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Modulator mit Kompander
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an das Nebensprechen insbesondere für eine Vielzahl von Kanälen gleichzeitig verwendet werden kann.
Ausgehend von einem Modulator mit Kompander für Geräte und Einrichtungen der elektrischen Nach- richtentechnik, bestehend aus einer das eingangsseitig zugeführte Signal abtastenden Abtasteinrichtung und einem sich daran anschliessenden, die Abtastproben in dauermodulierte Pulse umsetzenden Pulsmodulationswandler, an den sich gegebenenfalls ein weiterer Pulsmodulationswandler anschliessen kann, und bei dem der erstgenannte Pulsmodulationswandler einenladekondensator aufweist, der mittels einer Umladevorrichtung mit jeder ankommendenAbtastprobe kurzzeitig auf den Wert der Abtastprobe aufgeladen und im Zeitintervall zweier aufeinanderfolgender Abtastproben wenigstens annähernd zeitlinear entladen wird, wird diese Aufgabe gemäss der Erfindung dadurch gelöst, dass dem Modulator für die Kompandierung eine Schaltanordnung zugeordnet ist, die einen Zähler,
einen diesen speisenden, von den dauermodulierten Pulsen gesteuerten Start-Stop-Generator, und eine vom Zähler gegebenenfalls über eine logische Schaltung gesteuerte, für eine Umschaltung der Entladezeitkonstante der Umladevorrichtung verwendete Schalteinrichtung umfasst, wobei die Schalteinrichtung in Abhängigkeit von der Zählstellung des Zählers im Sinne eines gewünschten Kompandierungsverhältnisses betätigt wird.
Der Erfindung liegt die wesentliche Erkenntnis zugrunde, dass die Kompandierung keineswegs unmittelbar auf die eingangsseitig anstehende Modulationsgrösse angewendet werden muss, und dass die Vornahme der Kompandierung über eineUmschaltung derZeitkonstante derUmladevorrichtung des das pulsamplitudenmodulierte Signal in ein pulsdauermoduliertes Signal umwandelnden Pulsmodulationswandlers einen Schaltungsaufbau ermöglicht, der auf die Nebensprecheigenschaften des Modulators praktisch keinen Einfluss hat.
Vorzugsweise weist der die Abtastproben in dauermodulierte Pulse umsetzende Pulsmodulationswandler einen Schalttransistor in Emitterschaltung auf, dessen Steuereingang in Reihe mit dem Ladekondensator den Eingang des Pulsmodulationswandlers bildet. Die Umladevorrichtung selbst umfasst ausser dem Schalttransistor einen den Eingang des Pulsmodulationswandlers im Zeitintervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Abtastproben kurzschliessenden Schalter und wenigstens zwei in Reihe geschaltete Entladewiderstände, die zwischen dem gemeinsamen Verbindungspunkt des Ladekondensators und des Steuereingangs des Schalttransistors und einer Betriebsgleichspannung angeschaltet sind. Von diesen Entlade- widerstände n sind bis auf einen alle von Schaltern überbrückt. Diese Schalter (bei zwei Entladewiderständen ein Schalter) stellen die Schalteinrichtung dar.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel nach der Erfindung, bei dem der Modulator dadurch zu einem Pulscodemodulator ausgestaltet ist, dass die dauermodulierten Pulse dem Eingang eines Start-StopGenerators zugeführt sind, der während der Dauer eines dauermodulierten Pulses eine seiner Dauer proportionale Anzahl von Impulsen einem Binärzähler zuführt, an dessen Stufenausgängen jeweils am Ende eines Zählvorgangs die Elemente des gewünschten Codes zeitparallel anstehen, sind der Start-Stop-Generator und der Binärzähler in die der Kompandierung dienende Schaltanordnung einbezogen.
