Verfahren zur Codierung von Analogsignalen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Codierung von Analogsignalen für Speicher- bzw. Übertragungszwecke, bei dem die abgetasteten Augenblickswerte der Analogsignale in einem Codierer in PCM-Codeworte umgesetzt und anschließend aus jeweils zwei aufeinanderfolgenden PCM-Codeworten durch Differenzbildung PCM-Differenzcodeworte gebildet werden, bei dem ferner jedes der eine Impulsgruppe darstellenden PCM-Differenzcodeworte zusammen mit wenigstens einem weiteren Hilfscodeelement ein Codewort mit fest vorgegebener Länge (Referenzcodewort) bildet, das zur Reduktion des digitalen Signalflusses unter Berücksichtigung der Hilfscodeelemente kürzer gewählt ist als die maximal mögliche Länge eines PCM-Differenzcodewortes, und bei dem bei Auftreten eines eine Überlänge aufweisenden PCM-Differenzcodewortes dieses durch ein Sondercodewort der im Datenformat vorgegebenen Länge ersetzt wird.

Wie die Betrachtung der Qualitätsparameter für die Speicherung oder Übertragung codierter Analogsignale zeigt, ergeben sich bei der gleichförmig quantisierten Pulscodemodulation, bezogen auf das Nutzsignal, besonders günstige Verhältnisse. Zur Reduzierung der Elementezahl der Codeworte kann von der sogenannten DifferenzPulscodemodulation Gebrauch gemacht werden, bei der lediglich die Amplitudenänderungen aufeinanderfolgender Augenblickswerte des Analogsignals in digital codierter Form gespeichert bzw. übertragen werden. Bei gegebenen Qualitätsanforderungen ist dabei die pro Differenz-PCM-Codewort anfallende Codeelementmenge durch die maximal mögliche Änderung der Amplitude zwischen zwei aufeinanderfolgenden Augenblickswerten des Analogsignals gegeben. Grundsätzlich besteht zwar die Möglichkeit, die Übertragungs- bzw. Speicherkapazität dadurch herabzusetzen, daß die Codeelementmenge eines Codewortes nur so groß gewählt wird, wie sie jeweils für die Darstellung der Größe des Momentanwertes erforderlich ist. Dies erfordert jedoch in jedem Codewort zusätzliche Codeelemente. Bei unterschiedlicher Wortlänge können diese durch Bitfehter verloren gehen, was bei der Rückgewinnung des ursprünglichen Analogsignals Störungen verursacht. Üblicherweise verwenden PCM-Redundanzreduktionsverfahren deshalb für die Übertragung der Augenblickssignalwerte jeweils eine konstante Codeelementmenge, die gegenüber einem bei gleichförmiger Quantisierung vorhandenen Maximalwert reduziert ist. Dabei werden die binär codierten Momentanwerte, einzeln oder blockweise, durch entsprechende zusätzliche Codeelemente gekennzeichnet, kompandiert übertragen. Die Beeinträchtigung der Qualität des zurückgewonnenen ursprünglichen Analogsignals ist in diesem Falle unerwünschterweise vom Kompandierungsgrad abhängig.

Die Hauptaufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, besteht darin, für die Übertragung bzw. Speicherung digital codierter Analogsignale eine weitere Lösung aufzuzeigen, die die Qualität einer gleichförmig quantisierten PCM auch bei reduzierter konstanter Codeelementmenge pro Codewort in bezug auf jeden Augenblickswert voll bzw. optimal gewährleistet.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, unter Anwendung reduzierter konstanter Codeelementmengen eine einfache Lösung zur frequenzselektiven Begrenzung bei der Aufbereitung von Analogsignalen zur Speicherung oder zur Übertragung durch Medien anzugeben.

