Addieren der von den (n + 1) Multiplizierern M 0 bis Mn kommenden (n + 1) Produkte und zur Erzeugung der Vorhersage-Abtastprobe.

Die für das Multiplizieren zusätzliche erforderliche Zeit hängt davon ab, ob die Gewichtungskoeffizienten ko bis kn binäre Koeffizienten sind, das heißt einen Wert 2 ^p haben (worin p eine ganze Zahl ist). Bei binären Koeffizienten entsteht eine Verzögerung, da die der Multiplikation äquiva­ lente Operation dadurch vorgenommen wird, daß lediglich der Stellenwert der Bits der von den Halteschaltungen L 0 bis Ln an die Summiereinrichtung 31 gegebenen Wörter um p Stellen nach oben oder nach unten verschoben wird. Die binären Koeffizien­ ten können Bruchzahlen sein oder größer als eins, der Bereich für p reicht (bei einem 8-Bit-Wort) von -7 bis oo. Üblicher­ weise wird eine Verschiebung nach unten stattfinden, da die Addition in der Summiereinrichtung 31 einen Ausgangswert liefert, der aus Stabilitätsgründen bei Gleichstrom (gleicher Wert der Eingangswörter) kleiner oder gleich 1 ist. Falls die Gewichtungskoeffizienten jedoch keine binären Koeffizienten sind, müssen die Multiplizierer M 0 bis Mn verwendet werden und es müssen beträchtliche zusätzliche Zeitbeträge zur Durchfüh­ rung der Multiplikationen angesetzt werden.

Die Zeit, die die Summiereinrichtung 41 zum Addieren der (n + 1) Produkte benötigt, ist im allgemeinen erheblich größer als die Zeit, die für das Multiplizieren benötigt wird, dies selbst dann, wenn die Gewichtungskoeffizienten nicht binär sind und deshalb die Schleifenrechenzeit ungünstig beeinflussen. Der Grund hierfür liegt darin, daß die Summiereinrichtung 41 dann, wenn die Anzahl der in dem Prädiktor 1 zu verarbeitenden Abtastproben größer ist als zwei, aus einer Gruppe von Addierern besteht, die jeweils nur zwei Wörter addieren können, und wenigstens einige dieser Addierer innerhalb derselben Taktperiode nacheinander arbeiten müssen.

Wenn man die Konfiguration des Prädiktors in der Weise modifiziert, daß die Addierer zwischen den Verzögerungsele­ menten so verteilt sind, daß alle Addierer in jeder Takt­ periode gleichzeitig arbeiten, erhält man im wesentlichen den gleichen Effekt wie bei dem Prädiktor 1 des Geräts von Fig. 10. Trotz der Tatsache, daß die Addition nicht als ab­ schließender Schritt durchgeführt wird, nachdem alle Wörter in ihre korrekte zeitliche Beziehung gebracht und gewichtet sind, ist das "Netto"-Ergebnis dasselbe. Wie weiter unten demon­ striert wird, erreicht man dieses Ergebnis jedoch in der Weise, daß die Schleifenrechenzeit von der Anzahl der bei der Berechnung der einzelnen Wörter des Vorhersagewertsignals X(p) unabhängig ist.

In Fig. 11 ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen DPCM-Geräts mit einem solchen Prädiktor dargestellt. Dieser Prädiktor, der mit 41 bezeichnet ist, besitzt wie der Prädiktor 1 des Geräts von Fig. 10 Halteschaltungen L 0 bis Ln und Multiplizierer M 0 bis Mn, denen die betreffeden Gewich­ tungskoeffizienten ko bis kn zugeführt werden. Der Prädiktor 41 umfaßt ferner Addierer A 0, A 1, A 2, A 3 usw.

Wie aus Fig. 11 erkennbar ist, bilden die Addierer A 0 usw., die Multiplizierer M 0 usw. und die Halteschaltungen (Verzöge­ rungselemente) L 1 ein Kettennetzwerk. Das empfangene Fehler­ signal X(o) wird über die Halteschaltung L 0 einer ersten Seite des Kettennetzwerks zugeführt, so daß jedes Wort von der Halteschaltung L 0 gleichzeitig an alle Multiplizierer M 0 usw. angelegt wird, die in den Maschen des Kettennetzwerks angeordnet sind. Die Addierer A 0 usw. sind an den Knoten­ punkten der zweiten Seite des Kettennetzwerks und die Halteschaltungen L 1 usw. zwischen den Addierern in der zweiten Seite des Kettennetzwerks angeordnet.

