DE872069C - Anordnung zur Erzeugung von Kodeimpulsen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Breitbandübertragungssysteme, insbesondere auf Verschlüsselungseinrichtungen, die bei gewissen Verbesserungen solcher Systeme von Nutzen sind.
■ Es läßt sich durch Anwendung gewisser Grundlagen der statistischen Mechanik auf die Theorie der Nachrichtenverbindungen leicht zeigen, daß die meisten heutigen Nachrichtensysteme eine größere Kanalkapazität gebrauchen, als zur Definierung der Nachricht tatsächlich erforderlich ist. Das heißt die heutigen Systeme gebrauchen so viel Kanalkapazität, wie zur Übertragung vollkommen voneinander unabhängiger Signale notwendig ist. Typische Nachrichtensignalstücke (z. B. Sprache, Musik oder Fernsehen) enthalten jedoch ein beträchtliches Maß an Zusammenhängen und Wechselbeziehungen, die, in der Natur des Zeichens begründet, räumlicher (z. B. beim Fernsehen) oder zeitlicher Art sein können. Wenn man aus diesen Wechselbeziehungen Vorteile zieht, kann die notwendige Kanalkapazität eines Systems erheblich vermindert werden. In dem Ausmaß, wie die Wechselbeziehungen nicht benutzt werden, sinkt der Wirkungsgrad des Systems. Ein Verfahren, um die gegebenen Möglichkeiten auszunutzen, die in den meisten Nachrichtensignalen vorhanden sind, besteht darin, die statistische Wahrscheinlichkeit des Auftretens aller gegebenen Signale zu ermitteln und das Übertragungssystem vorzugsweise den Signalen anzupassen, deren Auftreten am wahrscheinlichsten ist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die für die Breitbandübertragung erforderliche Kanalkapazität dadurch zu verringern, daß die Nachrichtenelemente nach dem Wert der Wahrscheinlichkeit ihres Auftretens und nicht unter Verwendung der Amplitude oder eines der anderen bei den heutigen Systemen gewöhnlich benutzten Parameters verschlüsselt werden.

Die vorliegende Erfindung besteht in der Hauptsache aus einer nichtlinearen Auswertungseinrichtung, die auf Grund der statistischen Information, z. B. der Wahrscheinlichkeit des Auftretens der Amplitude eines bestimmten Nachrichtenelements, die Verschlüsselung vornimmt. Bei einem einfachen Ausführungsbeispiel, das hier mit Einfachschreiber (monogrammer) bezeichnet wird, werden die Nachrichtenelemente an die Ablenkplatten einer Kathodenstrahlröhre gelegt, so daß der Leuchtfleck auf dem Fluoreszenzschirm nacheinander an verschiedene Stellen gelangt, die den Amplituden der Nachrichtenelemente entsprechen. Vor dem Schirm ist eine Maske mit Flächen von verschiedenem Lichtdurchlass igkeitskoeffizienten angebracht, wobei jede Fläche einer der Leuchtfleckpositionen entspricht. Jeder Lichtdurchlässigkeitskoeffizient gehört zu einer bestimmten Signalamplitude und ist nach der Wahrscheinlichkeit des Auftretens des entsprechenden Nachrichtenelements gewählt. Das Licht, das durch die Flächen hindurchtritt, wenn der Leuchtfleck nacheinander von hinten auf die Flächen auftrifft, wird durch eine Fotozelle aufgefangen. So entsteht das zu übertragende Signal, as Eine ähnliche Einrichtung im Empfänger wandelt die die Wahrscheinlichkeit darstellenden Signalimpulsamplituden wieder in Signale um, die den ursprünglichen Nachrichtenamplituden proportional sind.

Offensichtlich sind die möglichen, zur Auswahl stehenden Werte für das nächste Element außerdem durch die Amplitude des vorausgehenden Elements begrenzt. Das heißt wenn die vorausgehende Amplitude festgelegt ist, sind nur geringe Auswahlmöglichkeiten für die nächste Amplitude vorhanden. Deshalb enthält eine andere Ausführungsform der Erfindung ein Verschlüsselungsmittel, das dem beschriebenen ähnlich ist, sich jedoch auf zwei Dimensionen erstreckt. Diese Anordnung, die hier mit Zweifachschreiber (digrammer) bezeichnet ist, bewirkt ebenso wie Dreifach-, Vierfach-, Allgemein- »-fach-Schreibverfahren eine weitere Erhöhung des Wirkungsgrades der Übertragung.