Zur scharfen Begrenzung des Binärzählers bei seiner maximalen Zählstellung ist es zweckmässig, ihm neben der die Umschaltung der Zeitkonstante der Umladevorrichtung vornehmenden Schalteinrichtung eine weitere, auf den Zählvorgang einwirkende Schalteinrichtung zuzuordnen, die mit ihrem Steuereingang gegebenenfalls über eine logische Schaltung derart an den Binärzähler angeschaltet ist, dass sie bei seiner maximalen Zählstellung anspricht und damit den weitereil Zählablauf unterbindet.
Damit das ursprüngliche Signal bei der empfangsseitigen Dehnung möglichst verzerrungsfrei zurückgewonnen werden kann, muss der Nullwert der Signalspannung möglichst genau über der Zeit mit einem vorgegebenen Ort auf der Kompandierungskennlinie übereinstimmen. Bei der Übertragung von Wechselspannungen beispielsweise, für die die Kennlinie desKompanders zwei Knicke aufweist, soll der Nullwert der Signalspannung in der Mitte der Kompandierungsschwelle liegen. Dies kann gemäss einer Weiterbildung bei einem Pulscodemodulator nach der Erfindung in einfacher Weise mittels einer einen Regelverstärker aufweisenden automatischen Regelschaltung dadurch erreicht werden, dass als Kriterium das über der Zeit gemittelte Verhältnis der beiden möglichen Schaltstellungen der letzten Stufe des Binärzählers verwendet wird.
Hiezu ist der Steuereingang des Regelverstärkers über ein Siebglied an einen der beiden Ausgänge der letzten Zählerstufe angeschaltet. Die Regelspannung des Regelverstärkers kann beispielsweise eine Varaktordiode steuern, die dabei auf dieFrequenzdesStart-Stop-Generators einwirkt.
Im allgemeinen ist es vorteilhaft, das Eingangssignal der Abtasteinrichtung des Modulators zusammen mit einer ihm überlagerten Gleichspannung zuzuführen, deren Grösse gleich der maximalen Amplitude des Signals gewählt ist. Für einen in dieser Weise bemessenen Modulator ist es dann zweckmässig, die automatische Einstellung der Nullage des Signals dadurch vorzunehmen, dass die im Signal am Eingang der Abtasteinrichtung überlagerte Gleichspannung wenigstens teilweise vom Regelverstärker erzeugt wird.
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An Hand von Ausführungsbeispielen, die in den Zeichnungen dargestellt sind, soll die Erfindung im folgenden noch näher erläutert werden. In den Zeichnungen bedeuten Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung, Fig. 2 ein Codeschema für den gewöhnlichen binären Code, Fig. 3 ein Zeitdiagramm der in der Schaltung nach der Fig. 1 auftretenden Spannungen und Fig. 4 eine Begrenzerschaltung für das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1.
Fig. l zeigt das Blockschaltbild eines nach dem Zählverfahren arbeitenden Pulscodemodulators, der gemäss der Erfindung mit einer der Kompandierung dienenden Vorrichtung ausgerüstet ist und sich für die Modulation mehrerer Kanäle (Gruppenmodulator) eines Zeitmultiplexsystems eignet. Der Modulator weist eingangsseitig für jeden Kanal einen Tiefpass TP auf. an dessen Eingang E das Modulationssignal Si ansteht. An jeden Tiefpass schliesst sich eine Abtasteinrichtung an, die hiebei aus dem elektronischen Schalter so besteht. Entsprechend der Anzahl der zu einer Gruppe zusammengefassten Kanäle sind eine entsprechende Anzahl von Tiefpässen mit nachfolgenden Abtasteinrichtungen ausgangsseitig parallel auf den Eingang des nachfolgenden Pulsmodulationswandlers geschaltet.
