DE1295637B

DE1295637B - Kodierer zur Erzeugung eines Impulskodes in Abhaengigkeit von einer angelegten Analog-Signal-Spannung

Info

Publication number: DE1295637B
Application number: DEW42988A
Authority: DE
Inventors: Fisher Reed Edward; Barber Mark Roy
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1966-02-23
Filing date: 1966-12-16
Publication date: 1969-05-22
Also published as: GB1173351A; NL6616504A; SE329187B; US3460122A; FR1510643A; SE353622B; BE693664A

Description

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Die Erfindung betrifft einen Kodierer zur Erzeugung Phase des Hochfrequenzträgers am Eingang des Modueines Impulskodes in Abhängigkeit von einer ange- lators beschreiben, daß jede Stufe eine erste Ausgangslegten Analog-Signal-Spannung mit einer Anzahl trägerspannung einer ersten Amplitude bei einer Einvon Stufen, die je Ausgangssignale erzeugen, welche gangsspannung der jeweiligen Stufe mit der Phase π beim Anlegen an die nächstfolgende Stufe die gleiche 5 und einer zweiten Amplitude bei einer Eingangsspanvorbestimmte Phase haben. nung mit der Phase 0 erzeugt, daß jede Stufe außerdem Man hat seit langem erkannt, daß die Ubertragungs- eine zweite Ausgangsträgerspannung erzeugt, die zur Verzerrung in elektrischen Nachrichtenübertragungs- nächstfolgenden Stufe übertragen wird, deren Amplisystemen dadurch herabgesetzt werden kann, daß die tude eine lineare Funktion der Eingangsspannung der Nachricht als Pulskodemodulationen und nicht als io jeweiligen Stufe ist und deren Phase unabhängig von analoge Spannungen übertragen werden. Pulskode der Phase der Eingangsspannung konstant ist, und daß können z. B. nur durch Spannungsimpulse mit posi- eine Signalquelle vorgesehen ist, die an den Ausgang tiver und negativer Polarität (»1« und »0«) in periodi- jeder Stufe η eine hochfrequente Bezugsenergie der sehen Intervallen definiert werden. Eine genaue Wieder- Form
gäbe nach der Übertragung erfordert dann nur die 15 ., Feststellung der Polarität der Spannungen, wobei Über- £_ref _(Jt) = j ^gmga: j _cos (ωί + π) tragungsverzerrungen und Verluste, welche die rela- ! 2ⁿ ; tive Größe der übertragenen Spannungen beeinflussen,

die Wiedergabetreue des Systems nicht notwendiger- anlegt, wobei E_amax die Maximalamplitude der Anaweise verschlechtern. Man hat ferner erkannt, daß der 20 logeingangsspannung und k eine Konstante ist. Gray-Kode (oder der reflektierte binäre Kode) für Es ist ein mit aufeinanderfolgenden Gleichrichtern digitale Übertragungen oftmals dem herkömmlichen versehener Kodierer bekannt, bei dem ein spannungsbinären Kode vorzuziehen ist, weil auftretende Gray- gesteuerter Analog-Digital-Umsetzer mit offener Kodeziffernfehler eine geringere Wirkung auf die Schleife verwendet wird. In jeder Stufe des Umsetzers naturgetreue Signalwiedergabe haben. Der Gray-Kode 25 erhält man einen Ausgang von Begrenzer oder nicht, je ist im USA.-Patent 2 632 058 und ein besonderer Gray- nachdem, ob die Spannung oberhalb oder unterhalb Kode_rKodierer ist im Aufsatz »An Unusual Electronic Erde liegt. Die gleichgerichtete Spannung wird um den Analog-Digital Conversion Method« von B.D.Smith, Faktor 2 verstärkt, in ihrer Höhe verschoben und dann IRE Transactions on Instrumentation, vom Juni 1956 zur nächsten Stufe gegeben.

auf S. 155 bis 160 beschrieben. Wie bei derartigen 30 Demgegenüber überträgt nach der Erfindung eine Kodierern üblich, arbeitet die Einrichtung von Smith Abtast- und Halteschaltung Signalabtastwerte (Proben) mit einer Folge von Inkrementen oder Proben der zu zu einem abgeglichenen Modulator, der ein Ausgangskodierenden analogen Spannung. Jede Probe wird signal der einen Phase erzeugt, wenn das Eingangsüber eine Reihe von Stufen übertragen, in denen ihre signal von der einen Polarität ist, und ein Ausgangs-Polarität mit der von aufeinanderfolgenden Bezugs- 35 signal einer anderen Phase, wenn das Eingangssignal Spannungen verglichen wird. Jede Stufe gibt eine Aus- von der anderen Polarität ist. Das Ausgangssignal des gangsspannung ab, welche die Polarität der Probe in Modulators wird dann an eine Folge von phasendieser Stufe darstellt. Durch Kombinieren der Aus- empfindlichen Stufen gegeben, die ihrerseits jeweils gänge der verschiedenen Stufen entsteht ein Gray- bestimmte Ausgänge je nach der Phase ihrer jeweiligen Kode-»Wort« aus binären Ziffern (Bits), das die Größe 40 Eingangssignale liefern und auch die Ausgänge direkt einer speziellen analogen Spannungsprobe darstellt. proportional zu den Eingangssignalen nur einer kon-

Es sind wohldurchdachte Festkörperversionen der stanten Phase machen.

