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Die
Erfindung betrifft eine Schaltung sowie ein Verfahren zur Optimierung
der Pufferspeichernutzung bei der Ratenanpassung eines Datenstroms
in Systemen mit variablem Ratenverhältnis.
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In
Funk-Kommunikationssystemen werden verschiedenartige Nachrichten
(beispielsweise Sprache, Bildinformationen oder andere Daten) mit
Hilfe von elektromagnetischen Wellen über die Luftschnittstelle übertragen.
Hierfür
sind sowohl senderseitig als auch empfängerseitig eine Reihe von Maßnahmen
zu treffen, um die Daten für
die Übertragung
in geeigneter Weise aufzubereiten. Einerseits muss der für den betrachteten
Dienst benötigte
Fehlerschutzgrad erreicht werden, andererseits ist eine effiziente und
ressourcenschonende Übertragung
erwünscht. Ferner
müssen
die Daten in die durch die Standards vorgegebenen Datenformate gebracht
und gegebenenfalls auf unterschiedliche verfügbare Kanäle verteilt werden. Hinzu kommt,
dass Mobilfunksysteme der dritten Generation die gleichzeitige,
gemultiplexte Übertragung
von mehreren Diensten pro Verbindung unterstützen. All dies macht es erforderlich,
sowohl im Sender als auch im Empfänger eine variable Datenratenanpassung
vorzusehen.
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Eine
Datenratenanpassung wird durch Punktierung (Puncturing) oder Wiederholung
(Repetition) von Bits in einem Datenstrom erreicht. Es ist bekannt, zur
Punktierung (Auslassen eines Bits) oder Wiederholungskodierung (Repetitive
Coding) von Datenströmen
Schaltungen zur Datenratenanpassung vorzusehen, wie sie in 2 zum Stand der Technik
in schematischer Weise dargestellt sind. Der in seiner Datenrate
zu verändernde
Datenstrom wird über
einen Eingang 1 der Schaltung einem Eingangspufferspeicher
I1 zugeführt,
und eine Datenmenge, die der Größe des Eingangspufferspeichers
I1 entspricht, wird in diesem gespeichert. Eine Ratenanpassungsstufe
R1 greift zyklisch auf den Eingangspufferspeicher I1 zu und führt eine
Punktierung oder eine Wiederholungskodierung an den in dem Zyklus
gelesenen Daten durch. Die punktierten bzw. wiederholungskodierten
Daten werden an einen Ausgangspufferspeicher A1 abgegeben und der
Zyklus anschließend
erneut durchlaufen. Wenn der Eingangspufferspeicher I1 geleert oder
der Ausgangspufferspeicher A1 gefüllt ist, wird der Zyklus abgebrochen
und es erfolgt ein Auslesen des Ausgangspufferspeichers A1 über einen
Ausgang 2. Anschließend
erfolgt ein Neubeschreiben des Eingangspufferspeichers I1 durch den
Datenstrom über
den Eingang 1, und der Prozess beginnt von Neuem.
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Sofern
ein hohes Maß an
Ratenvariabilität
zu gewährleisten
ist, besteht ein Nachteil des in 2 gezeigten
Speicherkonzepts darin, dass keine effiziente Speicherplatznutzung
möglich
ist. Wird beispielsweise eine starke Punktierung eingestellt, ist (bei
identischen Speichergrößen der
Eingang- und Ausgangspufferspeicher
I1 und A1) der Ausgangspufferspeicher A1 erst zu einem geringen
Teil gefüllt, wenn
der gesamte Speicherinhalt des Eingangspufferspeichers I1 bereits
verarbeitet ist. Andererseits braucht bei einer starken Wiederholungskodierung der
Eingangspufferspeicher I1 nur zu einem geringen Teil gefüllt zu werden,
weil nach vollständiger
Füllung des
Ausgangspufferspeichers A1 der Ratenanpassungszyklus frühzeitig
abgebrochen wird. Da beim anschließenden Auslesen des Ausgangspufferspeichers
A1 auch ein Neubeschreiben des Eingangspufferspeichers I1 möglich ist,
bleibt in diesem Fall ein Großteil
der Speicherfläche
des Eingangspufferspeichers I1 ungenutzt.
