DE1070224B

DE1070224B - Arrangement for pulse code modulation

Info

Publication number: DE1070224B
Application number: DENDAT1070224D
Authority: DE
Inventors: Stuttgart-Stiammheim Dr -Ing. Hans Marko
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Publication date: 1959-12-03

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

DEUTSCHES Mr9m< PATENTAMTGERMAN Mr9m < PATENT OFFICE

KL.21aiKL.21ai

INTERNAT. KL.INTERNAT. KL. AUSLEGESCHRIFT 1070 224EXPLAINING EDITORIAL 1070 224

St 14055 VIIIa/21a¹ St 14055 VIIIa / 21a ¹

AN M E LDE TAG 23. J U LI 19 5 8AN M E LDE DAY 23 J U LI 19 5 8

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UND AUSGABE DER AUSLEGESCHRIFT·NOTICE THE REGISTRATION AND ISSUE OF THE EDITORIAL

3. DEZEMBER 1959DECEMBER 3, 1959

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Pulscodemodulation, die sich besonders für Mehrkanalsysteme nach dem Zeitmultiplexverfahren eignet.The invention relates to an arrangement for pulse code modulation, which is particularly useful for multi-channel systems according to the time division multiplex method.

Bei der Pulscodemodulation (PCM) wird der zu übertragende Amplitudenbereich in Amplitudenstufen unterteilt. Jeder dieser Amplitudenstufen wird entsprechend einem Code eine kennzeichnende Folge von Impulsen zugeordnet. Für jeden zu übertragenden Momentanwert des Signals wird dann die Impulsfolge ausgesendet, deren zugehörige Amplitudenstufe dem Momentanwert am nächsten liegt.With pulse code modulation (PCM), the amplitude range to be transmitted is in amplitude steps divided. Each of these amplitude levels becomes a characteristic sequence of according to a code Assigned to impulses. The pulse sequence is then for each instantaneous value of the signal to be transmitted sent out whose associated amplitude level is closest to the instantaneous value.

Setzt man einen binären Code voraus, gemäß dem in den Codcimpulsfolgen nur zwei Amplitudenwerte auftreten, so muß jede Codeimpulsfolge, wenn man im Signalbereich m Amplitudenstufen unterscheiden will, aus η = logg m Codeimpulsen bestehen. Für eine beliebige Amplitudenstufe N ergibt sich dann die zugehörige Impulsfolge aus der Reihe N = a„_ _t · 2"—^l + . . . + »j · 2¹ + o₀ · 2°. Dabei sind a_n__v ... O₀ die Amplituden der einzelnen Codeimpulsc, die beim binären Code z. B. gleich 1 oder gleich 0 sind.Assuming a binary code according to which only two amplitude values occur in the code pulse sequences, each code pulse sequence must consist of η = logg m code pulses if one wishes to distinguish m amplitude levels in the signal range. For any amplitude level N , the associated pulse sequence results from the series N = a "_ _t · 2" - ^l +... + »J · 2 ¹ + o ₀ · 2 °. Here, a _n _ _{v ..} O _{0 are} the amplitudes of the individual code pulses, which are, for example, equal to 1 or equal to 0 in the case of the binary code.

Anordnung zur PulscodemodulationArrangement for pulse code modulation

Anmelder:Applicant:

Standard Elektrik LorenzStandard electrical system Lorenz

Aktiengesellschaft,Corporation,

Stuttgart-Zuff enhausen,Stuttgart-Zuff enhausen,

Hellmuth-Hirth-Str. 42Hellmuth-Hirth-Str. 42

Dr.-Ing. Hans Marko, Stuttgart-Stammheim,
ist als Erfinder genannt wordenDr.-Ing. Hans Marko, Stuttgart-Stammheim,
has been named as the inventor

So wird z. B. bei einem Code mit acht Codeimpulsen pro Impulsfolge die Amplitudenstufe 134 durch die ImpulsfolgeSo z. B. in a code with eight code pulses per pulse train, the amplitude stage 134 through the Pulse train

134 = 1 · 27 + 0 ■ 2« + 0 · 25 + 0 · 2* + 0 · 23 + 1 · 22 + 1 · 2> + 0 · 2»134 = 1 · 27 + 0 · 2 «+ 0 · 25 + 0 · 2 * + 0 · 23 + 1 · 22 + 1 · 2> + 0 · 2 »

dargestellt. Die Wertigkeit der einzelnen Impulse in der Codeimpulsfolge ist also nach Potenzen von 2 gestaffelt. shown. The value of the individual pulses in the code pulse sequence is graded according to powers of 2.