Einrichtung von Smith gebaut worden, die in der Durch die Erfindung ist bei genügend hoher Fre-

Lage sind, das Eingangssignal mit einer Geschwindig- quenz des Hochfrequenzträgers eine wesentliche Er-

keit von 12 MHz abzutasten und Wörter mit 9 Bits 45 höhung der Abtastgeschwindigkeit erreichbar, z. B.

mit einer Bitgeschwindigkeit von 108 Megabits je Se- über 1200 Megabit je Sekunde gegenüber bisher nur

künde (108 000 000 Ziffern je Sekunde) abzugeben. etwa 100 Megabit je Sekunde.

Wenn auch diese Kodiergeschwindigkeit eindrucksvoll Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unterist, so erfordern doch höhere Eingangssignalfrequenzen ansprüchen gekennzeichnet.

immer höhere Abtastgeschwindigkeiten und Bitge- 5° Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält eine schwindigkeiten, so daß eine ausreichend repräsenta- herkömmliche »Abtast- und Halte«-Einrichtung, um tive Anzahl von Proben der sich schnell ändernden wiederholt Proben der mittleren Spannungsampli-Eingangssignale abgetastet werden kann. Die Er- tuden eines analogen Signals in kleinen Zeitintervallen findung hat sich die Aufgabe gestellt, die Geschwindig- abzutasten. Diese Proben werden zu einem Gegentaktkeit solcher Kodierer zu erhöhen. 55 modulator übertragen, wo sie eine hochfrequente Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus Trägerwelle amplituden- und phasenmodulieren. Eine von einem Kodierer der eingangs genannten Art und Eigenschaft eines Gegentaktmodulators besteht darin, ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Modulator vor- daß sein Ausgang eine erste Phase hat, wenn die Eingesehen ist, der einen Hochfrequenzträger mit dem gangsmodulationsspannung eine Polarität aufweist, Analogsignal moduliert und eine Eingangsspannung 60 und eine zweite Phase, wenn die Eingangsspannung die erzeugt, deren Phase bei einer Analogspannung einer entgegengesetzte Polarität aufweist. Die erste und die Polarität π und bei einer Analogspannung mit der zweite Phase sind 180° verschoben. Sie werden daher entgegengesetzten Polarität 0 ist, daß die Eingangs- als Phase »0« und als Phase »π« bezeichnet. Spannung die Form Der Ausgang des Gegentaktmodulators geht über F = F ms (r t 4- tti ⁶S ^eme Folge von phasenempfindlichen Stufen, deren ^{1 etn a K} ^ ^} Rolle darin besteht, unter dem Einfluß der Phase des hat, wobei E_a die analoge Eingangsspannung des zugeführten Trägers eine von zwei digitalen Ausgangs-Modulators ist und cos (cot + π) die Frequenz und spannungen abzugeben. Die Stufe erzeugt unter dem

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Einfluß der Phase π eine digitale Spannung und unter des Eingangs konstant. Es wird ein Bezugsträger dem Einfluß der Phase 0 die entgegengesetzte Span- zwischen den Stufen angelegt, um die Größe und die nung. Ferner ändert jede Stufe die Trägerenergie der- Phase des Trägers zu verschieben, der an den Eingang art, daß der Ausgangsträger eine positive (direkt) lineare der nachfolgenden Stufe angelegt wird. Wie später Funktion des Eingangs der Stufe ist, doch ist die 5 erklärt wird, ergibt die Kombination der digitalen Phase ohne Rücksicht auf die Phase des Eingangs Ausgänge der verschiedenen Stufen eine binäre Darkonstant. Zwischen jeder Stufe wird dem Ausgang der stellung der analogen Eingangssignalprobe des Gegenvorherigen Stufe eine Bezugsträgerenergie hinzuge- taktmodulators.

fügt, um die Phase und die Größe des Trägers zu Die Erfindung wird an Hand der nachfolgenden einändern, der dem Eingang der nachfolgenden Stufe io gehenden Erläuterung und der Zeichnungen besser zugeführt wird. Mit einem Bezugsträger mit richtiger verständlich.