Ausgehend von einem Verfahren zur Codierung von Analogsignalen für Speicher- bzw. Übertragungszwecke der einleitend genannten Art wird die Hauptaufgabe gemäß der Erfindung durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Durch die Literaturstelle « Nachrichtentechnische Zeitschrift", NTZ, 1972, Heft 4, Seiten 179 bis 186, ist es zwar an sich bekannt, zur Redundanzreduktion bei der Übertragung von Daten in digitaler Form von der Differenzpulscodemodulation in der Weise Gebrauch zu machen, daß in der Folge von Differenzcodeworten in vorgegebenen Abständen sogenannte Stützwerte auftreten, die hierbei PCM-Worte sind. Dabei ist die Länge der Differenzcodeworte kleiner gewählt als dies ihrem möglichen Maximalwert entspricht. Tritt ein überlanges Differenzcodewort auf, dann wird es durch ein Sondercodewort der im Datenformat vorgegebenen Länge ersetzt. Dieses Sondercodewort stellt dabei eine Art Füllwort dar. Bei der redundanzreduzierten digitalen Übertragung von analogen Signalen würden solche Sondercodeworte im Informationsfluß eine erhebliche Störung darstellen. Durch die erfindungsgemäße Gestaltung dieses Sondercodewortes läßt sich in außerordentlich vorteilhafter Weise eine redundanzreduzierte Übertragung bzw. Speicherung digital codierter Analogsignale verwirklichen, bei der die Qualität pro Codewort in bezug auf jeden Augenblickswert voll bzw. optimal gewährleistet wird.

Auch ist durch die Literaturstelle « Proceedings of the IEEE », Vol. 55, Nr. 10, Oktober 1967, Seiten 1707 bis 1717, eine Videoübertragungseinrichtung bekannt, bei der die digitalen Signale ebenfalls in redundanzreduzierter Form übertragen werden. Bei diesem speziellen Verfahren werden von den jeweils 6 Bit aufweisenden Codeworten entweder nur 3 Bits der höchsten Wertigkeit oder nur 3 Bits der niedrigsten Wertigkeit übertragen je nachdem ob die Bildinformation sich schnell ändert oder nicht. Beim Erfindungsgegenstand wird im Gegensatz hierzu vor, einer sogenannten Kompandierung Gebrauch gemacht, bei der die Bits höchster Wertigkeit -immer übertragen werden und nur dann, wenn das Codewort eine Überlänge anzeigt, die erforderliche Kürzung auf die Länge des Referenzcodewortes durch Weglassen der niedrigstwertigsten Bits vorgenommen wird.

Bei dem durch die FR-A-2 314 618 bekannten Videoübertragungsverfahren wird zur Redundanzreduktion der Signale ebenfalls von einer Differenzpulscodemodulation Gebrauch gemacht und darüber hinaus dann diese Differenzpulscodewortfolge in einen Spezialcode umgewandelt, der es ermöglicht, aufeinanderfolgende übereinstimmende Abtastwerte nur einmal zu übertragen. Beim Erfindungsgegenstand wird von einer solchen Übertragung kein Gebrauch gemacht, sondern lediglich den eigentlichen Informationsbits wenigstens ein Hilfsinformationsbit beigefügt.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die für eine vorgegebene Codeelementmenge bei Anwendung einer Reduktion des digitalen Signalflusses notwendige zusätzliche Momentanwertumcodierung auf die bei Analogsignalen, wie Sprache und Musik, nur unregelmäßig verteilt auftretenden großen Amplitudenänderungen zwischen aufeinanderfolgenden Augenblickswerten beschränkt ist. Mit anderen Worten werden dadurch die meisten zu übertragenden digital codierten Momentanwerte von der Umcodierung nicht erfaßt und können damit hierdurch auch keine Qualitätsminderung erfahren. Die Qualitätsminderung des zurückgewonnenen ursprünglichen Analogsignals durch die Redundanzreduktion großer Amplitudendifferenz zwischen aufeinanderfolgenden Augenblickwerten ist ihrerseits durch die unregelmäßige zeitliche Verteilung und ihr nur gelegentliches Auftreten praktisch vernachlässigbar.

Das relativ seltene Auftreten großer Momentanwertdifferenzen auch dann, wenn das Referenzcodewort erheblich kürzer gewählt ist als die maximal mögliche Länge eines PCM-Differenzcodewortes, hat seinen Grund darin, daß der maximal mögliche Wert der Amplitudendifferenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Augenblickswerten des Analogsignals infolge der festen Abtastperiode frequenzabhängig ist ; mit anderen Worten nimmt dieser Maximalwert umgekehrt proportional zur Signalfrequenz ab. Die erfindungsgemäße Reduktion erfolgt deshalb nur dort, wo bezogen auf ein Analogsignal konstanter Amplitude und Frequenz der Quotient aus der Abtastfrequenz und der Nutzsignalfrequenz nicht kleiner ist, als das Amplitudenverhältnis aus der Amplitudendifferenz zweier aufeinanderfolgender Augenblickswerte des Analogsignals und dem bei vorgegebener Stufung der Quantisierung durch die vorgegebene Codeelementmenge in einem Codewort darstellbaren maximalen Amplitudenwert ist. Für alle Signale unterhalb dieses Grenzwertes entspricht die Qualität des zurückgewonnenen ursprünglichen Analogsignals derjenigen eines nicht reduzierten codierten Signals (PCM).