Es sind bereits verschiedene Verfahren zur Pulscodemodulation nach einem binären Code bekanntgeworden. Sie haben jedoch den Nachteil, relativ aufwendig zu sein. Ferner ist bei ihnen die Aussendung eines Codeimpulses von dem Überschreiten einer bestimmten Amplitudenschwelle abhängig. Daraus ergeben sich leicht Ungenauigkeiten in der Codierung.Various methods for pulse code modulation according to a binary code have already become known. However, they have the disadvantage of being relatively expensive. Furthermore, with them is the broadcast of a code pulse depending on the exceeding of a certain amplitude threshold. Result from this Inaccuracies in the coding can easily be found.

Es sind weiterhin Coder bekanntgeworden, bei denen ein auf den zu codierenden Signalwert aufgeladener Kondensator exponentiell so entladen wird, daß die an ihm stehende Spannung jeweils in der Zeit, die dem Abstand zweier Codeimpulse entspricht, auf die Hälfte absinkt. In den von dieser Spannung gesteuerten mehrstufigen Codern sind die einzelnen Stufen entsprechend vorgespannt, um die Aussendung eines Codeimpulses an der betreffenden Stelle zu veranlassen bzw. zu verhindern. Bei vorgespannten Codern ergeben, sich jedoch an der Übergangsstelle zwischen zwei Amplitudenstufen leicht Ungenauigkeiten. Die hier vorgeschlagene Anordnung zur Pulscodemodulation, bei welcher der zu codierende Augenblickswert des Nachrichtensignals in einem Kondensator gespeichert wird, dem eine von einem Taktsignal gesteuerte und PCM-Impulse abgebende Torschaltung nachgeschaltet ist, vermeidet diesen und die obengenannten Nachteile. Die Anordnung ist erfindungsgemäß so ausgebildet, daß die Torschaltung in Abhängigkeit von der Polarität des Signals am Kondensator einen negativen oder positiven PCM-Impuls abgibt, der außerdem gleichzeitig über eine Verzögerungsleitung, deren Verzögerungszeit etwaFurthermore, coders have become known in which a signal value loaded onto the signal value to be coded Capacitor is exponentially discharged so that the voltage standing on it in each case in the time that the Distance between two code pulses, drops by half. In the multi-stage controlled by this tension Coders are preloaded accordingly in order to enable the transmission of a code pulse to initiate or prevent at the relevant point. With pre-tensioned coders, however, arise slight inaccuracies at the transition point between two amplitude levels. The one suggested here Arrangement for pulse code modulation, in which the instantaneous value of the message signal to be coded is stored in a capacitor, which is controlled by a clock signal and emits PCM pulses Gate circuit is connected downstream, avoids this and the disadvantages mentioned above. The order is designed according to the invention so that the gate circuit as a function of the polarity of the signal emits a negative or positive PCM pulse on the capacitor, which also has a Delay line whose delay time is about

gleich dem halben Abstand -5- zweier Codeimpulse ist,is equal to half the distance -5- between two code pulses,

einem Schaltkreis zugeführt wird und dort entsprechend seiner Polarität bewirkt, daß ein Impulsausschnitt aus einer am Eingang dieses Schaltkreises liegenden, innerhalb einer Codierperiode abklingenden Steuerspannung mit positiver oder negativer Polarität zu der Spannung am Kondensator addiert wird, und daß dieser Vorgang pro zu codierendem Augenblickswert des Nachrichtensignals η-mal wiederholt wird, wenn η die Zahl der Impulse pro Codeimpulsgruppe ist.is fed to a circuit and there, according to its polarity, causes a pulse excerpt from a control voltage at the input of this circuit, decaying within a coding period, with positive or negative polarity to be added to the voltage on the capacitor, and that this process per instantaneous value of the message signal to be coded Repeated η times if η is the number of pulses per code pulse group.