Größe und Phase, wie sie später beschrieben werden, F i g. 1 ist ein Blockschema eines Pulskodemodu-

bilden die digitalen Ausgangsspannungen der Stufen lationskodierers nach der Erfindung; zusammen eine Gray-Kode-Darstellung der Größe der F i g. 2 ist eine graphische Darstellung, die die Be-

Eingangsprobe des Kodierers. 15 ziehung des analogen Eingangssignals des Kodierers

Da die Phase des Ausgangs jeder Stufe, ohne Rück- der F i g. 1 zur analogen Probenspannung und zu den sieht darauf, ob der Eingang die Phase π oder 0 hat, Ausgangsspannungsimpulsen des Kodierers der Fig. 1 konstant sein soll, soll eine Art von selektivem digi- zeigt;

talem Phasenschieber in jeder Stufe enthalten sein. F i g. 3 ist eine graphische Darstellung der Span-

Nach einem anderen Merkmal dieser Ausführung der 20 nungen E_{1 e}m und E₁ aus in bezug auf die Spannung E_a Erfindung wird die Eingangsträgerenergie jeder Stufe in einer Gray-Kode-Ausführung des Kodierers der über einen Zirkulator zu einem Reflexionsphasen- Fig. 1;

schieber übertragen, der aus einem Wellenleiter be- F i g. 4 ist ein Schema einer Gray-Kode-Kodierer-

steht, dessen gegenüberliegende Wände durch zwei stufe, die in der Schaltung der F i g. 1 enthalten sein Dioden miteinander verbunden sind. Die Eingangs- 25 kann;

trägerenergie wird durch den Wellenleiter vom Zirku- F i g. 5 ist eine graphische Darstellung der Span-

lator zu den Dioden übertragen. Die Dioden werden nungen E_iaus und E₂ ein, abhängig von der SpannungE_a durch die digitale Ausgangsspannung der Stufe über bei einer Ausführung der Schaltung der F i g. 1; den Mittelleiter eines koaxialen Kabels vorgespannt, Fig. 6 ist eine graphische Darstellung der Span-

das durch eine Endwand des Wellenleiters geführt ist. 30 nungen E₂ aus und E₃ ein, abhängig von der Span-Die Diodeneigenschaften sind in bezug auf die Wellen- nung E_a bei einer Ausführung der Schaltung derF i g. 1; leitereigenschaften so eingerichtet, daß, wenn die Di- F i g. 7 ist ein schematischer Schnitt eines digitalen

öden in der einen Richtung vorgespannt werden, sie Phasenschiebers, der bei der Schaltung der F i g. 4 sich in Reihenresonanz befinden und damit einen verwendet werden kann; virtuellen Kurzschluß am Wellenleiter bilden. Wenn 35 F i g. 8 ist eine Ansicht entlang der Linie 8-8 der sie in der entgegengesetzten Richtung vorgespannt Fig. 7;

sind, bilden die Dioden eine Parallelresonanz mit der F i g. 9 ist ein Schema einer binären Kodierstufe,

Endwand des Wellenleiters und stellen einen virtuellen die in der Schaltung der F i g. 1 verwendet werden offenen Kreis dar. Der Wellenleiter ist vorzugsweise kann;

rechteckig und überträgt die Trägerenergie im H₁₀- 40 Fig. 10 ist eine graphische Darstellung der Span-Wellentyp derart, daß das koaxiale Kabel die Dioden- nungen E_iaUs und E₂ ein, abhängig von der Spannung Vorspannungsenergie im L-Wellentyp überträgt. Bei E_a bei einer Ausführung der Schaltung der Fig. 1; richtigen Abmessungen des koaxialen Kabels, wie sie F i g. 11 ist eine graphische Darstellung von E₂ aus

später erklärt werden, ist die H₁₀-Trägerenergie auf und E₃ ein, abhängig von der Spannung E_a bei einer dem Wellenleiter beschränkt und kann durch das 45 Ausführung der Schaltung der Fig. 1. Kabel nicht übertragen werden. Wenn die Dioden so Es sei nun auf F i g. 1 eingegangen. Dort ist ein

vorgespannt sind, daß man eine Parallelresonanz er- Blockschema eines als Beispiel gewählten Kodierers hält, verschieben sie die Phase um 180° gegenüber der dargestellt, dessen Zweck es ist, analoge Signalmodu-Phasenverschiebung, die man bei Reihenresonanz er- lationen in Pulskodemodulationen umzuwandeln. Die hält. Da sich die Diodenvorspannung nur unter dem 50 analoge Signalspannung E₈ einer Signalquelle 12 wird Einfluß einer geänderten Phase des Eingangs der Stufe zu einer Abtast- und Halteschaltung 13 übertragen, ändert, hat der Trägerausgang des Phasenschiebers die analoge Proben E_a des analogen Signals liefert, ohne Rücksicht auf die Trägereingangsphase eine kon- Die Abtast- und Halteschaltung 13 ist von bekannter stante Phase. Art. Sie erzeugt periodische Spannungen, welche die