Ein besonders hoher Qualitätsstandard wird in vorteilhafter Weise dann erreicht, wenn der Erzeugung der PCM-Codeworte und der hieraus abgeleiteten PCM-Differenzcodeworte eine gleichmäßige Quantisierung zugrunde gelegt wird.

Bei einer ersten vorteilhaften Methode zum Ersatz eines überlangen PCM-Differenzcodewortes durch das für die Gewinnung dieses PCM-Differenzcodewortes zuletzt erzeugte PCM-Codewort wird dieses durch Weglassen einer entsprechenden Anzahl der jeweils niedrigstwertigen Codeelemente auf die vom Referenzcodewort vorgegebene übertragbare Länge gekürzt (Kompandierung).

Besonders zweckmäßig ist es weiterhin, daß bei Ersatz eines oder mehrerer überlanger PCM-Differenzcodeworte durch kompandierte PCM-Codeworte bei nachfolgenden Übergang auf PCM-Differenzcodeworte das erste PCM-Differenzcodewort aus der Differenz des letzten kompandierten PCM-Codewortes mit dem zeitlich unmittelbar folgenden PCM-Codewort gebildet wird. Auf diese Weise lassen sich unvermeidbare Nutzsignalrestverzerrungen wesentlich verringern.

Bei einer vorteilhaften zweiten Methode, bei der ein überlanges PCM-Differenzcodewort durch das für die Gewinnung dieses PCM-Differenzcodewortes zuletzt erzeugte PCM-Wort erfolgt, wird dieses bei gleichzeitiger Anwendung einer Zwischenspeicherung auf zwei aufeinanderfolgende Codeworte aufgeteilt. Auf diese Weise wird die Rekonstruktion des ursprünglichen Analogsignals auch dann mit hoher Sicherheit gewährleistet, wenn das in die digitale Ebene umgesetzte Signal Störungen in Form von Bit-oder auch Codewortverlusten erleidet, und zwar deshalb, weil jedes dieser ein überlanges PCM-Differenzcodewort ersetzenden PCM-Worte bei der Rückumwandlung als Referenzwert dienen kann. Sind dagegen solche Referenzwerte nicht vorhanden, dann führt der Verlust von einzelnen Codeelementen oder gar ganzer Codewörter des in die digitale Ebene umgesetzten Analogsignals bei der Rückumwandlung zu einer erheblichen Beeinträchtigung der Signalqualität, weil sich ja jedes der PCM-Differenzcodeworte auf das vorhergehende PCM-Differenzcodewort bezieht.

Bei einer dritten vorteilhaften Methode beinhaltet das das überlange PCM-Differenzcodewort ersetzende Codewort den größten Augenblicksamplitudendifferenzwert, der durch die ihm vorgegebene Codeelementzahl im verwendeten Code darstellbar ist, und zwar unter Berücksichtigung der Polarität des zu ersetzenden überlangen PCM-Differenzcodewortes.

In Weiterbildung der Erfindung läßt sich diese dritte Methode zur Lösung der genannten weiteren Aufgabe zur frequenzselektiven Amplitudenbegrenzung eines analogen Signals in Abhängigkeit der Amplitudenanstiegsgeschwindigkeit dadurch verwenden, daß die in ihrer Länge vom Referenzcodewort bestimmten Codeworte einem Codewandler zur Rückgewinnung der PCM-Codeworte zugeführt werden, aus denen dann anschließend in einem Decodierer das ursprüngliche Analogsignal in begrenzter Form erhalten wird.

Anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen soll die Erfindung im folgenden noch näher erläutert werden. In der Zeichnung bedeuten