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In
der den nächstliegenden
Stand der Technik darstellenden Schrift
US 6,288,794 B1 ist eine Schaltung
zur Datenratenanpassung mit einem partitionierten Eingangsdatenspeicher
beschrieben. Die Eingangsdaten werden in eine Partition des Eingangsdatenspeichers
eingelesen und zeigergesteuert aus dem Eingangsdatenspeicher ausgelesen
und in einen als Ausgangsdatenspeicher dienenden Ringspeicher geschrieben.
Beim zeigergesteuerten Auslesen des Eingangsdatenspeichers wird
eine Datenratenanpassung vorgenommen.
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In
der Schrift WO 99/00819 A2 wird die Verwendung eines gemeinsamen
Speichers zum Abspeichern von schnellen und langsamen Datenströmen, die über unterschiedliche
Eingangs-Schnittstellen
geleitet werden, beschrieben. Der gemeinsame Speicher wird dabei
den verschiedenen Datenströmen
dynamisch zugewiesen bzw. freigegeben.
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Die
bei hoher Ratenvariabilität
mangelhafte Speicherplatzausnutzung im Stand der Technik ist nachteilig,
da die Speichergröße die Kosten
eines integrierten Schaltkreises (IC) maßgeblich beeinflusst.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstig in
einem IC zu implementierende Schaltung zur Datenratenanpassung zu
schaffen. Ferner zielt die Erfindung darauf ab, ein Verfahren zur
Datenratenanpassung anzugeben, welches sich kostengünstig in
einem IC implementieren lässt.
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Die
der Erfindung zugrundeliegende Aufgabenstellung wird durch die Merkmale
der unabhängigen
Ansprüche
gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Nach
Anspruch 1 umfasst die erfindungsgemäße Schaltung zur Datenratenanpassung
einen Eingangsspeicher zum Zwischenspeichern eines Datenstroms,
eine Ratenanpassungsstufe zum Punktieren und/oder Wiederholen von
aus dem Eingangsspeicher gelesenen Daten mit einem variablen Ratenanpassungsfaktor,
und einen Ausgangsspeicher zum Zwischenspeichern und Ausgeben der
von der Ratenanpassungsstufe erhaltenen ratenveränderten Daten. Dabei besteht
ein wesentlicher Aspekt der Erfindung darin, dass der Eingangs-
und der Ausgangsspeicher als Speicherbereiche eines einzigen, variabel
partitionierbaren Speichers ausgeführt sind, und dass die Schaltung
Mittel zum Einstellen des Partitionsverhältnisses dieses Speichers in
Abhängigkeit von
dem Ratenanpassungsfaktor umfasst.
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Durch
die Partitionierbarkeit des Speichers wird erreicht, dass der Speicherinhalt
desselben nach Wunsch auf die Eingangs- bzw. Ausgangsspeicherbereiche
verteilt werden kann. Durch diese variable Speicherplatzzuteilung
kann stets eine optimale Ausnutzung des gesamten zur Verfügung stehenden
Speicherplatzes erreicht werden.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kennzeichnet
sich dadurch, dass das Mittel zum Einstellen des Partitionsverhältnisses
des Speichers dieses Partitionsverhältnis von Ausgangsspeicherbereichsgröße zu Eingangsspeicherbereichsgröße im Wesentlichen
entsprechend dem Ratenan passungsfaktor K, welcher das Verhältnis von Ausgangsdatenrate
zu Eingangsdatenrate ist, einstellt. Dabei gibt der Ratenanpassungsfaktor
K das Verhältnis
von Ausgangsdatenrate zu Eingangsdatenrate an. Dies gewährleistet
eine Speicherplatzausnutzung mit optimalem Nutzungsgrad.