Während des Betriebs wird zu Beginn jeder Taktperiode dasselbe Wort des über die Halteschaltung L 0 zugeführten Empfang- Fehlersignals X(o) den Multiplizierern M 0 usw. zugeführt und von diesen gewichtet. Anschließend werden während desselben Taktzyklus die gewichteten Wörter mit Ausnahme des aus dem Multiplizierer Mn kommenden gewichteten Wortes in den jeweiligen Addierern A 0 usw. (die im wesentlichen gleichzeitig arbeiten) zu einem Wort addiert, das in den Halteschaltungen L 1 usw. während eines vorangehenden Taktzyklus gespeichert wurde. Bei seiner Wanderung in der oberen Hälfte des Ketten­ netzwerks von links nach rechts (gemäß der Darstellung in Fig. 11) wird zu jedem gewichteten Wort während jedes folgenden Taktzyklus ein gewichtetes Wort von einem vorangehenden Taktzyklus addiert. Somit ist, wie bei der Anordnung von Fig. 10, jedes von dem Prädiktor 41 erzeugte (von dem Addierer 40 abgegebene) Wort ein Vorhersagewert eines Eingangsworts auf der Basis mehrerer vorangehender Wörter des empfangenen Fehlersignals X(o). Die verschiedenen Additionsschritte wurden jedoch während einer Folge von Taktzyklen, bei denen das Wort durch das Kettennetzwerk getaktet wurde, von den simultan betätigten Addierern A 0 usw. und nicht sequentiell am Ende der einzelnen Taktzyklen durchgeführt.

Wie in Fig. 1, 2 und 10 ist der der Schleifenrechenzeit entsprechende kritische Pfad in Fig. 11 durch schraffierte Linien gekennzeichnet. Wie bei dem oben beschriebenen einfachen (aus einer Halteschaltung bestehenden) Prädiktor wird die Schleifenrechenzeit bestimmt durch die Zeiten, die für die Additionen in den Addierern 2 und 5 benötigt werden, die Zeit zum Auslesen des PROMs des Kompanders 11 und die Einstell- und Ausbreitungszeit einer einzelnen Halteschal­ tung, nämlich der Halteschaltung L 0. Zusätzlich wird die Schleifenrechenzeit bestimmt durch die, die für die Betätigung eines einzelnen Multiplizierers (des Multiplizierers M 0) und eines einzelnen Addierers (des Addierers A 0) benötigt wird. Somit vergrößert sich die Rechenzeit von 70 ns in dem obigen Beispiel für den Fall des einfachen (aus einer Halteschaltung bestehenden) Prädiktors in TTL-Technik bei dem in Fig. 11 dargestellten Fall auf etwa 90 ns, falls die Gewichtungskoeffi­ zienten binär sind, und auf etwas über 100 ns, falls die Gewichtungskoeffizienten nicht binär sind. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß die Schleifenrechenzeit sich im Gegensatz zum Beispiel von Fig. 10 nicht vergrößert, wenn die Zahl der "Abgriffe" (das heißt die Anzahl der für die Berechnung der einzelnen Vorhersagewerte verwendeten Abtast­ werte des empfangenen Fehlerworts) größer wird.

Claims (12)

1. Gerät für die Delta-Pulscodemodulation
mit Mitteln (2) zur Erzeugung eines Fehlersignals (E(i)), die ein Eingangs-Videosignal (X(i)) aufnehmen, das aus aufeinanderfolgenden, Video-Abtastproben darstellenden, Wörtern besteht und die (2) aus diesen ein Fehlersignal (E(i)) erzeugen, dessen aufeinanderfolgene Wörter jeweils die Differenz zwischen einem Wort des Eingangs-Videosignals (X(i)) und einem Vorhersagewert für dieses darstellen,
mit Mitteln (1, 12) zum Komprimieren und Expandieren des Fehlersignals (E(i)) und zur Erzeugung eines Empfang- Videosignals (RX)
mit einer Addiereinrichtung (5) zum Addieren aufeinanderfolgender Wörter des Empfangs-Videosignals zu aufeinanderfolgenden Wörtern eines die genannten Vorhersage­ werte repräsentierenden Vorhersagewertsignals (X(p)) und zur Erzeugung eines Empfangs-Fehlersignals (X(o))
sowie mit einem Prädiktor (1) zur Erzeugung des Vorhersagewertsignals (X(p)), der auf das Empfangs-Fehler­ signal (X(o)) anspricht,
dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsfunktion der genannten Mittel (1, 12) zum Komprimieren und Expandieren des Fehlersignals (E(i)) für jede in einem Bereich von Eingangsfrequenzen des Videosignals liegende Frequenz in Abhängigkeit von der minimalen Anzahl von Quantisierungspegeln festgelegt ist, die zur Quantisierung eines Bildelements eines Videosignals erforderlich sind, ohne daß die Quantisierungspegel visuell erkennbar sind.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (1, 12) zum Komprimieren und Expan­ dieren des Fehlersignals einen Speicher enthalten und daß die Festlegung der genannten Übertragungsfunktion folgende Schritte umfaßt:
Es wird für jede innerhalb eines Bereichs von Eingangs-Frequenzen des Videosignals liegende Frequenz die minimale Anzahl von Quantisierungspegeln bestimmt, die zur Quantisierung eines Bildelements des Videosignals erforder­ lich sind, ohne daß die Quantisierungspegel visuell erkennbar sind,
es wird der Fehler im Ausgangssignal des Prädiktors (1) für denselben Bereich von Eingangsfrequenzen bestimmt,
aus der genannten Anzahl von Quantisierungspegeln und den Fehlern wird die maximale Anzahl der für jeden Fehler­ wert erforderlichen Quantisierungspegel bestimmt,
aus der maximalen Anzahl von Quantisierungspegel wird eine Tabelle konstruiert, die im wesentlichen 2 ⁿ verschie­ dene Ausgangswerte des Kompressors zu jeweils einem Bereich einer entsprechenden Anzahl von aneinandergrenzenden Bereichen der dem Kompressor zugeführten Fehlerwörter in Abhängigkeit von der genannten maximalen Anzahl von Quantisierungspegeln in Beziehung setzt, die für die Fehlerwörter in dem entsprechenden Bereich erforderlich sind,
die Tabelle wird in dem Speicher gespeichert.