Im folgenden sollen verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Figuren näher erläutert werden. Es zeigtIn the following, various exemplary embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the figures will. It shows

Fig. 1 das Schema eines binären Codes, wie er der Modulationsanordnung nach der Erfindung zugrunde Hegt,Fig. 1 shows the scheme of a binary code as the modulation arrangement according to the invention is based Cherishes

Fig. 2 eine Anordnung zur Pulscodemodulation nach der Erfindung für mehrere Nachrichtenkanäle,2 shows an arrangement for pulse code modulation according to the invention for several communication channels,

Fig. 3 eine Anordnung zur Pulscodemodulation nach der Erfindung für einen Nachrichtenkanal,3 shows an arrangement for pulse code modulation according to the invention for a communication channel,

Fig. 4, 5 und 6 drei Schaltungen zur Erzeugung der in dem Pulscodemodulator benötigten Steuerspannung.4, 5 and 6 show three circuits for generating the control voltage required in the pulse code modulator.

Fig. 1 zeigt das Schema des üblichen Binärcodes mit der entsprechenden Zuordnung der Amplitudenwerte. Bei der Codierung muß also zunächst entschieden werden, ob das zu codierende Signal über-1 shows the scheme of the usual binary code with the corresponding assignment of the amplitude values. The coding must therefore first be decided whether the signal to be coded is transmitted

909 687/269909 687/269

oder unterhalb der Nullinic liegt (Spalte 1). Entsprechend dem Ergebnis wird dann der erste Codeimpuls ausgesendet oder nicht ausgesendet.or below the nullinic (column 1). Corresponding the result is then sent out or not sent out the first code pulse.

Die zweite Entscheidung besagt dann, ob das Signal ober- oder unterhalb der Linie +Va bzw. -¹It liegt (Spalte 2). Diese Operation kann man mit der ersten, nämlich der Entscheidung, ob das Signal positiv oder negativ ist, identisch machen, indem man das Signal um den Betrag Vs nach oben oder nach unten verschiebt, je nachdem, ob die erste Entscheidung positiv war oder nicht. Man muß also abhängig von der vorherigen Entscheidung eine Gleichspannung bzw. einen entsprechenden Impuls mit der Größe der· folgenden Amplitudenstufe zum Signal addieren bzw. davon subtrahieren und dann die nächste Entscheidung treffen (Spalte 3) usf.The second decision then states whether the signal is above or below the line + Va or - ¹ It (column 2). This operation can be made identical to the first one, namely the decision as to whether the signal is positive or negative, by shifting the signal up or down by the amount Vs, depending on whether the first decision was positive or not. Depending on the previous decision, one must add or subtract a direct voltage or a corresponding pulse with the size of the following amplitude level to the signal and then make the next decision (column 3) and so on.

Die Schaltung gemäß der Erfindung, die dies realisiert, zeigt Fig. 2. Tn ihr ist ein Pulscodemodulator für ein Mehrkanalsystem im Zeitmultiplex dargestellt. Die einzelnen Kanäle 4, 5, 6 werden mittels eines elckironischen Schalters 7 abgetastet und die sich ergebenden PAM-Impulse im Speicherkondensator 8 ge^ speichert. Die Spannung am Kondensator wird dann einer Torschaltung 9, die von Taktimpulsen 15 gesteuert wird, deren Abstand gleich dem Abstand der erzeugten Codeimpulse ist, zugeführt. Diese Torschaltung sendet jetzt je nach Polarität der Spannung am Kondensator 8 einen positiven oder einen negativen Impuls aus. Dieser Impuls wird einmal als PCM-I mpuls dem Ausgang 10 zugeführt und zum anderenThe circuit according to the invention which realizes this shows FIG. 2. It shows a pulse code modulator for a multi-channel system in time division multiplex. The individual channels 4, 5, 6 are made using an electronic device Switch 7 scanned and the resulting PAM pulses in the storage capacitor 8 ge ^ saves. The voltage across the capacitor is then a gate circuit 9, which is controlled by clock pulses 15, the distance between which is equal to the distance generated code pulses is supplied. This gate circuit now sends depending on the polarity of the voltage on Capacitor 8 emits a positive or a negative pulse. This pulse is once called PCM-I mpuls fed to the output 10 and on the other

