DE1272351B - Verfahren zum Umsetzen zeitlich gestaffelter Informationen in gleichzeitig auftretende, frequenzgestaffelte Informationen oder umgekehrt - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

H03k

Deutsche Kl.: 21 al - 36/00

Nummer: 1272 351

Aktenzeichen: P 12 72 351.2-31 (W 37791)

Anmeldetag: 20. Oktober 1964

Auslegetag: 11. Juli 1968

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Umsetzen zeitlich gestaffelter Informationen, z. B. Zeitmultiplex- oder Impulskodesignale, in gleichzeitig auftretende, frequenzgestaffelte Informationen, z. B. Frequenzmultiplex- bzw. Frequenzkodesignale, oder umgekehrt.

Der Informationsgehalt von Signalen kann auf verschiedenen Wegen dargestellt werden. Er kann die Form von Schwingungen bei diskreten Frequenzen annehmen, die über ein ausgedehntes Intervall aufrechterhalten werden. Alternativ hierzu kann er in Impulssignale kurzer Dauer kodiert sein. Die ersteren können als Funktion der Frequenz, die letzteren als Funktion der Zeit betrachtet werden.

Häufig wird von Signalen, die einem bestimmten Systemteil in einer bestimmten Form vorliegen, verlangt, daß sie in anderen Systemteilen eine andere Form annehmen. So kann beispielsweise eine örtliche Informationsquelle auf Zeitmultiplexbasis arbeiten, bei der jedem Kanal einer Vielzahl Nachrichtenkanälen ein vorgegebenes und sich wiederholendes Zeitlagenintervall beigegeben ist. Es kann jedoch sein, daß die resultierenden Zeitmultiplexsignale mit Hilfe einer Gruppe von Trägern übertragen werden sollen, bei denen jedem Nachrichtenkanal eine gesonderte, verschiedene Frequenz beigegeben ist. In ähnlicher Weise kann eine Nachrichtenwelle, die als zeitlich gestaffelte Impulskodemodulation entsteht, für einen Empfänger vorgesehen sein, der auf Frequenzkodeübertragung anspricht.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Umsetzen zeitlich gestaffelter Informationen in die gleichzeitig auftretenden, frequenzgestaffelten Informationsgegenstücke umzusetzen, oder umgekehrt, insbesondere Zeitmultiplexsignale in deren Frequenzmultiplexgegenstücke sowie Impulskodesignale in deren Frequenzkodegegenstücke, oder umgekehrt. Erfindungsgemäß ist die Lösung dieser Aufgabe einerseits für das Umsetzverfahren von Zeit nach Frequenz dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangssignale in einer Modulationsstufe auf einen Wobbelfrequenzträger aufmoduliert werden, dessen Wobbeltakt von einem Synchronisationsglied in Abhängigkeit von der zeitlichen Staffelung, z. B. dem Zeitmultiplexintervall, gesteuert wird, und daß der so modulierte Wobbeiträger in einer frequenzabhängigen Verzögerungsleitung zeitlich dispergiert wird und die zeitunabhängigen Frequenzanteile ausgefiltert werden, sowie andererseits für das Umsetzverfahren von Frequenz nach Zeit dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangssignale in einem Mischglied mit einem Wobbelfrequenzträger gemischt werden, daß die derart

Verfahren zum Umsetzen zeitlich gestaffelter
Informationen in gleichzeitig auftretende,
frequenzgestaffelte Informationen oder umgekehrt

Anmelder:

Western Electric Company, Incorporated,

New York, N.Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt,

6200 Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Als Erfinder benannt:

Sidney Darlington,

Passaic Township, N. J. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 4. November 1963
(321185)

gemischten Träger in einer frequenzabhängigen Verzögerungsleitung zeitlich komprimiert werden und in einem nachfolgenden Demodulator von den Trägerfrequenzen befreit werden.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird also von einer dispersiven Verzögerungsleitung Gebrauch gemacht, bei der sich die Phasenverzögerung in vorgegebener Weise innerhalb eines vorgegebenen Frequenzintervalls ändert. Als Ergebnis hiervon werden die verschiedenen der Leitung zugeführten Frequenzbestandteile während ihres Durchgangs durch die Leitung unterschiedlich verzögert. Es kann daher ein komprimiertes Signal mit sich ändernder Frequenz in ein Einzelfrequenzsignal expandiert werden, und umgekehrt kann ein Einzelfrequenzsignal komprimiert werden.