Die Erfindung wird auf Grund der nachfolgenden, ins einzelne gehenden Beschreibung in Zusammenhang· mit den Zeichnungen vollständiger zu verstehen 'sein:

: 'Fig. 1 zeigt ein einfaches Ausführungsbeispiel des sogenannten Einfachschreibers; Fig. 2 stellt ein einfaches Ausführungsbeispiel des sogenannten Zweifachschreibers dar;

Fig. 3 zeigt eine Darstellung des sogenannten ■ Vierfachschreibers.

'Es wird die Erklärung der Arbeitsweise der in Fig. ι gezeigten Anordnung erleichtern, wenn vor dem Eingehen auf die Figur gewisse allgemeine Feststellungen gemacht werden. Es sei angenommen, daß der zu übertragende Gegenstand eine Nachricht mit bestimmten Zeichen sei. Eine solche Nachricht' kann z. B. ein gedruckter Text oder die in' Quanten unterteilten Elemente eines Fernsehsignals oder eines Sprachsignals sein. Wenn die aufeinanderfolgenden Zeichen oder Elemente unabhängig voneinander gewählt sind und ihre Werte alle gleich wahrscheinlich sind, hat man ein leistungsfähiges Übertragungsverfahren, wenn für jedes Element ein Impuls von entsprechender Amplitude erzeugt und dann diese Impulsfolge übertragen wird. Wenn z. B. ein bestimmtes Element die Amplitude 10 besitzt, wird ein Impuls mit einer Amplitude von zehn Einheiten gesendet. Falls jedoch nicht alle Amplituden gleich wahrscheinlich sind, wird sich ein geringer Wirkungsgrad ergeben, wenn die Impulsamplituden den Elementamplituden entsprechen. Hier ist es vorteilhaft, die am meisten wahrscheinliche Amplitude durch die Impulsamplitude 0 darzustellen, die nächstwahrscheinliche durch die Impulsamplitude 1 usw. Die Erhöhung des Wirkungsgrades rührt offenbar davon her, daß die Impulsamplitude ο die geringste Übertragungsleistung erfordert und die erforderliche Leistung mit der Impulsamplitude wächst. Ein instruktives Beispiel bietet ein Text in englischer Sprache. Ein einfaches, aber nicht sehr leistungsfähiges Verfahren besteht darin, A = 1 (Impuls mit einer Amplitude von einer Einheit), B = 2 (Impulsamplitude zwei Einheiten), C =3, D = 4 usw. zu wählen. Wenn die Impulse nach der Wahrscheinlichkeit des Auftretens gewählt werden, wird der Kode folgendermaßen aussehen: Zwischenraum (kein Buchstabe oder Interpunktionszeichen) == ο (kein Impuls), E = 1, T = 2, A = 3, 0 = 4, usw. Dies erfordert eine nichtlineare Verschlüsselungsoperation. Sie kann durch lineare Mittel im allgemeinen nicht durchgeführt werden.

In Fig. ι ist eine nichtlineare Einrichtung dargestellt, die diese Operation durchführt. Die Nachrichtenelemente 11 werden den Ablenkplatten 12 einer Kathodenstrahlröhre 10 zugeführt und bewirken eine Ablenkung des Leuchtflecks 13 nach aufeinanderfolgenden Stellen auf dem Fluoreszenzschirm 14, die den möglichen Elementamplituden entsprechen. Vor dem Schirm befindet sich eine Maske 16 mit den Flächen 21, 22 ... 29, die verschiedene Lichtdurchlässigkeitskoeffizienten besitzen. Das Licht, das durch diese Flächen hindurchgeht, wenn der Leuchtfleck nacheinander von hinten auf die Flächen auftrifft, wird durch die Fotozelle 18 aufgefangen und dabei in das zu übertragende Signal 19 umgewandelt. In dem Beispiel, bei dem die Elemente zehn mögliche Amplituden haben, ist die ■Maske an der Leuchtfleckstelle, die' der wahrscheinlichsten Amplitude entspricht, voll lichtdurchlässig, an der nächstwahrscheinlichen .Stelle hat sie eine Lichtdurchlässigkeit von neun Zehntel usw. Die Nächrichtenamplituden wie auch die Signalimpulsamplituden sind erfindungsgemäß normalerweise in gleiche Amplitudenstufen eingeteilt, jedoch ist dies ■offenbar für die richtige Arbeitsweise der Einrichtung nicht notwendig und daher auch nicht für die •Durchführung der Erfindung wesentlich.