über eine Laufzeitkette 11 mit der Laufzeit — einemvia a runtime chain 11 with the runtime - a

Schaltkreis 12 zugeführt. Gleichzeitig liegt an diesem Schaltkreis auch eine Stcucrspannung 13. Der vom Ausgang 10 über die Laufzeitkette 11 zurückgeführte PCM-Tmpuls bewirkt nun in Abhängigkeit von seiner Polarität, daß ein Impulsausschnitt aus der an dem Schaltkreis 12 liegenden Stcucrspannung 13 mit positiver oder negativer Polarität auf den Kondensator 8 gelangt. Dadurch wird die Spannung am Kondensator 8 um einen additiven Betrag geändert, dessen Polarität vom vorhergehenden Codeimpuls abhängt und dessen Größe durch die augenblickliche Amplitude der Steuerspannung gegeben ist. Diese Steuerspannung besteht aus einer Folge von exponentiell abklingenden Schwingungen, deren Zeitkonstanten so bemessen sind, daß sie nach der Zeit τ, die gleich dem zeitlichen Abstand zweier Codeimpulse ist, jeweils auf die Hälfte abgeklungen sind. Die zeitliche Länge dieser einzelnen abklingenden Schwingungen ist also gleich τ · η, wenn η die Zahl der Impulse pro Codeimpulsgruppc ist. Dadurch wird ein immer kleiner werdender Betrag zum im Speicherkondensator 8 gespeicherten Signal mit positivem oder negativem Vorzeichen addiert, entsprechend der immer kleiner werdenden Stufenhöhe des Codes von Fig. L. Die Laufzeitkette 11 hat nur die Aufgabe, eine Selbsterregung des Kreises 8, 9, 12 zu verhindern. Der Verstärker 14 ist prinzipiell nicht notwendig. Er dient hauptsächlich zur Entkopplung und zur eventuellen Begrenzung des Signals.Circuit 12 supplied. At the same time, a plug voltage 13 is also applied to this circuit. The PCM pulse fed back from output 10 via delay chain 11 now causes, depending on its polarity, a pulse section from plug voltage 13 applied to circuit 12 with positive or negative polarity on the capacitor 8 arrives. As a result, the voltage on the capacitor 8 is changed by an additive amount, the polarity of which depends on the preceding code pulse and the size of which is given by the instantaneous amplitude of the control voltage. This control voltage consists of a sequence of exponentially decaying oscillations, the time constants of which are dimensioned such that they have decayed by half after the time τ, which is equal to the time interval between two code pulses. The length of time of these individual decaying oscillations is therefore equal to τ · η if η is the number of pulses per code pulse group. As a result, an ever decreasing amount is added to the signal stored in the storage capacitor 8 with a positive or negative sign, corresponding to the ever decreasing step height of the code of FIG to prevent. The amplifier 14 is not necessary in principle. It is mainly used for decoupling and, if necessary, for limiting the signal.

Als Schaltkreis 12 wird zwcckmäßigcrwcise eine Modulatoraiiordnung verwendet, wie sie aus der PAM-Tcchnik bekannt ist. z. B. ein Diodcn-Brückcnmodulator. A modulator arrangement such as that used in PAM technology is used as the circuit 12 is known. z. B. a diode bridge modulator.