So führt ein entsprechend geformtes Impulssignal, das den Ausgang eines Wobbelfrequenzgenerators amplitudenmoduliert, auf der dispersiven Verzögerungsleitung zu einem Signal mit einer Frequenz, die vom Entstehungszeitpunkt des Impulssignals abhängt.

Umgekehrt führt ein frequenzkonstantes Signal, das mit dem Ausgang eines Wobbelfrequenzgenerators vermischt wird, zu einem Impulssignal, dessen Zeit-

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lage auf der Leitung von der ursprünglichen Frequenz abhängt.

Beispielsweise können zeitlich gestaffelte Impulssignale, z. B. solche, wie sie im Zeitmultiplexbetrieb oder durch Impulskodemodulation erzeugt werden, zu Schwingungen umgeformt werden, deren Amplituden anfänglich zunehmen und dann wieder abnehmen und zur Amplitudenmodulierung des Ausgangs eines Wobbeigenerators verwendet werden. Die resul-

keit so weit abweicht, wie sich das Impulssignal von einem Rechteckimpuls entfernt. Filter mit auf diese Weise geformten Frequenzkennlinien sind bekannt.

Das Signal kann also als eine ausgesprochene Sägezahnwelle angesehen werden.

Der Ausgang des Multiplexers geht nicht nur zum Formungsnetzwerk, sondern auch zu einem Synchronisator 13 herkömmlichen Aufbaus. Der letztere, der ein quarzgesteuerter Oszillator sein kann, welcher bei

Ergebnis die gewünschte Umsetzung auf Frequenzmultiplexbetrieb, während im Falle einer Impulskodemodulation der Ausgang in Form eines Vielfach-Frequenzkodes vorliegt.

Umgekehrt modulieren gleichzeitig auftretende, frequenzgestaffelte Signale, wie diese beispielsweise im Frequenzmultiplexbetrieb erzeugt werden, den Ausgang eines Wobbeigenerators. Danach werden die

tierenden Signale werden dann auf eine Verzögerungs- io der Impulswiederholungsfrequenz arbeitet, steuert leitung gegeben, deren Phasenverzögerung sich prak- den Wobbelfrequenzgenerator 14. Während jedes tisch linear über ein vorgegebenes Frequenzintervall Synchronisierungsintervalls wird die Frequenz des ändert. Als Folge hiervon werden die Signale expan- Generators linear über und unter eine Ruhefrequenz siv in frequenzgestaffelte Signale aufgeteilt, die am gewobbelt. Infolgedessen weist der Ausgang des GeAusgang der Verzögerungsleitung gleichzeitig er- 15 nerators eine Sägezahnfrequenzänderung auf. scheinen. Im Falle eines Zeitmultiplexbetriebs ist das Am Eingangsmischer 12 werden die Sinc-Signale

mit dem Wobbelfrequenzausgang vereinigt, so daß ein amplitudenmoduliertes Signal entsteht, das der dispersiven Verzögerungsleitung 15 zugeführt wird. Wegen ihrer linearen Verzögerung expandiert die Leitung das komprimierte modulierte Sinc-Ausgangssignal. Das Ergebnis ist ein Signal mit konstanter Frequenz, das durch die Ursprungszeit gesteuert wird, zusammen mit einer Wobbelfrequenzkompo-

modulierten Signale durch eine lineare Verzögerungs- 25 nente, die durch den Ausgangsmischer 16 entfernt leitung kompressiv mit dem Ziel aufgeteilt, eine ent- wird. Dieser erhält seine Mischfrequenz über einen sprechende Mehrzahl Signale zu erzeugen, die an auf- Hilfsmischer 17 vom Wobbelfrequenzgenerator 14 einanderfolgenden Stellen längs der Leitung er- und einem Hilfsoszillator 18. Der Hilfsoszillator bescheinen. stimmt die Mittelbandfrequenz des Frequenzmulti-