Im Empfänger werden die empfangenen Impulsamplituden einer der oben beschriebenen ähnlichen •Einrichtung zugeführt. 'Bei dieser ist die Maske jedoch so ausgeführt, "daß die Signalimpulsamplituden in die ursprünglichen Nachrichtenamplituden

zurückverwandelt werden. Selbstverständlich liegt es im Rahmen der Erfindung, sowohl die ' Verschlüsselungs- als auch die Entschlüsselungsoperation mit derselben Einrichtung durchzuführen, wobei lediglich die Maske verändert ist.

Die Wirksamkeit des beschriebenen Einfachschreibers ist nur von einfachen Wahrscheinlichkeitsbetrachtungen abgeleitet. Aus Zusammenhängen, wie sie zwischen den Nachrichtenelementen vorhanden sein können, werden keine Vorteile gezogen. Da jedoch die meisten Nachrichtenelemente einen beträchtlichen Grad von Zusammenhängen aufweisen, kann man eine weitere Erhöhung des Wirkungsgrades der Übertragung durch Verwendung von Zweifach-, Dreifach-, Allgemein-w-fach-Schreibanordnungen erreichen. In dem normalen Fall, daß die Nachrichtenelemente nicht unabhängig voneinander sind, werden nur wenige wahrscheinliche Möglichkeiten für das nächste Element be-

ao stehen, wenn die vorausgehende Amplitude bekannt ist, so daß die Wirksamkeit des Kode der relativen Unwahrscheinlichkeit vergrößert wird. Zur Erläuterung kehren wir zu dem Beispiel des Textes in englischer Sprache zurück. Es ist eine bekannte Tatsache, daß dem Buchstaben Q fast immer der Buchstabe U folgt, während hinter dem U ein anderer Vokal sehr wahrscheinlich ist. (Es sei bemerkt, daß hinter dem Buchstaben Q¹ nicht unvermeidlich der Buchstabe U folgt.) Da das vorausgehende Element einer Nachricht alle außer wenigen Werten für das nächste Nachrichtenstück äußerst unwahrscheinlich erscheinen läßt, kann das zu übertragende Signal hauptsächlich aus Impulsen mit kleinen Amplituden zusammengesetzt werden, wobei gelegentlich äußerst unwahrscheinliche große Impulse auftreten. Um dies zu erreichen, werden die Amplituden erfindungsgemäß so bestimmt, daß sie das nächste Stück auf Grund der bedingten Wahrscheinlichkeitsverteilung (bedingt durch die Vorgeschichte) und nicht auf Grund der einfachen Wahrscheinlichkeitsverteilung (wie beim Einfachschreiber) darstellen.

Eine Ausführung der Erfindung, die in zwei Dimensionen schreibt, ist in Fig. 2 dargestellt. Die Einrichtung nach dieser Figur, ein sogenannter Zweifachschreiber, ist eine Erweiterung des oben beschriebenen Einfachschreibers auf zwei Dimensionen. Die Signalelemente 31, die geeignet in Quanten unterteilt sind, werden bei diesem für die Erläuterung dargestellten Ausführungsbeispiel an die senkrechten Ablenkplatten 32 einer Kathodenstrahlröhre 30 angelegt. Gleichzeitig werden einige geeignete vorhergehende Elemente 34, die am Ausgang der Verzögerungsleitung 33 abgenommen werden, zu den waagerechten Ablenkplatten 36 geführt. Bei einer typischen Anordnung besitzt das Verzögerungsmittel 33 eine Verzögerung von einem Elementintervall, so daß jedes gequantelte Element 31 an den senkrechten Platten gleichzeitig mit dem unmittelbar vorhergehenden gequantelten Element 34 an den waagerechten Platten erscheint. Hierdurch wird der Leuchtfleck 37 in einer senkrechten Reihe auf der Maske 38 abgelenkt, die durch das unmittelbar vorhergehende Element bestimmt ist, und gleichzeitig in einer waagerechten Reihe, die durch das augenblickliche Element bestimmt ist. Die Lichtdurchlässigkeit der verschiedenen Zellen der senkrechten Reihe ist gemäß der bedingten Wahrscheinlichkeit des Auftretens von p_t (j) bemessen, d. h. der Wahrscheinlichkeit, daß das nächste nach dem Stück i kommende Stück / ist. Jede senkrechte Reihe hat deshalb höchstens so viel Quadrate mit verschiedenen Lichtdurchlässigkeitskoeffizienten, wie Elementamplituden vorhanden sind. Sie kann weniger haben, wenn die vorangehenden Elemente gewisse Amplituden ausschließen.