Da bei dem Verfahren nach der Erfindung keine Vergleichsspannungcn nötig sind, sondern nur entschieden werden muß, ob ein Signal negativ oder positiv ist, und entsprechend im Speicherkondensator Spannungen addiert und subtrahiert werden, ist die gesamte Anordnung glcichstromfrei, wodurch sich im Schaltungsaufbau wesentliche Vereinfachungen eV-geben. Since in the method according to the invention no comparison voltages are necessary, but only decided must be whether a signal is negative or positive, and accordingly in the storage capacitor Voltages are added and subtracted, the entire arrangement is DC-free, which means that the Circuit design essential simplifications eV-give.

Da der Kondensator 8 am Ende jeder Codeimpulsgruppe noch eine sehr kleine Ladung enthält, könnte beim Übergang des Schalters 7 zum nächsten Kanal ein Nebensprechen als Störung auftreten. Um dieses zu vermeiden, müßte man den Kondensator während des Überganges vollständig entladen. Da dies auf gewisse Schwierigkeiten stößt, kann man zwei Kondensatoren 8 verwenden, die alwechselnd in die Schaltung eingeschaltet werden, so daß sich der eine Kondensator vollständig entladen kann, während der andere in der Schaltung geladen wird, und umgekehrt. Entsprechend kann man auch zwei \'ollständigc Schaltungen nach Fig. 2 verwenden, wobei in der einen die geradzahligen und in der anderen die ungeradzahligen Kanäle codiert werden.Since the capacitor 8 still contains a very small charge at the end of each code pulse group, could when the switch 7 passes to the next channel, crosstalk occurs as interference. To this To avoid this, the capacitor would have to be completely discharged during the transition. Since this in a certain way If you encounter difficulties, you can use two capacitors 8, which alternate in the circuit be switched on so that one capacitor can discharge completely while the other is loaded in the circuit and vice versa. Correspondingly, one can also create two complete circuits use according to Fig. 2, in one the even-numbered and in the other the odd-numbered Channels are coded.

Tn Fig. 3 ist der entsprechende Pulscodemodulator für nur einen Kanal dargestellt. In diesem Fall kann der Schalter 7 entfallen, da die durch den Tiefpaß 16 gefilterte Signalspannung während der kurzen Zeit einer Codeimpulsgruppe genügend konstant ist. Der Tiefpaß 16 endet in einem Querkondensator, der gleichzeitig den Speicherkondensator 8 nach Fig. 2 darstellt. Die Steuerspannung 13 und die Taktimpulse 15 sind dann nur im Abtastzeitraum eines Kanals vorhanden und zu den übrigen Zeiten gleich Null. Im übrigen ist die Wirkungsweise der Schaltung mit der der Schaltung nach Fig. 2 identisch.Tn Fig. 3, the corresponding pulse code modulator is shown for only one channel. In this case it can the switch 7 is omitted, since the signal voltage filtered by the low-pass filter 16 during the short time of a code pulse group is sufficiently constant. The low-pass filter 16 ends in a shunt capacitor, the at the same time represents the storage capacitor 8 according to FIG. The control voltage 13 and the clock pulses 15 are then only available in the sampling period of a channel and are equal to zero at the other times. in the Otherwise, the mode of operation of the circuit is identical to that of the circuit according to FIG.

In Fig. 4 ist ein Netzwerk zur Erzeugung der Stcuerspannung dargestellt. Speist man dieses /?C-Glied 17 mit kurzen Stromimpulsen, so ergibt sich über ihm ein Spannungsverlauf 18, der die an die Steuerspannung 13 in Fig. 2 und 3 gestellten Bedingungen erfüllt.4 shows a network for generating the control voltage. If you feed this /? C-member 17 with short current pulses, there is a voltage curve 18 across it, which is applied to the control voltage 13 in Fig. 2 and 3 conditions set is met.