Wo Signale in einem Systemteil zu komprimieren 30 plexausgangs.

und hi einem anderen Systemteil zu expandieren sind, Um die Wirkung der dispersiven Verzögerungshaben die Verzögerungsleitungen vorteilhafterweise leitung bei der Umsetzung eines Impulssignals in ein komplementäre Dispersionskennlinien. Signalgegenstück mit konstanter Frequenz vollständig

Im folgenden ist das erfindungsgemäße Verfahren zu machen, sei ein einzelner Kanal einer Multiplexan Hand in der Zeichnung dargestellter beispielhafter 35 gruppe betrachtet. Nach Woodward, auf den vorVorrichtungen zu seiner Durchführung beschrieben; her hingewiesen wurde, ist das normierte Impulssignal

eines einzelnen Kanals gleich rect(i), es hat während des Impulsintervalls den Wert Eins und sonst den Wert Null, d.h., es ist eine Rechteckfunktion. Da die betrachteten Kanäle auf Zeitmultiplexbasis erzeugt smd, ist die Anzahl« der Kanäle auf ein wiederkehrendes Zeitintervall T beschränkt. Somit ist die einem einzelnen Kanal zugeordnete Zeitlage T/n.
Wenn das Impulssignal rect(i) durch das For

es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Umsetzers von Zeitmultiplexbetrieb auf Frequenzmultiplexbetrieb und

F i g. 2 ein Blockschaltbild eines Umsetzers von Frequenzmultiplexbetrieb auf Zeitmultiplexbetrieb.

Beim Umsetzer nach Fig. 1 werden Impulssignale,

die von einem Zeitmultiplexer 10 ausgehen, durch ein

Formungsnetzwerk 11 modifiziert und einem Ein- 45 mungsnetzwerk läuft, ergibt sich für den Ausgang

gangsmischer 12 mit dem Ziel zugeführt, den Aus- _{Δ c}:_n r.t_f t\i^h-(_{t f}\

. Ύ-WT t 1 ic * λ 1 **· ^m TC K \l " InI / JtA-I I In) ,

gang eines Wobbelfrequenzgenerators 14 zu modu- ^ ^ „jg^

tieren. Wenn die in dieser Weise modulierte Welle ' '° A-siack(t-t)

auf eine dispersive Verzögerungsleitung 15 mit °

linearer Verzögerungskennlinie gegeben wird, haben 50 wobei t₀ die Zeit der Spitzenamplitude ist, ferner k

eine Konstante, deren Größe in einer nachfolgend beschriebenen Weise zu TIn in Beziehung steht, und A ein Maßstabsfaktor, der der Amplitude des Eingangsimpulssignals proportional ist.
Der Wobbelfrequenzgenerator erzeugt einen Trä

cos (cot+

als die sich zeitlich linear ändernde

die Ausgangssignale dieser Leitung Frequenzmultiplexform. Die Multiplexfrequenzen werden durch einen Ausgangsmischer 16, zusammen mit einem Hilfsmischer 17 und einem Hilfsoszillator 18, gesteuert.

Die Impulssignale werden durch ein Netzwerk ger der Form geformt, das jedes Signal in sein Sinc-Funktion-Gegenstück umsetzt. Die Sinc-Funktion, deren
Eigenschaften im Aufsatz Probability and Information mit ω + ¹Iz q\ Theory von P. M. Woodward, McGraw-Hill, 60 Frequenz, ferner q eine Konstante, welche die Ge-NewYork, 1955, beschrieben smd, entspricht der schwindigkeit bestimmt, mit der die Frequenz mit Funktion (sin x)/x. Es handelt sich um eine Art har- der Zeit zunimmt, und β ein konstanter Phasenwinkel, monischer Schwingung von anfänglich zunehmender Der Phasenwinkel β ist ein Teil der kumulativen

und nachfolgend abnehmender Amplitude mit einer Phasenverschiebung der Trägerschwingung, die dem Spitzenamplitude zu einer Zeit, die dem Anfangs- 65 Umsetzvorgang zugeordnet ist. Er beeinflußt die Umpunkt des zugehörigen Impulssignals entspricht. Setzung sonst nicht und wird nicht weiter betrachtet.