Bei einer anderen Ausführung der Erfindung sind die 55 mittleren Amplituden einer sich ändernden Spannung aufeinanderfolgenden Stufen so abgeändert, daß sie E₈ in kleinen Zeitintervallen darstellen, wie es durch einen binären digitalen Ausgang an Stelle des Gray- die graphische Darstellung der F i g. 2 gezeigt ist. Kode-Ausgangs abgeben. Wie vorher gibt jede Stufe Die analoge Spannungsprobe E_a wird zu einem

eine von zwei digitalen Ausgangsspannungen ab, je Gegentaktmodulator 14 übertragen, wo sie die hochnachdem, ob der Trägereingang die Phase π oder die 60 frequente Trägerenergie E₀ moduliert, welche von Phase 0 hat. Wenn der Eingangsträger die eine Phase einer Quelle 15 mit konstanter Frequenz durch einen aufweist, ist der Ausgangsträger dieser Stufe eine Richtkoppler 16 eingekoppelt wird. Eine Eigenschaft direkt lineare Funktion des Eingangs. Wenn jedoch des Gegentaktmodulators besteht darin, daß der moder Eingangsträger die entgegengesetzte Phase auf- dulierte Ausgang eine von zwei Phasen aufweist, und weist, ist der Ausgang eine negative (umgekehrt) lineare 65 zwar je nach der Polarität der Modulationsspannung. Funktion des Eingangs, wobei die Phase des Trägers Diese beiden Phasen sind um 180° verschoben. Sie um 180° verschoben ist. Daher wird vorher die Phase werden als Phase »0« und Phase »π« bezeichnet. Für die des Ausgangs jeder Stufe ohne Rücksicht auf die Phase Erläuterung sei angenommen, daß die Trägerfrequenz-

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spannung E₁ ein, die vom Gegentaktmodulator 14 er- mathematisch wie folgt abgeleitet werden. Der Trägerzeugt wird, für eine analoge Probe E_a mit positiver eingang E₀ zum Modulator kann wie folgt ausgedrückt Polarität die Phase π und für eine analoge Probe E_a werden,
mit negativer Polarität die Phase 0 aufweist. β _ _cos , _t , \ «\

In Reihe mit dem Gegentaktmodulator liegen die 5 ^c

aufeinanderfolgenden phasenempfindlichen Kodierer- wobei φ die Trägerphase bezeichnet. Wenn φ willkürstufen 17, 18 und 19. Jede Stufe erzeugt eine digitale licherweise gleich π Bogengrad ist, hat der Modulator-Ausgangsspannung Ea, welche die Phase der an diese ausgang E₁ ein die Form

Stufe angelegten Trägerfrequenzenergie anzeigt Für _{£ =k£ CQS {(Ot + 7c)} ₍₂₎

die Erläuterung soll die Stufe 1 eine positive Span- io * ^{v y}' ^v '

nung Ea₁ erzeugen, wenn die Phase von E₁ ein die wobei k eine willkürliche (reelle) Konstante ist. Wenn

Phase π ist, und eine negative Spannung Ea₁, wenn E_a positive Polarität (positive Amplitude) hat, ist

E-, ein die Phase 0 hat. Die Stufen enthalten selektive _π _ τ. _v „„„ /·,., ι _\ ci\

Phasenschiebeemrichtungen, so daß der Ausgang der ' Stufe 1, nämlich E₁ aus, ohne Rücksicht auf die Phase 15 wenn E₀, eine negative Amplitude hat, ist

von E₁ etn eine feste Phase hat. Ob die Größe von _ ,

E_{1 aus} eine direkte oder umgekehrte Funktion von ^hiein ~ ~^{k lha}\ ^cos Ι^ω' + ^π) W

E₁ ein ist, hängt davon ab, ob der Kodierer für die oder

Erzeugung eines Gray-Kode oder eines binären Kode _π _ ,, _F , , _f , _ηΛ ,*■

ι -ι · .., «ι.. .ir-,-1 1 -ßiei» — f -Ca COS IK) i -f- U). (J)

benutzt wird, wie es spater erklart wird. Zwischen den ao 1 . \

aufeinanderfolgenden Stufen wird die Bezugsträger- Diese Gleichungen zeigen, daß die Hüllkurvenhöhe

energie £_re/ angelegt, um die Phase und die Amplitude (Größe) von E₁ ein proportional der Größe von E_a ist

der an die aufeinanderfolgenden Stufen angelegten und daß die Phase des Trägers E_{1 ein} von der Polarität

Trägerenergie zu verschieben. Die Bezugsenergie wird von E_a abhängt. Wie in F i g. 3 gezeigt, hat E₁ ein die vorzugsweise von der konstanten Quelle 15 über den 25 Phase π, wenn E_a 4 ist.

