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Adaptiv gesteuerter DPCM-Coder/Decoder
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Die Erfindung betrifft einen adaptiv gesteuerten DPCM-Coder/Decoder
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1/ dem Oberbegriff des Patentanspruchs
2.
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Bei der DPCM-Codierung (Differenzpulscodemodulation) von Bildsignalen
wird die Bildqualität dadurch verbessert, bzw. kann die Datenrate bei gleicher Bildqualität
dadurch reduziert werden, indem in Abhängigkeit von der Bildvorlage zwischen verschiedenen
Quantisierungskennlinien und gegebenenfalls auch zwischen verschiedenen Prädiktionsalgorithmen
umgeschaltet wird. Diese Umschaltung ist dann besonders effizient, wenn für die
Steuerung von Quantisierer und Prädiktor der zuletzt für die Prädiktion verwendete
Bildsignalwert mitberücksichtigt wird. Dies führt jedoch zu Problemen mit der zur
Verfügung stehenden Verarbeitungszeit. Die zeitkritischen Bausteine mit der größten
Laufzeit in einer DPCM-Rechenschleife sind der Quantisierer und der Prädiktor.
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Es sind DPCM-Coder und DPCM-Decoder mit mehreren parallelarbeitenden
Prädiktoren bekannt, denen allen der rekonstruierte Bildsignalwert vom lokalen Ausgang
zugeführt wird.
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Eine Steuerung wählt über einen Umschalter das Ausgangssignal eines
dieser Prädiktoren aus, das zur Ermittlung des nächsten DPCM-Signalwertes verwendet
wird. Für die Steuerung steht jedoch nur eine extrem kurze Zeit zur Ermittlung des
geeigneten Prädiktors zur Verfügung. Zur Verbesserung der Bildqualität müßte außerdem
ein steuerbarer Quantisierer, bzw. empfangsseitig ein steuerbarer Decodierer, vorgesehen
werden. Die Realisierung solcher
DPCM-Coder und DPCM-Decoder ist,
wenn überhaupt, nur mittels extrem schneller Schaltkreistechniken möglich.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen adaptiv gesteuerten DPCM-Coder
und einen dazugehörigen DPCM-Decoder für hohe Verarbeitungsgeschwindigkeiten anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs
1 bzw. des Patentanspruchs 2 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausbildungen
sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Bei dem erfindungsgemäßen DPCM-Coder bzw. DPCM-Decoder sind parallel
arbeitende Rechenschleifen vorgesehen, die jeweils einen eigenen Prädiktor und Quantisierer
aufweisen. Hierdurch braucht die Steuerung erst dann eine Entscheidung über die
Auswahl des optimalen DPCM-Signalwertes zu fällen, wenn die neu ermittelten DPCM-Signalwerte
an den Ausgängen der Quantisierer oder gar an den Ausgängen der an die Quantisiererausgänge
angeschlossenen Addierer anliegen. Soll ein Prädiktorausgang an mehrere unterschiedliche
Quantisierer geführt werden, so kann natürlich ein gemeinsamer Subtrahierer verwendet
werden. Die Anzahl der Rechenschleifen wird von der Anzahl der Quantisierer bestimmt,
wobei der jeweilige Subtrahierer und Prädiktor gemeinsam genutzt werden.
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Jedem Quantisierer kann ein entsprechender Codierer zugeordnet werden.
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 denselben Prinzipien aufgebaut.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Figuren näher
erläutert.
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Es zeigen Fig. 1 einen adaptiv gesteuerten DPCM-Coder, Fig. 2 einen
zugehörigen DPCM-Decoder, Fig. 3 ein Laufzeitdiagramm für den DPCM-Coder, Fig. 4
einen erfindungsgemäßen DPCM-Coder, Fig. 5 den zugehörigen DPCM-Decoder, Fig. 6
ein Laufzeitdiagramm zum erfindungsgemäßen DPCM-Coder, Fig. 7 eine Variante des
erfindungsgemäßen DPCM-Coders, Fig. 8 den dazugehörigen DPCM-Decoder, Fig. 9 eine
Darstellung der zur Prädiktion verwendeten Bildsignalwerte, Fig. 10 die Anschaltung
von Codierern an Quantisierer und Fig. 11 eine Schaltungsvariante des DPCM-Coders
mit einem umschaltbarer Codierer.