Im wesentlichen ist das Formungsnetzwerk 11 ein Durch Amplitudenmodulation des Wobbelfrequenz-

Filter, dessen Frequenzkennlinie von der Rechteckig- trägers mit dem Ausgang des Formungsnetzwerks hat

infolgedessen das entstehende Signal, das der dispersiven Verzögerungsleitung 15 zugeführt wird, die Form

A · sine k (t — t₀) cos (ω t + ¹U qt²) .

Jedoch hat die Leitung in bezug auf einen einzigen Impuls eine Kennlinie δ (t), welche die gleiche Form hat. Unter Weglassung einer konstanten Verzögerung, welche den Umsetzvorgang nicht beeinflußt, lautet die Impulskennlinie

ö(t) = cos(wi — V2<zO>

wobei q nunmehr eine Konstante der dispersiven Verzögerungsleitung ist und im wesentlichen so abgeglichen ist, daß sie gleich der Konstanten ist, welche die Änderungsgeschwindigkeit der Frequenz des Wobbelfrequenzgenerators darstellt. Von einer solchen Leitung sagt man, daß sie eine lineare Gruppenlaufzeit mit der Frequenz hat, da die Fouriertransformation der Impulskennlinie δ (t) eine Phasenänderung hat, die im betreffenden Frequenzbereich im wesentlichen linear mit der Frequenz geht.

Die Größe des Faktors q der Leitung und damit die Neigung ihrer linearen Verzögerungskennlinie ist durch die Länge der Leitung und durch die Art ihrer Herstellung bestimmt. Für eine verjüngte, chemisch abgeätzte Aluminiumbandleitung ist die Laufzeitkennlinie durch die Geschwindigkeit bestimmt, mit der die Bandleitung aus einem Ätzbad herausgezogen wird. Eine derartige Leitung, von der A. H. F i t c h im 33. Journal of the Acoustical Society of America, 1658 (1961), berichtet, ist innerhalb ±1,5% über eine Bandbreite von 5O°/o linear. Unter zahlreichen verfügbaren ist eine weitere geeignete Ausführung der Leitung in der USA.-Patentschrift 2 678 997 (1954) beschrieben.

Der Ausgang der Leitung ist die Konvolute der Eingangs- und der Impulskennlinie, wie dies auf S. 26 des Buches von Woodward beschrieben ist. Für die Dispersionsleitung 15 ergibt sich hierfür

A-F(qt) cos [(ω + qt₀) -

wobei F(qt) durch Identifizieren von F(X) mit der Fouriertransformation von sine (kt) definiert ist.

Jedoch ist die Transformation von sine kt proportional zu

rect

und F(qt) ist proportional zu

rect [qt 1(2 πk)].

Die Konstanten q und k werden wünschenswerterweise entsprechend der Gleichung (1) bemessen:

q — Δ Jl ι χ K. yX)

Dementsprechend beschränkt der Faktor F(qt) das Signal

cos [(ω + qt_a)t — ¹Ii q t²]

auf das Intervall T, und zwar unabhängig von der zeitlichen Lage t₀ des ursprünglichen Impulssignals.

Jedes Signal

ponente (ω + qt_a) ist durch die zeitliche Lage t₀ des Kanalsignals bestimmt, zu dem diese gehört. Die zweite Komponente ist eine Wobbeifrequenz qt, die nicht von t₀ abhängt und die durch den Ausgangsmischer 16 entfernt wird.