Richtkoppler 30, den Phasenschieber 20 und die F i g. 4 zeigt die erste Stufe 17 G der Gray-Kode-Dämpfungseinrichtung 21 geliefert. Version des Kodierers der F i g. 1. E_{1 e}m wird durch Bei geeignet aufgebauten Stufen 17, 18 und 19 einen Richtkoppler 24 in zwei Zweige geteilt, von denen stellen die digitalen Ausgangsspannungen Ed₁, Ed₂, einer mit einem Verstärker 25, einem Begrenzer 26 und Ed₃ die aufeinanderfolgenden Ziffern in einem Kode- 30 einem Synchrondetektor 27 verbunden ist. Die Enerwort dar, das die Amplitude einer Spannungsprobe E_a gie El₀ des örtlichen Oszillators wird über einen verbeschreibt. Diese Ausgangsspannungen werden in einer änderlichen Phasenschieber 28 ebenfalls zumSynchron-Kombinationsschaltung 22 kombiniert, die geeignete detektor 27 übertragen. Der Synchrondetektor ist in beVerzögerungen und Torschaltungen zum Umwandeln kannter Weise so aufgebaut, daß er unter dem Einder digitalen Spannungen in Impulse E_p mit geeigneten 35 fluß eines Eingangs mit der Phase 0 vom Begrenzer 26 periodischen Intervallen zur Definition des kodierten eine negative Gleichspannung und unter dem Einfluß Worts aufweisen. eines Trägereingangs mit der Phase π eine positive In F i g. 2 hat die analoge Probe E_a zum Zeitinter- Gleichspannung abgibt. El₀ hat dieselbe Frequenz vall t_t eine Größe 4 auf einer digitalen Skala. Diese wie E_c und eine solche Phase, daß in bekannter Weise Größe wird durch Gray-Kode als drei aufeinander- 40 zwischen den Phasen 0 und π unterschieden wird. Der folgende binäre Impulse E_p dargestellt, welche das Zweck des Verstärkers 25 und des Begrenzers 26 be-Gray-Kode-Wort 110 definieren, das die arabische steht darin, die Amplitude des Eingangsträgers E₁ ein Ziffer 4 darstellt. Die Kombinationsschaltung 22 er- innerhalb eines optimalen Bereichs für den Detektor 27 zeugt Impulse E_v derart, daß jedes Kodewort sich auf zu halten.

das Zeitintervall I₁ der analogen Probe erstreckt, die 45 Der Ausgang des Synchrondetektors führt über ein

es darstellt. Im Kodierer können zusätzliche Stufen be- Tiefpaßfilter 29 und wird von der Stufe als digitale

nutzt werden, um eine größere Anzahl von binären Spannung .Ed₁ abgegeben. Es sei darauf hingewiesen,

Ziffern oder Bits für jedes zu übertragende Kodewort daß, wenn E_a = 4 ist, E₁ ein die Phase π hat und Ea₁

zu liefern. Diese Verwendung von Wörtern mit drei eine positive Polarität aufweist, wodurch angezeigt

Bits zum Ausdrücken von Größen bei nur acht digi- so wird, daß der erste Impuls eine »1« des Gray-Kodes dar-

talen Pegeln geschieht hier nur für die Erläuterung. stellt. Ea₁ wird ferner zu einem digitalen Phasenschie-

F i g. 3 zeigt eine graphische Darstellung der Ampli- ber 31 übertragen.

tude und Phase der von dem Gegentaktmodulator er- Der Trägereingang E₁ ein im anderen Zweig wird zeugten Energie E₁ ein, abhängig von der angelegten über eine Verzögerungseinrichtung 23 zu einem Zirkuanalogen Spannung E_a. Wie aus F i g. 2 hervorgeht, 55 lator 32 übertragen. Der Zirkulator leitet die Trägerändert sich die Polarität von E_a bei 3 V₂ (0 Volt). Wenn energie zum Phasenschieber 31; sie wird von der Koder- E_a eine positive Polarität oder einen digitalen Wert stufe 17 zwischen dem Phasenschieber 31 und dem oberhalb 3¹J₂ aufweist, hat E₁ ein die Phase π, wie es Filter 29 abgegeben. Wenn der Eingangsträger die durch die Quadranten 1 und 2 dargestellt ist. Wenn E_a Phase Null hat, ist der Phasenschieber 31 mit einer eine negative Polarität aufweist, die einem Wert von 60 negativen digitalen Spannung vom Synchrondetektor weniger als 3¹J₂ entspricht, hat E₁ ein die Phase 0, die vorgespannt, wobei er die Trägerenergie ohne Phasendurch die Quadranten 3 und 4 angezeigt ist. Die Am- verschiebung reflektiert. Wenn andererseits E₁ ^_n die plitudenskala von E₁ ein ist willkürlich. Eine maximale Phase π hat, betätigt die positive vom Synchrondetektor Amplitude von .E₁ ein von 2, die einem maximalen E_a erzeugte Spannung den digitalen Phasenschieber 31 so, von 7 entspricht, wurde nur für die Erläuterung ge- 65 daß er die Trägerenergie mit einer Phasenverschiebung wählt. von 180° reflektiert. Diese Funktion wird durch den Die Phase und Größe der zur ersten Stufe übertrage- gestrichelten Teil der graphischen Darstellung der nen Energie E₁ ein des Gegentaktmodulators kann F i g. 3 erläutert, der E₁ aus zeigt. Ohne Rücksicht auf