• Figur 1 die schematische Darstellung eines PCM-Codewortes mit gleichförmiger Quantisierung,
• Figur 2 die schematische Darstellung eines PCM-Drfferenzcodewortes mit gleichförmiger Quantisierung,
• Figur3 die schematische Darstellung eines PCM-Differenzcodewortes mit Kompandierung,
• Figur 4 die schematische Darstellung eines PCM-Codewortes mit Kompandierung,
• Figur 5 die schematische Darstellung eines PCM-Doppelcodewortes mit gleichförmiger Quantisierung,
• Figur 6 die schematische Darstellung eines PCM-Differenzcodewortes bei Anwendung einer Begrenzung auf den Maximalwert bei auftretender Überlänge,
• Figur 7 die Zeitmatrix einer PCM-Codewortfolge entsprechend Fig. 1,
• Figur 8 die Zeitmatrix der in PCM-Differenz- codeworte umgesetzten PCM-Codewortfolge nach Fig.7,
• Figur 9 die Zeitmatrix der PCM-Differenzcodewortfolge nach Fig.8 mit Kompandierung überlanger PCM-Differenzcodeworte,
• Figur 10 die Zeitmatrix der PCM-Differenzcodeworte nach Fig.8 mit einem Ersatz überlanger PCM-Differenzcodeworte durch kompandierte PCM-Codeworte,
• Figur 11 die Zeitmatrix der PCM-Differenzcodewortfolge nach Fig.8 bei Ersatz der ü_Derlangen PCM-Differenzcodeworte durch PCM-Doppelcodeworte,
• Figur 12 die Zeitmatrix der PCM-Differenzcodeworte nach Fig. 8 mit einem Ersatz überlanger PCM-Differenzcodeworte durch PCM-Differenz- codeworte maximalen Wertes,
• Figur 13 das Blockschaltbild einer Sende-Empfangsanordnung zur Übertragung von PCM-Differenzcodeworten mit einer Kompandierung überlanger PCM-Differenzcodeworte,
• Figur 14 das Blockschaltbild einer Sende-Empfangsanordnung für die Übertragung von PCM-Differenzcodeworten, bei der überlange PCM-Differenzcodeworte durch kompandierte PCM-Codeworte oder PCM-Doppelcodeworte ersetzt sind,
• Figur 15 das Blockschaltbiid einer Schaltungsanordnung zur frequenzselektiven Begrenzung der Amplitude eines Analogsignals in Abhängigkeit der Amplitudenänderungsgeschwindigkeit,
• Figur 16 ein die Wirkungsweise der Begrenzerschaltung nach Fig. 15 erläuterndes Diagramm.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Codeschema PCM bedeutet x die Wortgröße des PCM-Codewortes. Die WortgröBe x der Codeelementmenge Qx umfaßt die Codelemente 1 bis 16. Weiterhin enthält das Codeschema PCM einen Pfeil, der die Richtung der Wertigkeit der Codeelemente vom niedrigstwertigen Codeelement LSB zum höchstwertigen Codeelement MSB angibt. Die Wortgröße x entspricht hier der Größe des Referenzcodewortes RC, die jedes der einen Abtastwert eines Analogsignals darstellenden PCM-Codeworte in der Signalflußkette hat.

Bei der Differenzbildung zweier aufeinanderfolgender PCM-Codeworte zu einem PCM-Differenzcodewort kommt das in Fig. 2 dargestellte Codeschema PCM-D zustande. Das Referenzcodewort RC setzt sich hier aus der Wortgröbe y mit der Codeelementmenge Qy der Codeelemente 1 bis 9 und zwei Hilfscodeelementen zusammen, von denen das eine ein die Polarität P anzeigendes Codeelement ist und das andere Hilfscodeelement C die Art der Codierung markiert.

Übersteigt die Wortgröße y nach Fig. 2 die Zahl von neuen Codeelementen, dann ist ein solcher Momentanwert nicht mehr bei der vorgegebenen Länge des Referenzcodewortes RC übertragbar. In diesem Fall muß für die Übertragung eine Kompandierung vorgesehen werden. Im Codeschema PCM-D K der Fig. ist dies dargestellt. Die Wortgröße y' beinhaltet auch hier eine Codeelementmenge Qy' von neuen Elementen, doch werden lediglich die Codeelemente 3 bis 11 übertragen, während die niedrigstwertigen Codeelemente 1 und 2 der Kompandierung zum Opfer gefallen sind.

Anstatt einer Kompandierung des überlangen PCM-Differenzcodewortes besteht auch die Möglichkeit, anstelle dieses überlangen PCM-Differenzcodewortes das für seine Gewinnung zuletzt erzeugte PCM-Codewort heranzuziehen. Das Codeschema PCM K nach Fig. 4 zeigt ein solches kompandiertes PCM-Codewort, bei dem die Wortgröße z bei der Codeelementmenge Qz lediglich die zehn höchstwertigen Codeelemente 7 bis 16 entsprechend Fig. 1 aufweist. Das übrige der insgesamt elf Codeelemente aufweisenden Codeelementmenge Qz wird wiederum von dem die Codeart markierenden Hilfscodeelement C gebildet.