3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Festlegen der Übertragungsfunktion das Konstruieren einer weiteren Tabelle aus der erstgenannten Tabelle und das Speichern dieser weiteren Tabelle in dem Speicher umfaßt, wobei die weitere Tabelle die Invertierung der erstgenannten Tabelle bildet.

4. Gerät nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher ein programmierbarer Nurlesespeicher ist.

5. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Prädiktor (1) ein Kettennetzwerk ist mit Verzögerungselementen (L 0 usw.), die zwischen den Knoten in der einen Seite des Kettennetzwerks eingefügt sind.

6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an den Knotenpunkten der genannten Seite des Kettennetzwerks Addierer (A 0 usw.) angeordnet sind.

7. Gerät nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Prädiktor (1) Multiplizierer (M 0) enthält, die in die Querzweige des Kettennetzwerks eingefügt sind und denen jeweilige Gewichtungskoeffizienten zuführbar sind.

8. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (2) zur Erzeugung des Fehlersignals einen Subtrahierer enthält, dem das Vorher­ sagewertsignal (X(p)) zuführbar ist.

9. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (1, 12) zum Komprimieren und Expandieren des Fehlersignals einen Kompander (1) enthält und daß ein Kompressor (12) zum Komprimieren des Fehlersig­ nals vorgesehen ist.

10. Verfahren zum Festlegen der Übertragungsfunktion einen Kompressor bildenden Speichers in einem Gerät zur Delta- Pulscodemodulation zum Komprimieren von durch die Vorhersage aufeinanderfolgender N-Bit-Eingangswörter des genannten Geräts abgeleiteten beziehungsweise aufeinanderfolgender Abtastproben eines Videosignals darstellenden binären Wörtern in n-Bit-Ausgangswörter, wobei N größer ist als n, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
Es wird für jede innerhalb eines Bereichs von Eingangs-Frequenzen des Videosignals liegende Frequenz die minimale Anzahl von Quantisierungspegeln bestimmt, die zur Quantisierung eines Bildelements des Videosignals erforder­ lich sind, ohne daß die Quantisierungspegel visuell erkennbar sind,
es wird der Fehler in dem Ausgangssignal eines Prädiktors bestimmt, der für die Vorhersage des Werts der einzelnen Eingangswörter in Abhängigkeit von dem Wert oder den Werten wenigstens eines früheren Eingangsworts für den selben Bereich von Eingangsfrequenzen verwendet werden soll,
aus der genannten Anzahl von Quantisierungspegeln und den Fehlern wird die maximale Anzahl der für jeden Fehlerwert erforderlichen Quantisierungspegel bestimmt,
aus der maximalen Anzahl von Quantisierungspegeln wird eine Tabelle konstruiert, die im wesentlichen 2 ⁿ verschiedene Aus­ gangswerte des Kompressors zu jeweils einem Bereich einer entsprechenden Anzahl von aneinandergrenzenden Bereichen der dem Kompressor zugeführten Fehlerwörter in Abhängigkeit von der genannten maximalen Anzahl von Quantisierungspegeln in Beziehung setzt, die für die Fehlerwörter in dem entspre­ chenden Bereich erforderlich sind,
die Tabelle wird in dem Speicher gespeichert.

11. Verfahren zum Festlegen der Übertragungsfunktion einer einen Kompander bildenden Speichereinrichtung in einem Gerät zur Delta-Pulscodemodulation
zum Komprimieren von durch Vorhersage aufeinander­ folgender N-Bit-Eingangswörter des genannten Geräts abgeleite­ ten beziehungsweise aufeinanderfolgenden Abtastproben eines Videosignals bildenden binären Wörtern in n-Bit-Ausgangswör­ ter, wobei N größer ist als n,
und zum Expandieren der n-Bit-Ausgangswörter in entsprechende aufeinanderfolgende N-Bit-Ausgangswörter, die jeweils den genannten Eingangswörtern entsprechen,
mit folgenden Verfahrensschritten:
Es wird die genannte Tabelle gemäß den Verfahrens­ schritten von Anspruch 10 konstruiert,
diese Tabelle wird in einem Speicher der genannten Speichereinrichtung gespeichert,
aus der Tabelle wird eine weitere Tabelle konstru­ iert, die die Invertierung der erstgenannten Tabelle darstellt,
diese weitere Tabelle wird in einem Speicher der Speichereinrichtung gespeichert.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der oder jeder Speicher ein programmierbarer Nurlesespeicher ist.