Der in Fig. 1 dargestellte Tiefpass TP mit nachfolgender Abtasteinrichtung stellt die Modulatoreingangsschaltung für den Kanal 1 dar. Die Modulatoreingangsschaltungen für die übrigen Kanäle 2.... n sind in Fig. l lediglich durch dieSammelschiene am Ausgang des Schalters So angedeutet. Jeder Schalter So wird von einem Takt Tel (1.... n) gesteuert, d. h. der Schalter so für den Kanal 1 mit dem Takt Tl, l, dessenFolgefrequenz zur Erfüllung desAbtasttheorems wenigstensdoppelt so gross gewählt ist, wie die höchste Frequenz des Signals Si.
Der Pulsmodulationswandler, in dem die Abtastproben der einzelnen Kanäle in dauermodulierte Pulse umgesetzt werden, weist einen Schalttransistor Tri auf, dessen Basis über die Reihenschaltung der beiden Widerstände Rl und R2 und dessen Kollektor über den Widerstand R3 an der positiven Betriebsgleichspannung Ub anliegen. Dieser Schalttransistor bildet zusammen mit den Widerständen Rl und R2 und dem vom Eingang des Modulationswandlers gegen Bezugspotential liegenden elektronischen Schalter So I eine Umladevorrichtung, die den in Reihe mit der Basis des Schalttransistors geschalteten Ladekondensator Cl im Sinne der gewünschten Umwandlung der Abtastproben umlädt.
Der Takt T2, mit dem derSchalter So'gesteuert wird, hat eine um die Anzahl der in Zeitmultiplex zu einer Gruppe zusammengefassten Kanäle höhere Folgefrequenz wie der Takt Tl (1.... n), und ist so bemessen, dass der Schalter so'im Intervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Abtastwerten geschlossen ist.
Der dem Ausgang des Schalttransistors Tri nachfolgende Verstärker V verstärkt die dauermodulierten Pulse und führt sie dem Eingang eines Start-Stop-Generators G zu, der während der Dauer eines dauermoduliertenPulses eine seiner Dauer proportionale Anzahl von Impulsen dem Eingang des Binärzählers Z zuführt, der im Ausführungsbeispiel fünf Stufen KI.... K5 aufweist. Das Zählergebnis am Ende eines Zählvorganges, das an den"Eins"-Ausgängen der Zählstufen ansteht und bereits den gewünschten binären Code in Paralleldarstellung seiner Elemente, repräsentiert, wird über die vom Übergabepuls T3 gesteuertenschalter sl.... s5 an eineLaufzeitkette La abgegeben, an deren Ausgang A die Elemente der Codezeichen nacheinander auftreten.
Anschliessend wird der Zähler mit dem Rückstellpuls T4 in seine Nullstellung zurückgeschaltet und damit für den nächsten Zählvorgang vorbereitet.
Der Start-Stop-Generator und der Zähler Z sind in die für die erfindungsgemässe Kompandierung erforderliche Schaltanordnung mit einbezogen. Zu diesem Zweck steuert der Zähler über den "Eins"Ausgang seiner Zählstufe K4 und die beiden Ausgänge seiner Zählstufe K5 eine aus zwei Und-Gattern Ul und U2 und einer bistabilen Kippstufe Ko bestehende logische Schaltung, die ihrerseits über den"Eins"-Ausgang der bistabilenKippstufe Ko den den Widerstand R2 überbrückenden Schalter so betätigt. Zur automatischen Einregelung des Nullwertes der Signalspannung auf die Mitte der Kompandierungsschwelle dient der Regelverstärker RV, dessen Eingang über den Widerstand R4 an den"Null"-Ausgang der letzten Stufe K5 des Binärzählers Z angeschaltet ist.
Der Widerstand R4 stellt zusammen mit dem vom Eingang des Regelverstärkers RV gegenBezugspotential liegenden Kondensator C2 ein Siebglied dar, über das am Regelverstärkereingang lediglich der zeitliche Mittelwert der am Nullausgang der Stufe K5 auftretenden Spannung anliegt. Der Ausgang des Regelverstärkers ist mit dem Ausgang der Tiefpässe der Modulatoreingangsschaltungen für die einzelnen Kanäle in Reihe geschaltet, so dass die an ihm anstehende Regelgleichspannung den Signalspannungen an den Eingängen der Abtasteinrichtungen überlagert ist. Hiebei ist die Sollgleichspannung Uo am Ausgang des Regelverstärkers gleich der Soll-Maximal-Amplitude der Signalspannungen gewählt.