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Der in Fig. 1 dargestellte DPCM-Coder gleicht im wesentlichen einer
bekannten DPCM-Coderschaltung. Der Eingang 1 des DPCM-Coders ist mit einem Subtrahierer
SU verbunden, dessen Ausgang an einen Quantisierer Q angeschlossen ist.
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Der Ausgang des Quantisierers Q ist mit dem Eingang eines umschaltbaren
Codierers CO verbunden und außerdem an einen Eingang eines Addierers AO geführt,
dessen Ausgang an die Eingänge mehrerer Prädiktoren P1, P2, ... Pn angeschlossen
ist. Über einen Umschalter SWO wird jeweils einer der Prädiktorenausgänge mit dem
zweiten Eingang des Addierers AO und gleichzeitig mit dem Subtraktionseingang des
Subtrahierers SU verbunden. Der Ausgang des Addierers AO ist außerdem mit einer
Steuerung ST1 verbunden, die den Umschalter SWO betätigt
und den
Quantisierer Q sowie den Codierer CO steuert.
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Die Arbeitsweise dieses DPCM-Coders entspricht prinzipiell der eines
üblichen DPCM-Coders. Die am Eingang 1 anliegenden digitalisierten Bildsignalwerte
s (Abtastwerte) gelangen an den Subtrahierer SU der von diesen die Schätzwerte g
subtrahiert und die so errechneten DPCM-Signalwerte D*s dem Quantisierer zuführt,
der an seinem Ausgang quantisierten DPCM-Signalwerte ds abgibt. Der Codierer setzt
diese quantisierten DPCM-Signalwerte in bestimmte Binärkombinationen um, die als
codierte DPCM-Signalwerte nsc an dem Ausgang 2 des Codierers angegeben werden.
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Aus den quantisierten DPCM-Signalwerten ds und den q verwendeten Schätzwerten
s werden am Ausgang des Addierers AO, der dem sogenannten lokalen Ausgang LA entspricht,
rekonstruierte Bildsignalwerte 5r gewonnen und den Prädiktoren und der Steuerung
zugeführt.
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Eine optimale Prädiktion ist vom Bildinhalt abhängig.
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Bei unveränderten Bildteilen ist eine rein zeitliche Prädiktion vorteilhaft.
Bei bewegten Bildteilen ist dagegen eine Vorhersage aus der Umgebung des zu verarbeitenden
Bildsignalwertes s vorteilhafter usw. Für jede Art der Vorhersage ist im Prinzipschaltbild
Fig. 1 ein eigener Prädiktor P1 bis Pn eingezeichnet. Viele Bauelemente, insbesondere
Speicher, der können für die Prädiktoren gemeinsam verwendet werden. Das gilt ebenso
für die Steuerung ST1, die ja ebenfalls - je nach Ausführungsart - Speicherelemente
benötigt, die, wenn eine zeitliche Vorhersage gemacht wird, dem Speicherplatzbedarf
eines Bildes oder Halbbildes entsprechen.
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In Abhängigkeit vom Bildinhalt ist es zur Erzielung einer optimalen
Bildqualität vorteilhaft, verschiedene Quantisierungskennlinien zu verwenden. Bei
Bildteilen mit geringer Aktivität, d.h. geringen Werten d s erfolgt eine feine Quantisierung,
während bei großer Aktivität
eine gröbere Quantisierung möglich
ist.
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Der zugehörige DPCM-Decoder ist in Fig. 2 dargestellt. Er enthält
einen steuerbaren Decodierer DC, dessen Eingang 3 codierte DPCM-Signalwerte disc
zugeführt werden.
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Der Ausgang des Decodierers ist mit einem Addierer A10 verbunden,
dessen Ausgang mit den Eingängen der Prädiktoren Pll, P12 bis Pln und dem Eingang
einer Steuerung ST2 verbunden ist. Die Ausgänge der Prädiktoren sind. entsprechend
der Coder-Schaltung über einen Umschalter SW10 mit einem zweiten Eingang des Addierers
A10 verbunden.
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Der Umschalter S10 und der Decodierer D10 werden von der Steuerung
ST2 betätigt. Der Ausgang des Addierers A10 ist gleichzeitig der Ausgang 4 des DPCM-Decoders.
Die Prädiktoren und die Steuerung des DPCM-Decoders sind mit entsprechenden Schaltungen
des DPCM-Coders identisch.
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Durch den Decodierer werden die codierten DPCM-Signalwerte #s# zunächst
in quantisierte DPCM-Signalwerte die rekonstruierten Bildsignalwerte 5r ermittelt
werden.