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Durch
ein Mittel zum Überwachen
des Füllstands
des Eingangsspeicherbereichs und/oder des Ausgangsspeicherbereichs
kann ein Überlaufen
des Ausgangsspeicherbereichs und/oder ein Unterlauf des Eingangsspeicherbereichs
sicher verhindert werden: Dabei überwacht
das Mittel zum Überwachen des
Füllstands
bei einem Ratenanpassungsfaktor K < 1
vorzugsweise den Füllstand
des Ausgangsspeicherbereichs, während
es bei einem Ratenanpassungsfaktor K > 1 zweckmäßigerweise den Füllstand
des Eingangsspeicherbereichs überwacht. Durch
beide Maßnahmen
kann eine weitere Erhöhung
der Speicherplatznutzungseffizienz erreicht werden.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kennzeichnet sich dadurch,
dass der Speicher als Dual-Port-Speicher ausgeführt ist. Dadurch können zwei
der vier Zugriffe des Speichers gleichzeitig zu Lese- bzw. Schreibvorgängen genutzt
werden.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kennzeichnet sich
dadurch, dass die Schaltung einen weiteren Speicher enthält, welcher dem
ersten Speicher in Parallelschaltung zugeordnet ist und entsprechend
dem ersten Speicher partitionierte Eingangs- und Ausgangsspeicherbereiche aufweist.
Sofern beide Speicher als Dual-Port-Speicher ausgeführt sind,
wird z.B. durch einen Multiplexbetrieb der beiden Speicher ein effektiver Vier-Port-Speicher
dargestellt.
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Mit
besonderem Vorteil kommt die erfindungsgemäße Schaltung beziehungsweise
das erfindungsgemäße Verfahren
zur Datenratenanpassung im UMTS-(Universal Mobile Telecommunications Sy stem-)Standard
zum Einsatz. In diesem Standard wird ein großer Wertebereich des Datenratenanpassungsfaktors
benötigt.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Beispiels unter Bezugnahme
auf die Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen:
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1 eine Prinzipdarstellung
einer Schaltung zur Datenratenanpassung im Empfangs- und Sendepfad
eines Funkempfängers;
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2 eine Schaltung zur Datenratenanpassung
nach dem Stand der Technik;
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3 ein Beispiel einer Schaltung
zur Datenratenanpassung gemäß der Erfindung;
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4 eine Darstellung zur Erläuterung
der Speicherplatznutzung bei variierendem Ratenanpassungsfaktor;
und
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5 ein Ablaufdiagramm zur
Erläuterung der
Arbeitsweise einer erfindungsgemäßen Schaltung.
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1 zeigt in vereinfachter
Darstellung den Empfangssignalpfad RX und den Sendesignalpfad TX
einer Funkstation. Bei der Funkstation kann es sich sowohl um eine
Mobilstation als auch um eine Basisstation eines Funksystems handeln.
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Im
Empfangssignalpfad RX werden über
die Luftschnittstelle übertragene
Datensignale von einer Antenne 3 empfangen und in geeigneter
Weise in ein digitales Datensignal umgesetzt. Neben dem Heruntermischen
des empfangenen hochfrequenten Signals in eine Zwischen- oder Basisbandfrequenz,
der Analog-Digital-Wandlung
sowie einer adaptiven Datendetektion umfasst dieser Schritt die
Zuordnung der erhaltenen Daten in die verwendeten Formate, z.B.
in Datenblöcke.
Die weitere Datenverarbeitung umfasst eine oder mehrere Entschachtelungen
des Datenstroms sowie eine Kanaldekodierung zur Entfernung der dem Datensignal
senderseitig zugefügten
Redundanz. Anschließend
wird das Signal einer Quellendekodierung unterzogen und einer Nachrichtensenke 4 zugeführt.
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Im
Sendebetrieb wird durch das Bezugszeichen 4 eine Nachrichtenquelle
repräsentiert.
Die in der Nachrichtenquelle 4 erzeugten Daten werden digitalisiert,
quellenkodiert, kanalkodiert, verschachtelt und in geeignete Datenformate
gebracht. Anschließend
erfolgt eine Modulation der Daten sowie die Erzeugung eines analogen
Hochfrequenzsignals, welches über
eine Sendeantenne 5 abgestrahlt wird.
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Je
nach Systemauslegung und den durch den Standard vorgegebenen Anforderungen
wird in beiden Signalwegen an einer oder mehreren Stellen eine Ratenanpassung
der Signale im RX-Signalpfad beziehungsweise
im TX-Signalpfad mittels einer Datenratenanpassungsschaltung 10 vorgenommen.