Zur näheren Erläuterung der Wirkungsweise des Erfindungsgegenstandes ist in Fig. 2 das Schema des
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natürlichen binären Codes mit fünf Stellen, wie ihn der Binärzähler Z erzeugt, angegeben. Ferner sind in Fig. 3 in zeitlicher Darstellung untereinander die wesentlichen Verläufe der in der Schaltung nach der Fig. l auftretenden Spannungen dargestellt. Dabei sind die einzelnen Diagramme mit Bezugsbuchstaben versehen, die sich auch in Fig. l finden und jeweils den Ort markieren, an dem die einzelnen Spannungen gegen das Bezugspotential wirksam sind.
Die Kompandierung wird, wie bereits erwähnt wurde, beim Modulator nach der Erfindung dadurch gewonnen, dass in Abhängigkeit von der Zählstellung des Binärzählers Z die Zeitkonstante der Umladevorrichtung des die Abtastproben in dauermodulierte Pulse umwandelnden Pulsmodulationswandlers umgeschaltet wird. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. l geschieht dies mittels des Schalters so", der in Ruhestellung den Widerstand R2, der einen Teil desEntladewiderstandes der Ladekondensators Cl bildet, kurzschliesst. Im vorliegenden Fall sei angenommen, dass die Kompandierungsschwelle in den Grenzen der Stufen 8 und 24-vgl. Fig. 2-liegen soll. Das bedeutet, dass der die Impulse am Ausgang des Start-Stop-Generators G zählende Binärzähler Z bei der Zählstellung 0 0 0 1 0 über
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Wie dieBemessung der logischenschaltung Lo in der Schaltung nach Fig. l ohne weiteres erkennen lässt, erfüllt sie diese Bedingungen. Nimmt die Stufe K4 die Schaltstellung "eins" und die Stufe K5 die Schaltstellung "Null" ein, dann gibt das Und-Gatter Ul an die bistabile Kippstufe Ko einen Impuls ab, der sie in die Null-Lage umkippen lässt und damit den Schalter s" in die Stellung "offen" umsteuert. Erreichen dagegen die ZählstUfen K4 und K5 beide die Schaltstellung "eins", so wird die bistabile Kippstufe Ko über den Ausgang des Und-Gatters U2 wiederum in die Ausgangsstellung umgeschaltet und damit der Schalter so" wiederum in die Stellung"zu"umgesteuert.
Entsprechend seiner Bezeichnung stellt das oberste Diagramm der Fig. 3 die Signalspannung des ersten Kanals am Eingang der ihm zugeordneten, durch den Schalter So dargestellten Abtasteinrichtung dar. Dem eigentlichen Signal ist dabei die Gleichspannung Uo überlagert, die gerade so gross gewählt ist, dass der negative Wert der Soll-Maximal-Amplitude des Signals den Wert "Null" annimmt. Die Gleichspannung Uo markiert mit andernWorten die Null-Linie des eine Wechselspannung darstellenden Signals und hat unter anderem den Zweck, dem der Abtasteinrichtung nachgeschalteten Pulsmodulationswandler die Abtastproben nur in einer Polarität zuzuführen.
Um anzudeuten, dass der die Abtasteinrichtung steuernde Takt Tl. l mit entsprechender Phasenverschiebung an den Abtasteinrichtungen der übrigen Kanäle wirksam ist, sind im zweiten Diagramm der Fig. 4 von oben die aufeinanderfolgenden Pulse der Takte Tl, 1.... T1, 4 für die ersten vier Kanäle dargestellt.
Der Binärzähler nach dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 kann insgesamt 32 Amplitudenstufen darstellen. Um dies anzudeuten, ist dem die Abtastproben der aufeinanderfolgenden Kanäle Kal. Ka4 darstellenden Diagramm ein entsprechender Stufenmassstab beigefügt.