Das Codeschema PCM 2 C nach Fig. 5 zeigt schließlich den Fall, bei dem das anstelle des überlangen PCM-Differenzcodewortes verwendete PCM-Wort in zwei aufeinanderfolgenden Codeworten mit der Wortgröße x/2 übertragen wird. Im ersten Codewort des Doppelwortes wird die Codeelementmenge Qx/2 mit den Codeelementen 1 bis 8 und im zweiten Codewort die Codeelementmenge Qx/2 mit den Codeelementen 9 bis 16 untergebracht. Die Wortgröße x/2 ist zum Referenzcodewort RC durch drei Hilfscodeelemente C ergänzt, die hierbei in redundanter Form die Codeart angeben.

Das Codeschema PCM-D(max) nach Fig.6 kommt mit einem um ein Codeelement geringeren Referenzcodewort RC' aus und spiegelt die dritten der bereits genannten Methoden wieder, bei der überlange PCM-Differenzcodeworte durch PCM-Differenz-Codeworte mit durch die Codeelementmenge Qy darstellbarem maximalen Amplitudenwert, und zwar unter Berücksichtigung der Polarität des hierdurch ersetzten überlangen PCM-Differenzcodewortes, ersetzt werden. In diesem Fall bedarf es keines die Codeart markierenden Hilfscodeelementes C.

Anhand der Fig.7 bis 12 sollen nun an einem konkreten Beispiel die vier Möglichkeiten der Reduktion des digitalen Signalflusses nach der Erfindung noch näher verdeutlicht werden. Dabei sind diese Figuren mit den Codeschemabezeichnungen entsprechend ihrer Zuordnung zu den Codeschemas nach den Fig. 1 bis 6 versehen.

In der Zeitmatrix nach Fig. 8 sind entsprechend der Anwendung einer Differenzcodemodulation aus den aufeinanderfolgenden PCM-Codeworten S1 bis S12 die PCM-Differenzcodeworte S1/S2, S2/S3 ... S11/S12 gebildet. Wie diese Zeitmatrix zeigt, überschreiten die PCM-Differenzcodeworte S4/S5 und S5/S6 die maximale Wortgröße P + y. Wie Fig. 8 ferner erkennen läßt, sind die Hilfscodeelemente P mit ihrer Wertigkeit dadurch dargestellt, daß vor dem hinter einem Schrägstrich stehenden Symbol P entweder eine « ₁ oder eine « 0" angegeben ist. Entsprechend sind in den Zeitmatrizen der Fig. 9 bis 11 die die Codeart markierenden Hilfscodeelementen C dargestellt.

In der Zeitmatrix nach Fig. 9 ist angegeben, wie sich die Zeitmatrix nach Fig. 8 ändert, wenn die überlangen PCM-Differenzcodeworte einer Kompandierung unterzogen werden. Zur besseren Übersicht sind neben der Zeitmatrix die aufeinanderfolgenden Referenzcodeworte RC1 bis RC11 als Summe aus der Wortgröße y bzw. y' und der Hilfscodeelemente P und C angegeben.

In der gleichen Weise ist in Fig. 10 die Zeitmatrix für den Fall angegeben, in dem die überlangen PCM-Differenzcodeworte S4/S5 und S5/S6 nach Fig. durch kompandierte PCM-Codeworte ersetzt sind. Weiterhin zeigt Fig. 11 den Fall, bei dem die überlangen PCM-Differenzcodeworte S4/S5 und SG/S6 nach Fig. durch ungekürzte PCM-Codeworte ersetzt sind, die hierbei in zwei aufeinanderfolgenden Codeworten untergebracht sind.

Die Zeitmatrix nach Fig. 12 zeigt schließlich den Fall, bei dem die überlangen PCM-Differenz- codeworte S4/S5 und S5/S6 durch PCM-Differenzcodeworte ersetzt werden, die den maximal darstellbaren Amplitudenwert aufweisen.