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Die
Datenratenanpassungsschaltung 10 hat dabei die Aufgabe,
aus einer bestimmten Anzahl NRX Bits am
Eingang eine bestimmte Anzahl NRX + ΔNRX Bits am Ausgang zu erzeugen (RX-Signalpfad),
beziehungsweise im TX-Signalpfad aus einer bestimmten Anzahl NTX Bits am Eingang der Datenratenanpassungsschaltung
eine bestimmte Anzahl NTX + ΔNTX Bits zu erzeugen. Da bei der Erfindung
eine Unterscheidung zwischen RX-Signalpfad und TX-Signalpfad nicht
erforderlich ist, werden die Indizes RX und TX im folgenden weggelassen.
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Für den UMTS-Standard
ist die Ratenanpassung in den technischen Spezifikationen 3GPP TS 25.212
V3.5.0 (2000-12) in dem Kapitel 4.2.7 beschrieben. Ein Ratenanpassungsalgorithmus
zur Erzeugung von Punktierungs- und Wiederholungsmustern ist im
Abschnitt 4.2.7.5. der genannten Spezifikation angegeben. Die zitierten
Textstellen werden durch Bezugnahme dem Inhalt der vorliegenden Schrift
hinzugefügt.
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Der
Ratenanpassungsfaktor K ist durch die folgende Beziehung definiert: K = (N + ΔN)/N Gl.1
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Die
ausgangsseitige Größe N + ΔN kann z.B. durch
ein Datenformat vorgegeben sein, z.B. als die Anzahl der Bits innerhalb
eines in einer bestimmten Zeitspanne auszusendenden Datenpakets.
In diesem Fall muss aus der Anzahl N der eingangsseitigen Bits der
entsprechende Ratenanpassungsfaktor K ermittelt und anschließend die
Kompression oder Expansion dieser N Bit in N + ΔN Bits vorgenommen werden.
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Das
heißt,
der Ratenanpassungsfaktor K kann von einem Datenpaket zum nächsten Datenpaket
variieren, wobei eine untere Grenze Kmin und eine obere Grenze Kmax
in der Regel bekannt sind. Es gilt Kmin ≤ Kmax, wobei Kmin << 1 und Kmax >> 1
betragen können.
Die Variationsbandbreite kann groß sein, z.B. Kmin = 1/511 und
Kmax = 511.
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Bekannt
ist in der Regel der mittlere Ratenanpassungsfaktor r = ΔN/N pro Datenpaket.
Der absolute Ratenanpassungsfaktor pro Bit innerhalb eines Datenpakets
ist lediglich innerhalb eines Intervalls [rmax, rmin] bekannt.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Datenratenanpassungsschaltung 10.
Die Schaltung 10 umfasst eine erste Steuereinheit CL1,
einen wiederbeschreibbaren Datenspeicher 11, eine Ratenanpassungsstufe 12 sowie
eine zweite Steuereinheit CL2. Der Eingang 1 der Datenratenanpassungsschaltung 10 ist
mit der ersten Steuereinheit CL1 verbunden. Diese leitet den entgegengenommenen
Datenstrom über
eine Datenverbindung 13 dem Speicher 11 zu. Der
Speicher 11 ist in einen Eingangsspeicherbereich I und
einen Ausgangsspeicherbereich A partitioniert. Die Partitionsgrenze
ist durch den mit dem Bezugszeichen 14 gekennzeichneten
Teilungsstrich dargestellt. Ihre Lage ist über die Steuerleitung 17 von
der er sten Steuereinheit CLl einstellbar. Der Ausgangsspeicherbereich A
steht über
eine Datenverbindung 15 mit dem Ausgang 2 der
Datenratenanpassungsschaltung 10 in Verbindung und kann über diese
Datenverbindung 15 ausgelesen werden.
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Die
Ratenanpassung erfolgt mittels der Ratenanpassungsstufe 12.