Die im Pulsrahmen aufeinanderfolgenden Abtastproben laden den Ladekondensator Cl kurzzeitig über die Emitter-Basis-Strecke des Schalttransistors Tri auf. Der Takt T2 schliesst den Schalter so'im Zeitintervall zweier aufeinanderfolgender Abtastproben, so dass in diesen Zeiträumen der Ladekondensator Cl auf Bezugspotential liegt. Sobald der Schalter sO' geschlossen wird, wird deshalb an der Basis des im Ruhezustand leitenden Schalttransistors eine negative Spannung wirksam, deren Betrag gleich dem Amplitudenwert der Abtastprobe ist, die den Ladekondensator Cl vorausgehend aufgeladen hat. Damit wird der Schalttransistor gesperrt und an seinem Kollektor tritt einepositivespannung auf, die über den Verstärker V den Start-Stop-Generator G in Betrieb setzt. Gleichzeitig beginnt der Binärzähler Z die am Ausgang des Start-Stop-Generators auftretenden Impulse zu zählen.
Bis zur Zählstellung 8 ist der Schalter so" geschlossen. Die Entladung des Ladekondensators Cl erfolgt somit nur über den Widerstand Rl. Bei der Zählstellung "8" wird der Schalter so" geöff- net, so dass nunmehr entsprechend dem Verhältnis der Widerstände R1 + R2 zum Widerstand Rl die Entladung langsamer verläuft. Der dreieckförmige Verlauf der Spannung an der Basis des Schalttransistors erhält somit bei der Zählstellung "8" des Binärzählers einen Knick, dessen Grösse durch das erwähnte Verhältnis bestimmt ist. Die verzögerte Entladung bedeutet, dass die Bewertung des Signals im Bereich um seine Null-Linie herum gegenüber dem Bereich seines negativen Maximalwertes besser ist.
Das gleiche gilt für den Bereich seines positiven Maximalwertes, weil die Entladung durch Öffnen des Schalters so" wiederum beschleunigt wird, sobald der Zähler die Zählstellung "24" erreicht.
Ist der Entladevorgang beendet, dann geht der Schalttransistor Tri wiederum in den leitenden Zustand über und beendet den dauermoduliertenlmpuls am Eingang des Start-Stop-Generators G, der damit in den Ruhezustand übergeht.
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Die Abtastprobe Ka3 im Diagramm b hat eine Amplitudenhöhe von zweiundzwanzig Stufen..
Dementsprechend ist der Entladevorgang des Ladekondensators Cl bereits beendet, bevor der Zähler die Zählstellung vierundzwanzig erreicht und damit über die logische Schaltung Lo den Schalter so" (Diagramm f) wieder schliesst. Dieser Schalter muss bei Beginn einer neuen Entladung des Ladekondensators aber wieder geschlossen sein. Dies besorgt der unmittelbar auf den Übergabepuls T3 folgende Rückstellpuls T4. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. l ist dieser Sachverhalt durch den mit T4 bezeichneten Pfeil am"Eins"-Eingang der bistabilen Kippstufe Ko zum Ausdruck gebracht.
Der Vollständigkeit halber sind im letzten Diagramm der Fig. 3 noch die am Ausgang Ader Lauf- zeitkette La anstehenden Codezeichen dargestellt.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. l ist eine Kompanderkennlinie mit zwei zum Nullwert symmetrisch liegenden Knicken angenommen. Selbstverständlich lassen sich mit dem Erfindungsgegenstand auch Kompanderkennlinien mit mehr als zwei Knickpunkten bei beliebiger Lage durch entsprechende Bemessung der logischen Schaltung und der von der Schaltvorrichtung umfassten Schaltanordnung realisieren.