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Aus dem Prinzipschaltbildern ist ersichtbar, daß bei dem DPCM-Coder
während einer Abtastperiode zusätzlich eine Subtraktion und die Quantisierung erfolgen
muß zu den Rechenvorgängen beim DPCM-Decoder. Deshalb sollen hier zunächst nur Zeitprobleme
beim DPCM-Coder betrachtet werden.
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In Fig. 8 ist ein Ausschnitt aus einem Bild mit dem zu verarbeitenden
Bildsignalwert X und den diesen umgebenden Bildsignalwerten A, B, C und D dargestellt.
Aus diesen Bildsignalwerten soll hier beispielsweise der nächste DPCM-Signalwert
a 5 ermittelt werden, mit dessen Hilfe der bis auf einen Quantisierungsfehler dem
Bildsignalwert X entsprechende rekonstruierte Bildsignalwert Sr = r ermittelt wird.
Die Mitverwendung des vorangehenden
Bildsignalwertes A, bzw. des
entsprechenden rekonstruierten Bildsignalwertes sr = A r ist für eine optimale Prädiktion
und eine optimale Steuerung unerläßlich.
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In Fig. 3 ist ein Laufzeitdiagramm für den in Fig. 1 dargestellten
DPCM-Coder angegeben. Die Laufzeitperiodendauer ist mit T bezeichnet, die Laufzeiten
der Bauelemente mit Gt , wobei als Index die Bezeichnung des Bauelementes verwendet
wurde.
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Bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung treten bei hohen Abtastfrequenzen
Geschwindigkeitsprobleme auf. Für den Prädiktor steht nur die Zeit tp zur Verfügung.
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T p = T - (tA + LQe utS) (AS rp, Z5, TQ: Laufzeit des Prädiktors,
Addierers, Subtrahierers, Quantisierers) Während dieser Zeit muß auch die Steuerung
ein Ergebnis ermittelt haben und der Umschalter SWO betätigt sein. Da die Steuerung
mehr Rechenoperationen als der Prädiktor durchführen muß, ist sie die zeitkritischste
Schaltunganordnung.
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Sie errechnet beispielsweise alle Differenzen zwischen den Bildsignalwerten
A bis D ermittelt1 die größte Differenz und veranlaßt eine entsprechende Steuerung
des Umschalters, des Quantisierers und des Codierers. Erfolgt eine zeitliche Prädiktion,
so werden jeweils die Differenzen zwischen gleichen Bildsignalwerten zweier aufeinanderfolgender
Fernsehbilder, ggfs. auch Fernsehhalbbilder, ermittelt.
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In Fig. 4 ist das Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen DPCM-Coders
dargestellt. Der Codereingang ist wiederum mit 1 und der Coderausgang mit 2 bezeichnet.
Der Codereingang ist mit den Eingängen von mehreren Subtrahierern S1 bis Sn verbunden.
Die Ausgänge der Subtrahierer sind jeweils mit der Reihenschaltung eines Quantisierers
Q1 und eines Codierers C1 bis Qn und Cn verbunden. Jeder Quanti-
siererausgang
ist an einen Addierer Al bis An angeschlossen.
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Alle Addiererausgänge sind wiederum mit Eingängen eines ersten Umschalters
SW1 verbunden, dessen Ausgang mit den mit den zusammengeschalteten Eingängen der
Prädiktoren P1 bis Pn und mit der Steuerung ST1 verbunden ist. Der Ausgang des ersten
Prädiktors P1 ist mit dem Subtraktionsausgang des ersten Subtrahierers S1 und dem
zweiten Eingang des ersten Addierers Al verbunden. Die Ausgänge der weiteren Prädiktoren
P2 bis Pn sind jeweils an die Subtraktionseingänge der Subtrahierer 52 bis Sn angeschlossen.
Alle Codiererausgänge sind auf einen zweiten Umschalter SW2 geführt, dessen Ausgang
den Coderausgang darstellt. Beide Umschalter werden von der Steuerung ST1 betätigt.