Um die Nachricht aus dem vom Zweifachschreiber gesendeten Signal 39 wieder herzustellen, wird erfindungsgemäß eine zweite Einrichtung gleicher Art gebraucht. Nur die Maske ist wie beim Einfachschreibersystem geändert. Im Empfänger werden die empfangenen Signale an ein Ablenkplattenpaar angelegt. Die vorangehenden Elemente, die ebenfalls im Empfänger wieder dargestellt werden, werden an die beiden anderen Ablenkplatten gelegt.

Die mehrfache Anwendung der oben beschriebenen Einrichtungen liegt im Rahmen der Erfindung, so daß eine statistische Verteilung höherer Ordnung teilweise berücksichtigt werden kann. Bei einigen Arbeitsweisen zeigt -das den ersten Zweifachsdhreiber verlassende Signal noch Wechselbeziehungen zwischen den Elementen. Das Signal kann dann als eine neue Nachricht behandelt werden und einem zweiten Zweifachschreiber zugeführt werden. Die sich dabei ergebende weitere Erhöhung des Übertragungswirkungsgrades ist etwa analog derjenigen, die man bei der Erweiterung der linearen Vorausbestimmung auf mehrere vorangehende Elemente erreicht. Um ein Dreifachschreibverfahren anzuwenden, benutzt man bei der Durchführung der Erfindung eine Anordnung von Zweifachschreibern. Bei z. B. zehn Quantenunterteilungspegeln verwendet man erfindungsgemäß den Pegel eines anderen vorhergehenden Elementes, um einen von einer Anordnung mit zehn Zweifachschreibern einzuschalten, wobei jeder Zweifachschreiber die optimale Kodeplatte bzw. Maske besitzt, die der durch das Vorhandensein dieser Amplitude in diesem Element gegebenen Statistik entspricht.

In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel für die Anwendung des Vierfachschreibverfahrens dargestellt. Zur Erläuterung sei angenommen, daß η Quantenunterteilungspegel vorhanden sind. Die Elemente aus 41, die geeignet in Quanten unterteilt sind, werden den Ablenkplattenpaaren 61, 62 usw. der n² Zweifachschreiber 51, 52 usw. zugeführt. Das Verzögerungsmittel 42 verzögert diese Elemente z. B, um eine Elementabstandszeit. Die verzögerten Elemente 43 werden (gleichzeitig mit den unverzögerten Elementen) den anderen Ablenkplattenpaaren 71, 72 usw. der n² Zweifachschreiber 51, 52 usw. zugeführt. Jedoch ist immer nur ein Zweifachschreiber zu gleicher Zeit in Betrieb. Welcher das ist, hängt von der Kombination der beiden anderen vorhergehenden Elemente ab, die von der Verzögerungskette herkommen. Die Elementfolge bei 46, die

durch das. Verzögerungsmittel 44 weiter verzögert ist, und die Elementfolge bei 48, die ebenfalls durch das Verzögerungsmittel 44 und außerdem durch das Verzögerungsmittel 47.verzögert ist, werden an.die Ablenkplatten 56 und 57 einer Kathodenstrahlschaltröhre 40 angelegt, so daß der Elektronenstrahl 58.eine der n² Elektroden 59 trifft. Der Strom63 der Elektroden wird in einem Begrenzungsverstärker 64, wie er in der Technik bekannt ist, verstärkt und begrenzt. Die Ausgangsspannung schaltet den Elektronenstrahl im richtigen Zweifachschreiber ein, der. in dem hier dargestellten Beispie.1 der .Zweifachschreiber 51 ist. Entsteht der Strom 73, so geht er in gleicher Weise zum

Begrenzungsverstärker 74 und setzt den Zweifachschreiber 52. in Betrieb. Wenn die anderen Zweifachschreiber in Tätigkeit treten sollen, werden .sie in derselben Weise durch die Ausgangsströme der . Kathodenstrahlschaltröhre 40 eingeschaltet, wie in der Figur schematisch angegeben ist.