Bei der automatischen Regelung für die Übereinstimmung der Null-Lage des Signals mit der Mitte der Kompandierungsschwelle wird von der Erkenntnis ausgegangen, dass bei richtiger Einstellung die letzte Stufe des Binärzählers im Mittel die"Null"-Stellung ebenso oft einnehmen muss wie die "Eins"Stellung. Kommt im Mittel die"Eins"-Stellung öfter vor als die"Null"-Stellung oder umgekehrt, so kann die hiedurch hervorgerufene Änderung des Mittelwertes der an den Ausgängen der letzten Zählerstufe auftretenden Spannung in der bereits beschriebenen einfachen Weise zur Nachregelung der dem Signal am Eingang der Abtasteinrichtung überlagerten Gleichspannung ausgenutzt werden.
An Stelle einer Regelung der Gleichspannung Uo kann die Regelausgangsspannung des Regelverstärkers RV auch mit dem gleichen Erfolg zur Steuerung der Frequenz des Start-Stop-Generators verwendet werden.
Das geschilderte, der Regeleinrichtung zugrunde liegende Regelkriterium setzt voraus, dass der Binärzähler bis zu einer maximalen Zählstellung auch voll ausgenutzt wird. Dies wieder bedingt eine Begrenzerschaltung, die bei ausreichender Sicherheit derbegrenzung des Zählers auf seine maximale Zählstellung, dessen volle Ausnutzung zulässt. Eine solche Begrenzerschaltung für einen nach dem Zählverfahren arbeitenden Pulscodemodulator ist beispielsweise in Fig. 4 angegeben. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind hier die Vorrichtungen für die Kompandierung und die automatische Regelung nicht in das Schaltbild mit aufgenommen.
Die Begrenzerschaltung besteht einerseits aus einem Sperrgatter Sp und anderseits aus einem Und-Gatter U3. Das Sperrgatter Sp ist zwischendenAusgangdesStart-Stop-Generators G und den Eingang des Binärzählers Z geschaltet und steht über seinen Sperreingang mit dem Ausgang des UndGatters U3 in Verbindung. Das Und-Gatter U3 weist eine der Anzahl der Stufen des Zählers entsprechende Zahl vonEingängen auf, von denen jeder mit einem"Eins"-Ausgang einer Zählstufe verbunden ist. Sobald der Zähler seine maximale Zählstellung, bei der alle Stufen die"Eins"-Lage annehmen, erreicht, wird das Sperrgatter Sp über dem Ausgang des Und-Gatters U3 gesperrt und damit der weitere Zählablauf unterbrochen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Modulator mit Kompander für Geräte und Einrichtungen der elektrischen Nachrichtentechnik, bestehend aus einer das eingangsseitig zugeführte Signal abtastenden Abtasteinrichtung und einem sich daran anschliessenden, die Abtastproben in dauermodulierte Pulse umsetzenden Pulsmodulationswandler, an den sich gegebenenfalls ein weiterer Pulsmodulationswandler anschliessen kann, und bei dem der erstgenannte Pulsmodulationswandler einen Ladekondensator aufweist, der mittels einer Umladevorrichtung mit jeder ankommenden Abtastprobe kurzzeitig auf den Wert der Abtastprobe aufgeladen und im Zeitintervall zweier aufeinanderfolgender Abtastproben wenigstens annähernd zeitlinearentladen wird, dadurch gekennzeichnet, dass dem Modulator (PW)
für die Kompandierung eine Schaltanordnung zugeordnet ist, die einen Zähler (Z), einen diesen speisenden, von den dauermodulierten Pulsen gesteuerten Start-Stop-Generator (G), und eine vom Zähler gegebenenfalls über eine logische Schaltung (Lo) gesteuerte, für eine Umschaltung der Entladezeitkonstante der Umladevorrichtung verwendete Schalteinrichtung (so") umfasst, wobei die Schalteinrichtung (so") in Abhängigkeit von der Zählstellung des Zählers (Z) im Sinne eines gewünschten Kompandierungsverhältnisses betätigt wird.