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In Fig. 5 ist der zugehörige DPCM-Decoder dargestellt. Entsprechend
der Anzahl der Quantisierer und Codierer des DPCM-Coders enthält dieser die Decodierer
DC1 bis DCn, deren zusammengeschalteter Eingänge mit dem Decodereingang 3 verbunden
sind. Die an die Ausgänge der Decoder angeschlossenen Addierer sind mit All bis
Aln bezeichnet. Der DPCM-Decoder enthält einen Umschalter SWll, dessen Eingänge
mit den Ausgängen der Addierer verbunden sind. Der Schalterausgang ist mit den Eingängen
der Prädiktoren Pll bis Pln sowie mit dem Eingang der Steuerung ST2 verbundRa-t
und stellt gleichzeitig den Decoderausgang 4 dar. ra 1?:;? ;: gänge der Prädiktoren
Pll bis Pln sind mit dem jewt teu zweiten Eingängen der Addierer All bis Aln verbunden
Die Prädiktoren und die Steuerungen sind bei DPCM-Coa-r und DPCM-Decoder gleich
aufgebaut.
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Mit dem dargestellten Coder ist eine adaptive Steuerung bei hohen
Verarbeitungsgeschwindigkeiten möglich, werden verschiedene Prädiktoren verwendet,
die beisp-~ r weise eine rein zeitliche Prädiktion ermöglichen (Interframe), eine
aus Bildsignalwerten desselben Bildes abgeleitete Prädiktion (Intraframe) ermöglichen,
eine des
vorangegegangene Halbbild berücksichtigende Prädiktion
(Interfield) verwenden oder eine mehrdimensionale Kombination dieser Prädiktionsarten
bevorzugen. Den Prädiktoren ist jeweils ein einziger Quantisierer zugeordnet.
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Durch die parallele Anordnung von Quantisierern und Prädiktoren sind
parallel arbeitende Rechenschleifen entstanden. Von der Steuerung ST1 braucht eine
Entscheidung erst dann getroffen zu werden, wenn die nächsten quantisierten DPCM-Signalwerte
#sql bis #sqn am Ausgang der Addierer Al bis An bzw. die nächsten codierten DPCM-Signalwerte
#scl Scl bis #scn am Ausgang der Codierer anliegen, cn d.h. jeweils nach fast einer
Abtastperiodendauer T. Anhand des Zeitdiagrammes in Fig. 6 soll dies näher erläutert
werden. Zum Zeitpunkt t0 liegen die quantisierten DPCM-Signalwerte #sq bisa Sqn
an den Ausgängen der Quantisierer q qn Q1 bis Qn an. Nach der Laufzeit, der Addierer
- der erste Umschalter SW1 wurde bereits zum Zeitpunkt tl betätigt -wird der am
Ausgang des ausgewählten Addierers anliegende rekonstruierte Bildsignalwert 5r zum
Zeitpunkt t2, also sobald er am Addiererausgang anliegt, den Eingängen der Prädiktoren
P1 bis Pn und der Steuerung ST1 zugeführt. In den Prädiktoren werden neue Schätzwerte
s errechnet (t4), vom anliegenden Bildsignalwert 5r subtrahiert (t5), die ermittelten
DPCM-Signalwerte #s werden quantisiert (mio) und die quantisierten DPCM-Signalwerte
js bis #sqn q qn werden anschließend codiert (t13). Kurz bevor die nächsten rekonstruierten
Bildsignalwerte sr an den Ausgängen der Addierer anliegen, also nach nahezu einer
Abtastperiodendauer T, wird der erste Umschalter S1 erneut betätigt (t11). Für die
Steuerung steht somit eine Verarbeitungszeit zur Verfügung, die bis auf die Umschaltzeit
Tu einer Abtastperiodendauer T entspricht. Über den zweiten Umschalter SW2 wird
der auszusendende codierte DPCM-Signalwert dsc ausgewählt.
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Die vom DPCM-Decoder empfangenen codierten DPCM-Signalwerte asc werden
von den parallel arbeitenden Decodierern DC1 bis DCn in quantisierte DPCM-Signalwerte
JSq1 bis 45qn umgesetzt. Die Arbeitsweise des DPCM-Decoders entspricht ansonsten
exakt der jeweils aus Addierer und Prädiktor bestehenden inneren Rechenschleife
des DPCM-Coders. Da hier dieselben Rechenoperation mit allen quantisierten DPCM-Signalwerten
durchgeführt werden, steht für die Entscheidung der Steuerung ST2 praktisch wieder
eine Abtastperiodendauer T zur Verfügung.