die Phase des Eingangs E₁ ein hat E₁ aus stets eine Phase Null. Der Phasenschieber ändert jedoch nicht die Größe des Trägersignals. Die maximale Größe von Eaus ist immer noch 2, d. h. das gleiche wie die maximale Größe von E_ei_n-

Die Rolle der Verzögerungsleitung 23 besteht darin, sicherzustellen, daß die Trägerenergie vom Zirkulator 32 den Phasenschieber 31 zur gleichen Zeit wie die Impulsspannung vom Synchrondetektor erreicht. Wie später ausführlicher beschrieben wird, besteht der digitale Phasenschieber 31 vorzugsweise aus einem Wellenleiter, dessen effektive Länge durch eine Diode umgeschaltet werden kann, die durch die Impulsspannung Ea vorgespannt ist. Wenn die Vorspannung an der Diode positiv ist, wird die Trägerenergie zum Zirkulator mit einer Phasenverschiebung von 180° reflektiert.

Vor der Übertragung zur zweiten Stufe wird die Größe und die Phase des Trägers durch einen Bezugsträger En/ verschoben, der über einen Richtkoppler 34 zugeführt wird. Die Phase und Größe des Trägers E_2ei_n a° nach der Addition des Bezugsträgers sind in der graphischen Darstellung der F i g. 5 gezeigt. Die Verschiebung der in F i g. 5 dargestellten Kennlinie geschieht durch Verwendung eines Bezugsträgers mit der Form

reduziert wird und daß ebenso die Amplitude des Bezugsträgers zwischen jeder nachfolgenden Stufe um den Faktor 2 reduziert werden soll. Demnach soll die Bezugsenergie E_ref(nh die danach an eine Koderstufe η angelegt wird, der Beziehung

Erefin) —

kE_a

2ⁿ

cos (ω t + π) (10)

entsprechen.
Andererseits kann E_ref(n) gegeben sein durch:

Eref (η) = j - ^J

Eein (n) max 2

cos (ω t + π), (11)

E_refl = * j-

cos (ω t + π), (6)

wobei Eamax der maximal zulässige Wert von E_a ist, wie es in der graphischen Darstellung der F i g. 2 gezeigt ist. Wenn E₁ aus durch Hinzufügen von E_ref »in Scheiben geschnitten« ist, ist die Summe E₂ ein gegeben durch

₂ ein — E₁ aus + E_ref

1, Eamax

— IE₁I) cos

(7)

(8)

Die nachfolgenden Stufen gleichen der in F i g. 4 dargestellten Stufe. Bei E_a — 4 wird eine positive digitale Spannung von der zweiten Stufe abgegeben, weil, wie in F i g. 5 dargestellt ist, E₂ ein die Phase π hat. Demnach ist die zweite Ziffer der Gray-Kode-Darstellung eine »1«. Da die zweite Stufe einen Ausgang E₂ aus abgibt, der die Phase Null hat, ohne daß die wobei Eein(n) die Eingangsträgerenergie der Stufe η ist. Die obige Erläuterung zeigt, wie unter dem Einfluß einer analogen Eingangsspannung E_a von 4 drei Stufen aufeinanderfolgende digitale Ausgangsspannungen Ea₁,

ao Ea₂ und Ea₃ erzeugen, welche die Ziffern 1, 1 und 0 darstellen. Wie oben erwähnt wurde, gibt die Kombinationsschaltung 22 die digitalen Ausgangsspannungen in der Form geeigneter Impulse E_p zur Darstellung der Spannungsgröße 4 weiter. Wenn E_a — 1 ist, hat E_{1 e}{_n

»5 die Phase π, so daß Ea₁ eine positive Polarität hat oder »1« ist, E₂ ein hat die Phase 0, so daß Ea₂ negative Polarität hat oder »0« ist, und E₃ ein hat die Phase 0, so daß Ea₃ negativ oder »0« ist. Die Gray-Kode-Zahl 100 stellt die arabische Ziffer 7 dar.