Zu diesem Zweck werden zyklisch X Bits über eine Datenverbindung 16 aus dem
Eingangsspeicherbereich I ausgelesen, einer bestimmten Punktierung
und/oder Wiederholungskodierung unterzogen und anschließend in
den Ausgangsspeicherbereich A geschrieben. Die Anzahl X der pro
Zyklus aus dem Eingangsspeicherbereich I entgegengenommenen Bits
ist wesentlich geringer als die Größe des Speichers 11,
so dass der Zyklus in der Regel viele Male durchlaufen wird, bevor
der Eingangsspeicherbereich I geleert beziehungsweise der Ausgangsspeicherbereich
A gefüllt
ist.
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Um
ein Überlaufen
des Ausgangsspeicherbereichs A zu verhindern, überwacht die zweite Steuereinheit
CL2 fortlaufend den Füllstand
entweder des Eingangsspeicherbereichs I oder des Ausgangsspeicherbereichs
A.
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Die
Funktionsweise der in 3 gezeigten Datenratenanpassungsschaltung 10 wird
nachfolgend in Verbindung mit den 4 und 5 näher erläutert.
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Eine
bestimmte Datenmenge 20 bestehend aus N1 Bits soll durch
Ratenanpassung in eine Datenmenge 30 bestehend aus N1 + ΔN1 Bits transformiert
werden. Die Datenmengen 20 beziehungsweise 30 sind
in 4 durch Säulen dargestellt,
deren Höhen
N1 beziehungsweise N1 + ΔN1
wiederspiegeln. Da ΔN1 < 0 folgt K1 < 1. Zunächst wird
in der ersten Steuereinheit CLl der Ratenanpassungsfaktor K1 berechnet.
Anschließend
stellt die erste Steuereinheit CL1 über die Steuerleitung 17 die
speicherinterne Partitionsgrenze 14 ein, das heißt es wird
festgelegt, wie groß der
Eingangsspeicherbereich I und der Ausgangsspeicherbereich A sind
(die Summe dieser beiden Spei cherbereiche ist durch die Größe des Speichers 11 fest
vorgegeben). Die Festlegung erfolgt nach der Beziehung. WA/WI ≈ K. Gl.2
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Dabei
bezeichnet WA die Größe des Ausgangsspeicherbereichs
A und WI bezeichnet die Größe des Eingangsspeicherbereichs
I. In dem in 4 dargestellten
Beispiel gilt K1 = 1/2. Der Eingangsspeicherbereich I wird daher
doppelt so groß wie
der Ausgangsspeicherbereich A eingestellt.
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Nachfolgend
wird ein erster Teildatenstrom 20.1 in den Eingangsspeicherbereich
I geschrieben. Die Anzahl der Bits des Teildatenstroms 20.1 entspricht
der zuvor bestimmten Speichergröße des Eingangsspeicherbereichs
I, so dass dieser vollständig (oder
zumindest nahezu vollständig)
gefüllt
wird.
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Anschließend wird
der Teildatenstrom 20.1 zyklenweise durch die Ratenanpassungsstufe 12 ausgelesen
und punktiert. Obgleich z.B. X = 4, kann ein Zyklus auch lediglich
ein einziges Bit (X = 1) umfassen. Der aus dem Teildatenstrom 20.1 erzeugte komprimierte,
punktierte Teildatenstrom 30.1 wird in dem Ausgangsspeicherbereich
A abgelegt. Aufgrund der zuvor erfolgten Partitionierung des Speichers 11 entsprechend
dem Ratenanpassungsfaktor K1 werden die beiden Speicherbereiche
I und A optimal genutzt.
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Sobald
die zweite Steuereinheit CL2 feststellt, dass der erste Teildatenstrom 20.1 vollständig ratenadaptiert
ist (z.B. infolge der Feststellung, dass der Ausgangsspeicherbereich
A gefüllt
oder der Eingangsspeicherbereich I komplett geleert ist), wird die zyklische
Abarbeitung abgebrochen. Es erfolgt nun über die Datenverbindung 15 ein
Lesezugriff auf den Ausgangsspeicherbereich A, mittels welchem der komprimierte
Teildatenstrom 30.1 ausgelesen wird. Ferner wird mittels
eines Schreibzugriffes über
die Datenverbindung 13 der nächste anstehende Teildatenstrom 20.2 in
den Eingangsspeicherbereich I geschrieben. Die beiden Zugriffe können zeitgleich
erfolgen, sofern es sich bei dem Speicher 11 um einen Dual-Port-Speicher handelt.