Das in Fig. 13 dargestellte Blockschaltbild zeigt die Sende- und Empfangsseite einer Anordnung, die von der Reduktion des digitalen Signalflusses entsprechend den Fig. 3 und 9 Gebrauch macht. Das zu codierende Analogsigna! A1 wird dem Codierer CO zugeführt, der aus den Abtastwerten PCM-Codeworte mit einer gleichwertigen Quant!. sierung bildet. Die PCM-Codeworte werden anschließend dem Differenzbildner DB einmal unmittelbar und zum anderen mal über das Zeitglied T zugeführt, dessen Zeitverzögerung gleich einem PCM-Codewort gewählt ist. Die PCM-Differenzcodeworte am Ausgang des Differenzbildners werden einem Längenvergleicher LV zugeführt, der die PCM-Differenzcodeworte mit einem Referenzcodewort RC fest vorgegebener Länge fortlaufend vergleicht. Solange der Längenvergleicher LV keine Überlänge der PCM-Differenz- codeworte feststellt, werden diese vom Ausgang des Differenzbildners DB über den Umschalter Us und den Addierer AD der Übertragungsleitung Ü zugeführt. Über den zweiten Eingang des Addierers AD wird das die Codierung markierende Hilfscodelement vom Ausgang des Längenvergleichers zugeführt. Bei Feststellen einer Überlänge schaltet der Längenvergleicher LV über seinen Ausgang den Umschalter Us in die andere Schaltstellung, so daß nunmehr dem Addierer AD das PCM-Differenzcodewort in an das Referenzcodewort angepaßter Länge zugeführt wird. Die Kürzung des PCM-Differenzcodewortes erfolgt hierbei in der Kompandiereinrichtung KE.

Auf der Empfangsseite werden in der Empfangseinrichtung E das die Codemarkierung bildende Hilfscodeelement von jedem ankommenden PCM-Differenzcodewort abgetrennt und der Hilfscodeelementerkonnung HCE zugeführt, die ihrerseits ausgangsseitig den empfangsseitigen Umschalter Ue steuert. Solange keine Kompandierung vorliegt, werden die PCM-Differenz- codeworte vom Ausgang der Empfangseinrichtung E über.den Umschalter Ue dem Codewandler CW zugeführt, der die PCM-Differenzcodeworte in PCM-Codeworte rückwandelt und sie anschließend dem Decodierer DE zuführt, an dessen Ausgang das zurückgewonnene analoge Signal A2 abgenommen werden kann. Bei Erkennen eines kompandierten PCM-Differenzcodewortes schaltet die Hilfscodelementerkennung HCE den Umschalter Ue in seine andere Schaltstellung, in der dem Codewandler CW nunmehr die PCM-Differenzcodeworte vom Ausgang der Empfangseinrichtung E über den Expander EX zugeführt werden. Im Expander EX wird die sendeseitige Kompandierung wieder aufgehoben.

Ein Fig. 13 entsprechendes Blockschaltbild für die Anwendung der Reduktion des digitalen Signalsflusses entsprechend den Fig.4 und 10 bzw. 5 und 11 zeigt Fig.14. Die Erzeugung der PCM-Differenzcodeworte sowie ihr Vergleich mit dem Referenzcodewort in einem Längenvergleicher LV erfolgt hier auf die gleiche Weise.

Stellt der Längenvergleicher Lv ein überlanges PCM-Differenzcodewort fest, so werden von seinem Ausgang aus drei Schalter S1, S2 und S3 betätigt, und zwar die Schalter S1 und S2 unmittelbar und Schalter S3 über den Inverter I hinweg. In diesem Falle wird der Schalter S1, der ein Umschalter ist, in die andere Schaltstellung umgelegt, der Schalter S2 geschlossen und der Schalter S3 geöffnet. Dabei wird das für die Differenzbildung gerade zuletzt erzeugte PCM-Codewort vom Ausgang des Codierers CO über die Schaltungsanordnung K/2C dem Addierer AD zugeführt, an dessen zweitem Eingang das die Decodierung kennzeichnende Hilfscodeelement vom Ausgang des Längenvergleichers LV ansteht. Für die Durchführung der Reduktion entsprechend den Fig. 4 und 10 ist die Schaltungsanordnung K/2C eine Kompandiereinnchtung.

Das am Ausgang der Schaltungsanordnung auftretende kompandlerte PCM-Codewort wird über den Schalter S1 dem Eingang des Zeitgliedes T zugeführt. Auf diese Weise ist gewährlelstet, daß beim Übergang vom kompandierten PCM-Codewort zum PCM-Differenzcodewort dieses PCM-Differenzcodewort aus der Differenz des vorhergehenden kompandierten PCM-Codewortes mit dem zeitlich unmittelbar folgenden PCM-Codewort gebildet wird. Vom Ausgang des Addierers AD werden die Codeworte bei Anwendung kompandferter PCM-Codeworte unmittelbar der Übertragungsstrecke Ü zugeführt.