Ein Vorteil der Kodierung unter Verwendung eines Mikrowellenträgers besteht darin, daß die Bandbreite einen kleinen Bruchteil der Trägerfrequenz darstellt. Dies erlaubt die Verwendung von einfachen und billigen Bauteilen. Wichtiger ist, daß sehr hohe Trägerfrequenzen extrem hohe Kodergeschwindigkeiten ermöglichen. Wenn z. B. E₀ eine Frequenz von etwa 9 MHz hat, kann der Köder einen Ausgang mit einer Bitgeschwindigkeit von 1200 Megabit je Sekunde abgeben. Dies stellt eine Verbesserung von einer Größen-Ordnung gegenüber der bisherigen Technik dar.

Mit Ausnahme des digitalen Phasenschiebers 31 sind die verschiedenen Bauteile in F i g. 4 bekannt und für die von der Erfindung benutzten hohen Frequenzen im Handel erhältlich. Nach den F i g. 7 und 8 ist entsprechend einem weiteren Merkmal der Erfindung ein bevorzugter Phasenschieber 31 mit einem geeigneten Hochfrequenzverhalten dargestellt. Die Einrichtung besteht aus einem rechteckigen Wellenleiter 37, der mit dem Zirkulator 32 der F i g. 3 verbunden ist,

Größe von E₂ ein geändert ist, ist die Kennlinie von
E₂ aus abhängig von E_a die in F i g. 6 dargestellte 5° ferner aus einem koaxialen Kabel 38, das mit einem Kennlinie. Die Bezugsenergie E_ref wird dann am Tiefpaßfilter 29 verbunden ist. An dem rechteckigen Richtkoppler 35 addiert, der in F i g. 1 dargestellt ist. Wellenleiter sind zwei Hochgeschwindigkeitsdioden 39 Hierdurch wird wiederum die Trägerfrequenzkennlinie angeschlossen, vorzugsweise »Schottky-Grenzschicht«- auf die Lage »angehoben«, wie durch die Kurve E₃ ein
der F i g. 6 dargestellt ist. Es sei bemerkt, daß die dritte 55
Stufe eine negative Impulsausgangsspannung oder

eine Spannung »0« erzeugt, weil E₃ ein die Phase 0 hat, wenn E_a = 4 beträgt.

Zur richtigen Verschiebung der Phase und der Größe des Trägersignals von E_{2 aus} nach E₃ ein soll der Bezugsträger E_rtf ₂, der am Richtkoppler 35 angelegt wird, die Form

Ereii. =

cos (coi

(9)

haben.

Es sei bemerkt, daß zwischen jeder Stufe die maximale Amplitude des Eingangsträgers um den Faktor 2 Dioden oder andere Arten von Dioden mit geringer Minderheitsträgerspeicherung. Die Dioden 39 sind mit einem Innenleiter 40 des koaxialen Kabels 38 verbunden, der durch eine Endwand 41 des rechteckigen Wellenleiters geführt ist. Der Außenleiter 43 des koaxialen Kabels 38 ist unmittelbar mit der Endwand 41 des Wellenleiters verbunden.

Der Innenleiter 40 spannt die Dioden 39 in Flußrichtung oder Sperrichtung vor, je nachdem, ob die digitale Spannung Ea₁ positive oder negative Polarität hat. Wenn die Dioden 39 durch eine negative Spannung Ea₁ in Sperrichtung vorgespannt sind, befinden sich ihre Reihenkapazität und Reiheninduktivität in Reihenresonanz. Auf der oberen und unteren Wand des Wellenleiters 37 sind Wellenleiterstich-

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leitungen 44 angeordnet, um eine geeignete Länge I₁ innerhalb der Zeitperiode ankommt, in der die Be-

zu schaffen, die bei Vorspannung in Sperrichtung eine tätigung der Torschaltung 54 stattfindet.

Reihenresonanz ergibt. Die Reihenresonanz läßt an der Die Bezugsenergie Ετοτ, die zu der Trägerenergie am

Wellenleiterebene, die die Dioden 39 enthält, einen Richtkoppler 58 addiert wird, hat eine Größe, die virtuellen Kurzschluß entstehen, so daß die Träger- 5 gleich der maximalen Größe der Trägerenergie ist,

energie E₁ ein zum Zirkulator als E_{1 au}$ z. B. mit der und eine Phase vonl80° in bezug auf die Trägerenergie.