Somit ist entsprechend einer Folge von Kanalsignalen innerhalb eines Intervalls T eine Gruppe von Frequenzmultiplexsignalen vorhanden, deren Träger durch den Hilfsoszillator 18 bestimmt ist.

ίο Um nunmehr auf die Bemessung der Faktoren k und q in Gleichung (1) zurückzukommen, sei gesagt, daß, wenn eine Folge von η Eingangsimpulssignalen in einem Wiederholungsintervall T vorhanden sein soll, die entsprechenden Sinc-Signale um die Zeit-Intervalle TJn voneinander entfernt sind. Daher sind unter diesen Umständen bei einem erfindungsgemäßen vielfrequenten System die verschiedenen Kanäle um die Kreisfrequenzintervalle q (TJn) voneinander entfernt, so daß die Bandbreite je Kanal proportional gemacht wird zur Zeitlage je Kanal, wobei die Größe des Proportionalitätsfaktors q, wie in Gleichung (2 A) angegeben ist, gewählt wird.

BIn= q(Tln),

(2A)

wobei B die Bandbreite der Frequenzmultiplexsignale ist, ferner η die Anzahl der Kanäle, T das Zeitmultiplexintervall und q der Dispersionsleitungsf aktor.

Die Gleichung (2A) reduziert sich unmittelbar zu Gleichung (2B)

q = B/T. (2B)

Zusätzlich zu der in Gleichung (2A) dargelegten Beziehung zwischen Bandbreite und Zeitintervall ist es erwünscht, den Faktor q so zu bemessen, daß die verschiedenen Multiplexfrequenzen nicht zu dicht beieinanderliegen. Wenn man das Nyquist-Kriterium für eine Doppelseitenband-Signalübertragung in Betracht zieht, hat jeder Kanal eine Bandbreite von 2 π!Τ, so daß die Gesamtbreite B für η Kanäle diejenige der Gleichung (3 A) wird:

B = ΙπηΙΊ.

(3A)

Um eine Überlappung zu verhindern und die Kanaltrennung zu erleichtern, soll daher der Faktor q, der in Gleichung (3 B) ausgedrückten Beziehung genügen:

q*=2nnlT*, (3B)

wobei 2 π ein Abstandsf aktor ist und die anderen Symbole die gleichen wie für Gleichung (2A) sind. Wenn der Faktor q der Gleichung (3 B) in Gleichung (1) eingesetzt wird, genügt der Faktor k dieser Gleichung der Beziehung der Gleichung (3 C):

= nlT.

(3C)

enthält zwei Frequenzkomponenten. Die erste KomEntsprechend dem Nyquist-Abtasttheorem ist der Wert von k nach Gleichung (3 C) das Minimum, das die Trennung von Signalen erlaubt, die jeweils durch die Signalform

A sine k(t — t₀)

für verschiedene Werte von t₀ gegeben sind.

Es ist ferner zu beachten, daß für die dargestellte Art der Multiplexumsetzung die Ruhefrequenz des Wobbelfrequenzgenerators im Vergleich zur Band-

breite der entstehenden Frequenzmultiplexsignale hoch sein soll.

Wenn die Multiplex-Ausgangssignale der Fig. 1 in ihrer ursprünglichen Eingangsform wiederhergestellt werden sollen, werden sie dem Umsetzer nach F i g. 2 zugeführt.

Zuerst werden die übertragenen Signale durch einen Wobbelfrequenzgenerator 21 am Eingangsmischer 22 moduliert. Danach treten sie in eine dispersive Verzögerungsleitung 23 ein, deren Phasenverzögerung zu derjenigen der Leitung 15 in F i g. 1 komplementär ist, d. h., sie ist eine linear abnehmende Funktion der Frequenz an Stelle einer linear zunehmenden Funktion wie in Fig. 1. Nach dem Durchgang durch einen Hüllkurvendetektor 24 be-. finden sich die austretenden Signale in Zeitmultiplexform und werden der letzten Verarbeitung in einem Verbrauchernetzwerk 25 unterworfen. Die Koordination des Wobbelfrequenzgenerators 21 mit dem ankommenden Frequenzmultiplexsignalen wird mit Hilfe eines Synchronisators 26 üblicher Ausführung erreicht, der auf die ankommenden Signale anspricht, z. B. auf die Übergänge in den Amplitudenpegeln eines der Multiplexsignale.