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Nachfolgend
werden die Teildatenströme 20.2, 20.3 und 20.4 in
der bereits beschriebenen Weise in die Teildatenströme 30.2, 30.3 und 30.4 transformiert.
Stets wird eine optimale Speichernutzung garantiert. Nach der Verarbeitung
der vier Teildatenströme 20.1 bis 20.4 sind
die N1 Bits der Datenmenge 20 mit dem Ratenanpassungsfaktor
K1 verarbeitet.
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Unmittelbar
anschließend
steht die Verarbeitung der Datenmenge 40 bestehend aus
N2 Bits an, die in die Datenmenge 50 bestehend aus N2 + ΔN2 Bits expandiert
werden soll. Es gelte in diesem Beispiel K2 = 6. Nach der Berechnung
des Wertes K2 in der ersten Steuereinheit CL1 wird die interne Partitionsgrenze 14 so
verschoben, dass der Speicher 11 für die Ausführung der neuen Ratenanpassungsaufgabe
optimiert ist. Folglich wird gemäß Gleichung
2 WA/WI ≈ 6
eingestellt. Die Expansion der Teildatenströme 40.1 bis 40.6 in
die Teildatenströme 50.1 bis 50.6 erfolgt
dann in der bereits beschriebenen Weise durch zyklisches Ausführen einer
Wiederholungskodierung an jeweils X Bits.
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5 veranschaulicht die beschriebenen Verfahrensschritte
anhand eines Ablaufdiagramms. Die gestrichelte äußere Schleife S1 repräsentiert
die Verarbeitung der Teildatenströme 20.1 bis 20.4 beziehungsweise 40.1 bis 40.6,
die innere Schleife S2 zeigt den zyklenweisen Betrieb der Ratenanpassungsstufe 12.
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Die
Größe des Speichers 11 sollte
so gewählt
sein, dass auch bei Kmin und bei Kmax eine optimale Speicheranpassung
möglich
bleibt. Hierfür muss
die Speichergröße größer als
Kex: = max{Kmax + 1, Kmin–1 + 1} sein. In der
Praxis wird für die
Speichergröße ein Wert
W = 2X·Q-Bits
gewählt, wobei
2X die nächsthöhere Zweierpotenz
zu der Zahl Kex ist und Q die Wortbreite des Speichers bezeichnet.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass K·X weder für K < 1 noch K > 1 eine ganze Zahl sein muss. Sofern K·X keine
ganze Zahl ist, treten in den einzelnen Zyklen unterschiedliche
Zyklen-Ratenanpassungsfaktoren auf, die die Bedingung erfüllen müssen, dass
im Mittel eine Ratenanpassung mit dem benötigen Faktor K erreicht wird.
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Es
wird ferner darauf hingewiesen, dass z.B. für K < 1 eine Überwachung des Ausgangsspeicherbereichs
A und für
K > 1 die Überwachung
des Eingangsspeicherbereichs I günstiger
als die entsprechenden alternativen Möglichkeiten sind. Für K < 1 ist die Anzahl
der Zyklen, die die Ratenanpassungsschaltung 10 benötigt, um
sämtliche
Bits des Eingangsspeicherbereichs I (z.B. die Bits des Teildatenstroms 20.1)
auszulesen, bekannt, und die zweite Steuereinheit CL2 informiert
in diesem Fall über
den genauen Füllstand
des Ausgangsspeicherbereichs A, der nach dieser Anzahl von Zyklen
erreicht ist. Umgekehrt ist für
K > 1 die Anzahl der
Zyklen, die die Ratenanpassungsschaltung 10 benötigt, um
den Ausgangsspeicherbereich A komplett zu füllen, bekannt, und die zweite
Steuereinheit CL2 informiert in diesem Fall über den genauen Füllstand
des Eingangsspeicherbereichs I.