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In Fig. 7 ist das Prinzipschaltbild eines DPCM-Coders für adaptive
Prädiktion mit mehreren Quantisierungskennlinien dargestellt. Er entspricht im wesentlichen
dem aus Fig. 4 bereits bekannten DPCM-Coder. An den Ausgang des ersten Subtrahierers
S1 sind jedoch an Stelle eines einzigen Quantisierers Q1 mehrere Quantisierer QOl
bis Q04 angeschlossen, von denen in Fig. 7 jedoch nur die Quantisierer Q01 und Q04
dargestellt sind. Die Ausgänge dieser Quantisierer sind über Addierer A01 bis A04
mit weiteren Eingängen des ersten Umschalters SW1 verbunden.
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Der Ausgang des ersten Prädiktors P1 ist mit dem zusammengeschalteten
zweiten Eingängen dieser Addierer und dem Subtraktionseingang des ersten Subtrahierers
S1 verbunden.
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Selbstverständlich können auch die Ausgänge von weiteren Prädiktoren
bei einem entsprechenden Schaltungsaufbau jeweils über einen Subtrahierer mit mehreren
weiteren Quantisierern verbunden sein.
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In Fig. 8 ist der zugehörige DPCM-Decoder dargestellt.
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Entsprechend der Anzahl der Quantisierer und Codierer des DPCM-Coders
enthält Decodierer DCO1 bis DC02 und DC2 bis DCn, deren Eingänge parallelgeschaltet
und mit dem DPCM-Decodereingang 3 verbunden sind. Die entsprechenden Addie-
rer
sind mit AOll bis A014 und A12 bis Aln bzeichnet. Die Eingänge des ersten Umschalters
SWll sind mit den Ausgängen der Addierer verbunden. Der Schalterausgang ist mit
den Eingängen der Prädiktoren Pll und P12 bis Pln sowie mit dem Eingang der Steuerung
ST2 verbunden. Der Ausgang des ersten Prädiktors Pll ist mit den zweiten Eingängen
der Addierer AOll bis A014 verbunden, während die Ausgänge der weiteren Prädiktoren
mit den zweiten Ausgängen der Addierer A12 bis Aln verbunden sind.
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Mit dem in Fig. 7 dargestellten DPCM-Coder bzw. dem in Fig. 8 dargestellten
DPCM-Decoder ist eine optimale Steuerung bei hohen Verarbeitungsgeschwindigkeiten
möglich. Es werden nicht nur entsprechend der Bildvorlage die geeignetsten Prädiktoren
ausgewählt, sondern es erfolgt auch jeweils eine optimale Quantisierung, wobei für
die Steuerung nach wie vor praktisch eine Abtastperiodendauer T zur Verfügung steht.
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Der beschriebene DPCM-Decoder weist die Funktion der inneren Rechenschleife
des zugehörigen DPCM-Coders auf, entspricht also funktionsgemäß im wesentlichen
dem in Fig. 5 dargestellten und bereits beschriebenen DPCM-Decoder.
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In Fig. 10 ist eine Schaltungsvariante des DPCM-Coders dargestellt.
Die Ausgänge der Quantisierer Q1 bis Qn sind mit den Eingängen des zweiten Umschalters
SW2 verbunden, dessen Ausgang wiederum mit dem Eingang eines umschaltbaren Codierers
ClO verbunden ist. Wie aus den Zeitdiagrammen Fig. 3 und Fig. 6 ersichtlich ist,
werden an die Codierer keine besonderen Zeitanforderungen gestellt. Es kann daher
ebenso ein einziger umschaltbarer Codierer verwendet werden, der jedoch entsprechend
aufwendiger ist.
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In Fig. 11 ist die praktische Realisierung eines Umschalters, z.B.
des zweiten Umschalters SW2, mit Hilfe von Trennverstärkern (Buffer) T1 bis Tn mit
3-State-Ausgängen dargestellt. Die jeweils 1 Byte (8 Bits) umfassenden 3-State-Ausgänge
der Trennverstärker Tl bis Tn sind parallelgeschaltet und mit 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. Ebenso ist die Verwendung von Multiplexern möglich.
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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 und des vertretbaren Aufwands
auslegen. Die Funktion der Steuerung ist wiederum von den verwendeten Prädiktionsalgorithmen
weitgehend bestimmt. Wegen der erforderlichen hohen Geschwindigkeit wird sie beim
heutigen Stand der Technik hardwaremäßig realisiert. Wie bereits erwähnt, werden
bei einer Realisierung Speicherelemente und Rechenelemente der Steuerung und der
Prädiktoren soweit wie möglich gemeinsam verwendet.
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11 Figuren 10 Patentansprüche