Wegen des Wobbelfrequenzgenerators 21 gleicht die Form des Eingangs der komplementären dispersiven Verzögerungsleitung 23 dem Ausgang der dispersiven Verzögerungsleitung 15 in Fig. 1. Infolgedessen ähnelt der Ausgang der komplementären Leitung21 dem Eingang der Leitung 15 in Fig. 1 und ist eine Folge von Sinc-Signalen. Der Hüllkurvendetektor 24 wandelt ihn in eine Folge von Impulssignalen um, die durch das Verbrauchernetzwerk 25 geformt werden können.

Um eine komplementäre Dispersion ohne Verwendung einer komplementären Leitung zu erhalten, modulieren die ankommenden Signale einen Träger. Die Modulationsprodukte des unteren Seitenbands enthalten Frequenzbestandteile, die in der gleichen Weise invertiert sind, wie wenn sie durch eine kornplementäre Leitung gelaufen wären.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Umsetzen zeitlich gestaffelter Informationen, z. B. Zeitmultiplex- oder Impulskodesignale, in gleichzeitig auftretende, frequenzgestaffelte Informationen, z. B. Frequenzmultiplex- bzw. Frequenzkodesignale, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangssignale in einer Modulationsstufe auf einen Wobbelfrequenzträger aufmoduliert werden, dessen Wobbeitakt von einem Synchronisationsglied in Abhängigkeit von der zeitlichen Staffelung, z. B. dem Zeitmultiplexintervall, gesteuert wird und daß der so modulierte Wobbeiträger in einer frequenzabhängigen Verzögerungsleitung zeitlich dispergiert wird und die zeitunabhängigen Frequenzanteile ausgefiltert werden.

2. Verfahren zum Umsetzen gleichzeitig auftretender frequenzgestaffelter Informationen,z.B. Frequenzmultiplex- oder Frequenzkodesignale, in zeitlich gestaffelte Informationen, z. B. Zeitmultiplex- oder Impulskodesignale, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangssignale in einem Mischglied mit einem Wobbelfrequenzträger gemischt werden, daß die derart gemischten Träger in einer frequenzabhängigen Verzögerungsleitung zeitlich komprimiert werden und in einem nachfolgenden Demodulator von den Trägerfrequenzen befreit werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitunabhängigen Frequenzanteile ausgefiltert werden durch Entfernen des Wobbelfrequenzanteils in einem Ausgangsmischer, der seine Frequenz von einem Hilfsausgangsmischer unter der Steuerung des Wobbelfrequenzgenerators und eines Hilfsoszillators ableitet.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, gekennzeichnet durch Arbeiten mit einer Verzögerungsleitung, deren Frequenz-Verzögerungszeit-Kennlinie linear verläuft, derart, daß der Verzögerungsbetrag der jeweils modulierten Frequenz praktisch mit der dann ebenfalls linearen Frequenzänderungsgeschwindigkeit des Wobbelfrequenzträgers zusammenfällt, um die jeweiligen Frequenzen zur Ausfüllung des entsprechenden Wobbeltaktintervalls zu expandieren.

5. Verfahren nach Anspruch 2 für den Fall der Rückumsetzung einer nach Anspruch 1, 3 oder 4 umgesetzten Information, dadurch gekennzeichnet, daß der Wobbelfrequenzgenerator in Abhängigkeit von den Informationstakten (Signalübergänge) durch ein Synchronisationsglied gesteuert wird und daß die Frequenzabhängigkeit der Verzögerung komplementär zu der nach Anspruch 1, 3 oder 4 verläuft.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 2 678 997.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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