Fig. 5 zeigt ein weiteres kombiniertes Netzwerk 19. Der hierüber bei gleicher Einspeisung abnehmbare Spannungsverlauf 20 zeigt eine durch das zusätzliche 7?CL-Glied hervorgerufene, der Exponentialkurve überlagerte gedämpfte Sinusschwingung. Durch den sich dadurch ergebenden treppenförmigen \^erlauf der Exponentialkurve wirken kleine Zeitungenauigkeiten weniger störend.5 shows a further combined network 19. The one that can be removed with the same feed Voltage curve 20 shows an exponential curve caused by the additional 7? CL element superimposed damped sinusoidal oscillation. Through the resulting step-shaped course of the Small newspaper inaccuracies have a less disruptive effect on the exponential curve.

Fig. 6 zeigt ein weiteres Netzwerk 21, bestehend aus einem Schwingkreis, der exponentiell abklingende Schwingungen mit der doppelten Frequenz der Codeschritte liefert. Mittels eines Gleichrichters werden nur die positiven Halbwellen durchgelassen, so daß sich am Ausgang ein Spannungsverlauf nach 22 ergibt. Die Dämpfung des Schwingkreises ist dimensioniert, daß sich die Impulsintegrale zweier aufeinanderfolgender positiver Halbwellen wie 2 :1 verhalten. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß damit der Ein- und Ausschaltzcitpunkt des Schaltkreises 12 (Fig. 2 und 3) weniger kritisch wird. Der Schaltkreis muß nun lediglich zwischen zwei aufeinanderfolgenden positiven Halbwellen ein- bzw. abgeschaltet werden, wobei keine Forderungen an die Zeitgenauigkeit des Ein- bzw. Abschaltzeitpunktes zu stellen sind.6 shows a further network 21, consisting of an oscillating circuit, the one that decays exponentially Provides oscillations with twice the frequency of the code steps. Using a rectifier will be only the positive half-waves are allowed to pass, so that a voltage curve according to 22 results at the output. The damping of the resonant circuit is dimensioned so that the pulse integrals of two successive positive half-waves behave like 2: 1. This arrangement has the advantage that the input and Switch-off point of the circuit 12 (FIGS. 2 and 3) becomes less critical. The circuit now only has to are switched on or off between two successive positive half-waves, with none Requirements for the time accuracy of the switch-on and switch-off time must be made.

Claims

1. Arrangement for pulse code modulation according to a binary code, in which the to be coded Instantaneous value of the message signal is stored in a capacitor, one of which is Clock signal controlled and PCM pulses emitting gate circuit is nachgeschaltct, thereby characterized in that the gate circuit as a function of the polarity of the signal on the capacitor

emits a negative or positive PCM pulse, who also use a delay line at the same time, the delay time of which is approximately the same

is half the distance - ^ - of two code pulses,

is supplied to a circuit and there, according to its polarity, causes a pulse excerpt from a control voltage at the input of this circuit, decaying within a coding period, with positive or negative polarity to be added to the voltage on the capacitor, and that this process per instant to be coded is worth the Message signal is repeated η times when η is the number of pulses per code pulse group.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the control voltage consists of a sequence consists of exponentially decaying vibrations, the time constant of which is such that their amplitude after the time τ, which corresponds to the distance between two code pulses, to the Half has decayed, and their length is equal to η · τ in each case.

3. Arrangement according to claim 2, characterized in that the exponentially decaying Vibrations is also superimposed by a sine wave voltage that is also decaying.

4. Arrangement according to claim 1, characterized in that the control voltage from the positive Half-waves of a sinusoidal oscillation with the frequency γ, which is damped so that the Impulse integrals of two successive half-waves behave like 2: 1.

5. Arrangement according to claim 2 or 3 for use in multi-channel systems, characterized in that that two storage capacitors are provided to avoid crosstalk, the are switched on alternately in the circuit.

6. Arrangement according to claim 2 or 3 for use in multi-channel systems, characterized in that that two identical circuits of the type mentioned are provided to avoid crosstalk of which one is the news signals of the even-numbered channels and the other which are fed to the odd-numbered channels.

7. Arrangement according to claim 2 or 3 for use for only one channel, characterized in that that the storage capacitor is at the same time the last link of a low-pass filter to which that coding message signal is supplied.

Considered publications:
German patent specification No. 812 441.

1 sheet of drawings