Emptangsseltlg wird von der gleichen Schaltungsanordnung Gebrauch gemacht wie bei Fig. 13. Die Schaltungsanordnung EX/EC ist in dlesem Falle ein Expander.

Bei Anwendung der Reduktion des digitalen Signalflusses entsprechend den Fig. und 11 ist die Sendeselte nach Fig. 12 dadurch modifiziert, daß einerseits die Schaitanordnung K/2C nun ein Doppel-Codewortbildner ist und weiterhin dem Addierer AD der In unterbrochener Linie dargestellte Pufferspeicher PS nachgeordnet ist. Weiterhin entfällt hier der Schalter S1, da In dlesem Falle der Ausgang des Codierers CO, wie die unterbrochene Linie zeigt, direkt mit dem Eingang des ZeItglIedes T In Verbindung steht. Der Fortfall des Schalters S1 ist In Fig. 12 durch den ihn umgebenden, In unterbrochener Linie gezeichneten Kreis angedeutet. Auf der Empfangsseite ist die Schaltungsanordnung EX/DC ein Doppel-Codewortdecodierer.

Die Schaltungsanordnung nach Fig. 15 zur Durchführung einer Reduktion des digitalen Signalflusses entsprechend den Fig.6 und 12 unterscheidet sich sendeseitig von der Anordnung nach Fig. 13 lediglich dadurch. daß der Umschalter Us in Abhängigkeit eines im Längenvergleicher LV festgestellten überlangen PCM-Differenzcodewortes den Ausgang der das Referenzcodewort RC speichernden Einrichtung zur Übertragungsleitung Ü hin durchschaltet. Das Referenzcodewort RC ist hier im dafür vorgesehenen Speicher für den hiermit maximal darstellbaren Amplitudenwert gespeichert. Auf der Empfangsseite erfolgt die Rückgewinnung des Analogsignals A2 am Ausgang des Decodierers DE über die Elngangsschaltung E und den Codewandier CW hinweg.

Aus der Sende-Empfangsanordnung nach Fig. 15 wird bei unmittelbarer Verbindung des Ausgangs des Umschalters Us über die in unterbrochener Linie dargestellte Leitung L mit dem Eingang des Codewandlers CW eine Schaltung zur frequenzselektiven Amplitudenbegrenzung elnes Analogsignals in Abhängigkeit seiner Amplltudenänderugsgeschwindigkeit. Eine solche Amplitudenbegnrenzung ist für die Aufbereitung von Tonprogrammaterial zur Speicherung bzw. zur Ubertragung durch Medien erforderlich, deren maximale Übertragungscharakteristik hinsichtlich der GröBe der Amplitudenänderungsgeschwindigkeit des Signals frequentabhängig ist.

Beim Aufzeichnen von Tonprogrammen auf Schallplatten oder Magnetbänder ist es üblich, unvermeidbares Rauschen dadurch klein zu halten, daß das zu speichernde oder auch zu übertragende Tonsignal im Bereich seiner höheren Frequenzen angehoben wird (Preemphase). Diese Preemphase hat zur Folge, daß bei hoher Dynamik des Signals im Bereich dieser angehobenen Frequenzanteile, also bei schnellen Amplitudenänderungsgeschwindigkeiten, leicht eine Übersteuerung der Aussteuercharakteristik des Systems auftritt und damit nichtlineare Verzerrungen entstehen, die später nicht mehr vom eigentlichen Signal abgetrennt werden können. Um diese unerwünschten Übersteuerungen zu vermeiden, werden die zu speichernden bzw. zu übertragenden Tonsignale über frequenzabhängig gesteuerte Begrenzerschaltungen, die einen hohen technischen Aufwand bedingen, geleitet. Solche Schaltungen haben aber den Nachteil, daß sie aufgrund ihres verzögerten Einschwingverhaltens auch unerwünschte Begrenzungen von Signalanteilen bewirken. Dieses verzögerte Einschwingverhalten läßt sich zwar dadurch in Grenzen halten, daß ein Mehrfachfrequenzband-Begrenzer vorgesehen wird, dessen Gesamtbandbreite In 1/3 Oktaven-Frequenzbänder aufgeteilt wird und deren Charakteristik je Oktave einzeln programmiert werden kann. Der Aufwand an Filtermitteln ist jedoch erheblich.