In der Empfangsstation wird das von den Senderfotozellen 80, 81 usw. empfangene Eingangssignal an eine Entschlüsselungseinrichtung 82 geführt, die grundsätzlich die gleiche Anordnung

wie, im Sender aufweist, abgesehen davon, daß die Masken zu den entsprechenden Masken im Sender reziprok sind. Das Ausgangssignal der Entschlüsselungseinrichtung geht zu einem geeigneten Nachrichtenverbraucher 83..

Bei dem Ausführungsbeispiel, bei dem die Signalelemente der Einrichtung 41 Fernsehbilder bedeuten, stellt es eine vorzugsweise Ausführungsform der Erfindung dar, die Verzögerungen 42 und 48 gleich der Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Bildpunkten zu wählen, während die Verzögerung 44 gleich der Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Zeilen gewählt wird (gegebenenfalls um ein oder zwei Bildpunkte vermindert).

Bei dem oben beschriebenen Zweifachschreiber ist es selbstverständlich nicht notwendig, Leuchtstoffe, optische Masken oder Fotozellen zu verwenden. Es liegt im Rahmen der Erfindung, die Röhre ebenso wie die im Vierfachschreiber der Fig. 3 dargestellte Schaltröhre auszubilden. Bei dieser Ausführung der Erfindung werden die Platten mit geeigneten Abgriffen eines Belastungswiderstandes verbunden. Es sei jedoch festgestellt, daß die optische Ausführung des Zweifachschreibers etwas einfacher und beweglicher erscheint, zumal normale Kathodenstrahlröhren (mit kurzer Nachleuchtzeit) verwandt werden können.

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   i. Anordnung zur Erzeugung von Kodeimpulsen, welche die Momentanamplituden von aufeinanderfolgenden Zeitintervallen einer zu übertragenden Nachrichtenwelle darstellen, mittels einer Kathodenstrahlröhre, dadurch gekennzeichnet, daß die Momentanamplituden der Nachrichtenwelle an ein Ablenkplattenpaar der Kathodenstrahlröhre angelegt sind, und eine Maske, die aus mehreren Flächen mit verschiedenen Lichtdurchlässigkeitseigenschaften gemäß der vorher bestimmten Wahrscheinlichkeit des Auftretens bestimmter Amplituden in der Nachrichtenwelle besteht, im Weg des abgelenkten Strahles angebracht ist, und daß eine lichtempfindliche elektrische Einrichtung das durch die Flächen hindurchgelassene Licht aufnimmt.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Ablenkplattenpaar in der Kathodenstrahlröhre senkrecht zum ersten Ablenkplattenpaar angebracht ist, und daß eine Verzögerungsschaltung das zweite Plattenpaar mit dem ersten verbindet und die an ihm angelegten Impulse um wenigstens ein Zeitintervall der aufeinanderfolgenden Momentanamplituden der Nachrichtenwelle verzögert sind.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch ⁸^ gekennzeichnet, daß die Maske hinter dem -Leuchtschirm der Kathodenstrahlröhre liegt und die Flächen der Maske in zwei Koordinaten angeordnet sind, wobei der Strahl in einer Koordinatenrichtung durch die an das eine Plattenpaar angelegten unverzögerten Nachrichtenwellenamplituden und in der anderen Koordinatenrichtung durch die gleichzeitig an das andere Plattenpaar angelegten verzögerten Nachrichtenwellenamplituden abgelenkt wird.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Fläche der Maske mit dem iStrahlerzeugungssystem einer besonderen Kathodenstrahlröhre verbunden ist, wobei jede Kathodenstrahlröhre zwei senkrecht zueinander angeordnete Ablenkplattenpaare aufweist, die miteinander durch Verzögerungsschaltungen verbunden sind, und jede Verzögerungsschaltung an eine Leitung angeschlossen ist, von der aus die Momentanamplituden zu den entsprechenden Plattenpaaren aller Kathodenstrahlröhren gehen, und daß die· Verzögerungsschaltungen die Amplitude vor dem Anlegen an die entsprechenden Plattenpaare um ein oder mehrere Zeitintervalle zwischen aufeinanderfolgenden Momentanamplituden verzögern, und jede einzelne Kathodenstrahlröhre eine Maske, die aus mehreren Flächen mit verschiedenen Lichtdurchlässigkeitseigenschaften besteht, und eine lichtempfindliche elektrische Einrichtung no zum Auffangen des durch die Flächen hindurchgelassenen Lichts besitzt.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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