Die Durchführung der erforderlichen frequenzselektiven Begrenzung von Tonprogrammen bei ihrer Aufbereitung für Speicher- bzw. Übertragungszwecke in der digitalen Ebene gemäß der Erfindung läßt sich mit bekannten Komponenten der Digitaltechnik in außerordentlich einfacher Weise ohne störende Beeinflussung von unerwünschten Einschwingvorgängen durchführen. Dieser Sachverhalt soll im folgenden anhand des Diagramms der Fig. 16 noch näher erläutert werden.

Bei der Abtastung eines Analogsignals, beispielsweise eines Tonsignals mit einer oberen Grenzfrequenz fo von 16 kHz, im Rhythmus einer Abtastfrequenz fs von 32 kHz, wird ein Signalanteil einer vorgegebenen Frequenz während einer Periode umso öfter abgetastet, je niedriger die Frequenz dieses Signalanteils ist. Die maximal mögliche Amplitudendifferenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Abtastproben eines Tonsignals ist also in erster Näherung der Frequenz des Tonsignals proportional. Die am Ausgang des Differenzwertbildners DB auftretenden PCM-Differenzcodeworte ergeben beim Längenvergleich mit dem Referenzcodewort RC nur dann überlange PCM-Differenzcodeworte, wenn schnelle Amplitudenänderungsgeschwindigkeiten vorliegen, also Amplitudenänderungen im Bereich der hohen Frequenzen des Tonsignals auftreten. Die erforderliche Begrenzung eines solchen überlangen PCM-Differenzcodewortes auf die Codelementzahl des Referenzcodewortes, und zwar in der Weise, daß anstelle des überlangen PCM-Differenzcodewortes der bei der Länge des Referenzcodewortes darstellbare maximale Amplitudenwert in PCM-Differenzcodewort-Darstellung tritt, wirkt sich beim zurückgewonnenen Analogsignal A2 am Ausgang des Decodierers DE nach Fig. 15 in einer Absenkung der Amplituden der Signalanteile im Bereich der höheren Frequenzen entsprechend dem Diagramm nach Fig. 16 aus.

Im Diagramm nach Fig. 16 ist über einer logarithmischen Frequenzskala in den Grenzen von 1₀² Hz bis 4.104 Hz die Pegelabsenkung, ausgehend vom Normalpegel, 0 dB bis - 42 dB aufgetragen, und zwar für die Fälle, in denen die Reduktion des überlangen PCM-Differenzcodewortes um 1, 2, 3, 4 oder 5 Codeelemente CE vorgenommen ist. Diese Codeelementreduzierung ist auf der rechten Seite im Diagramm der Fig. 16 angegeben. Sie stellt gleichsam den Parameter für die Kurven dar, die sich im Diagramm als in Richtung höherer Frequenzen abfallende Geraden darstellen. Danach ergibt sich bei Reduktion um ein Codeelement CE bei einem Tonsignal bei der Eckfrequenz fg des das Tonsignal begrenzenden Tiefpasses noch keine Begrenzung der Amplitude. Da jedes weggelassene Codeelement eine Pegelabsenkung, bezogen auf die Abtastfrequenz fs von 6 dB mit sich bringt, ergibt sich somit bei einer Codeelementreduzierung um zwei Codeelemente CE bei der Eckfrequenz fg eine Reduzierung der Maximalamplitude auf den halben Wert. Amplituden von Tönen, deren Frequenzen gleich oder kleiner als ein Viertel der Abtastfrequenz fs sind, werden davon nicht mehr berührt, weil die maximal auftretenden Amplitudendifferenzwerte in diesem Frequenzbereich bei der hier vorgegebenen Länge des Referenzcodewortes voll darstellbar sind, also einer Länge, die gegenüber einer Referenzcodewortlänge für eine nicht reduzierte Übertragung um zwei Codeelemente gekürzt ist. Wie Fig. 16 zeigt, ergibt sich bei einer Kürzung um fünf Codeelemente CE ein linearer Dämpfungsabfall ab einer Tonfrequenz, die einem Zweiunddreißigstel der Abtastfrequenz fs entspricht.

Da üblicherweise die bei der Aufbereitung von Tonprogrammen vorgenommene Anhebung der Frequenzen im oberen Bereich des Tonsignals pro Oktave mit 6 dB erfolgt, stellt die Schaltung nach Fig. 15 einen idealan Begrenzer dar, dessen abfallende Kennlinien jeweils Bereiche konstanter Amplitudenänderungsgeschwindigkeit bilden. Die senkrecht zu diesen Kennlinien eingezeichnete Mehrfachpfeillinie Pf gibt die stufenweise Änderung der Amplitudenänderungsgeschwindkeit in Richtung abnehmender Werte an.