Phasenverschiebung 0 reflektiert wird. Die Länge I₂ Da die Torschaltung 54 nur unter dem Einfluß eines

zwischen den Dioden und der Wellenleiterendwand 41 Trägers E_{1 e}tn mit der Phase π betätigt wird, hat der

ist so eingerichtet, daß, wenn die Dioden in Flußrich- Träger^ ein stets die Phase π, wenn £W am Koppler 58 tung vorgespannt sind, der Wellenleiterabschnitt mit io addiert wird. Die Bezugsenergie kann daher wie folgt

der Länge I₂ eine Kapazität bildet, die in Parallelreso- ausgedrückt werden:

nanz mit der Induktivität der Dioden steht. Dies ergibt _F _ , ~ , , . _n, ,_1T.

einen virtuellen offenen Kreis an der Ebene der Dioden ^Ε™ ~ ^{k Eamax} ^{C0S (co}' ^{+ 0)}' ⁽¹²⁾

und eine relative Phasenverschiebung von 180° zur Da der Träger E₁ ein im binären Köder derselbe wie

ankommenden Trägerenergie. Demnach wird E_{1 aus} 15 im Gray-Koder ist, ist seine Kennlinie durch Fig. 3

um π Bogengrade in bezug auf E_{1 ein} verschoben, wenn gegeben. Wenn E_a einen Wert 4 auf der digitalen Skala

die Dioden 39 in Flußrichtung vorgespannt sind. Der der F i g. 2 hat, ist die erste digitale Spannung E^₁ posi-

rechteckige Wellenleiter 37 pflanzt die Energie im H₁₀- tiv oder »1«, weil E₁ ein die Phase π hat. Die Wirkung

Wellentyp fort, so daß die elektrischen Feldvektoren C₁ der Addition von Ετοτ ist in F i g. 10 dargestellt. Der

sich zwischen der oberen und der unteren Wellenleiter- ao Träger E_{1 aus} ist gleich E₁ ein, wenn E₁ ein die Phase 0

wand erstrecken. Die elektrischen Feldvektoren e₂ des hat. Wenn jedoch die Torschaltung betätigt ist, um

koaxialen Kabels erstrecken sich andererseits radial Ετοτ zu addieren, ist E₁ aus umgekehrt proportional

vpm Mittelleiter 40 zum Außenleiter 43 des Kabels. Die E₁ ein-

Übertragung von e₂ gleicht der Bandleitungsfortpflan- _. Es sei die Situation betrachtet, bei der E₁ ein in der zung in dem Gebiet, in dem sich die Vektoren e₂ vom 35 Phase π eine geringe Größe hat. ETor wird in der Mittelleiter 40 zur oberen und unteren Wand des Phase 0 mit einer maximalen Größe addiert. Demnach Wellenleiters erstrecken. Wegen dieser verschiedenen hat E₁ aus die maximale Größe 2, wenn E₁ ein 0 ist. Fortpfianzungstypen kann sich die Wellenleiterträger- Wenn der Träger E_{1 e}in in der Phase π eine maximale energie nicht in das koaxiale Kabel hinein fortpflanzen, Größe hat, zerstört er das addierte Ετοτ und löscht es während sich die Energie des koaxialen Kabels nicht 30 aus. Wenn demnach E₁ «{» in der Phase π die maxiin den Wellenleiter hinein fortpflanzen kann. Jedoch male Größe hat, ist E_{1 aU}s 0, wie es in F i g. 10 darsoll der Wellenwiderstand des Bandleitungsteils für die gestellt ist.

Felder e_s im wesentlichen gleich dem Wellenwiderstand Der Bezugsträger E_ref, der zwischen den Stufen eindes koaxialen Kabels sein, um eine wirksame Über- gelegt wird, verschiebt die Phase und Größe von E₁ aus tragung von Ea₁ zu den Dioden zu ermöglichen. Da 35 in der gleichen Weise, wie es vorher beschrieben wurde, die gesamte in der Einrichtung 31 übertragene Energie E_refi hat die Form, die durch die Gleichung (6) besieh als Wellenenergie fortpflanzt, sind störende Re- schrieben wurde, während andere Bezugsträger die aktanzen klein, so daß der digitale Phasenschieber in allgemeine Form der Gleichung (10) haben. Die Trader Lage ist, mit extrem hohen Geschwindigkeiten zu gerkennlinie E₁ aus der Fig. 10 wird in die durch arbeiten. 4° E₂, ein dargestellte Lage »angehoben«. Es sei darauf

Es sei nun auf F i g. 9 eingegangen. Dort ist die hingewiesen, daß bei E_a = 4 E_{2 e}in die Phase 0 hat, so

erste Stufe 175 eines Köders für den binären Kode daß die zweite digitale Spannung Ed₂ eine negative

dargestellt. Wenn im Köder der F i g. 1 Stufen ver- Polarität hat oder eine »0« darstellt,

wendet werden, die der Stufe 175 gleichen, gibt die Jede der binären Koderstufen gleicht der Stufe 175

Kombinationsschaltung22 einen Impulskode E₂, ab, 45 der Fig. 9. Demnach ist, wie in Fig. 11 dargestellt

der eine binäre Kodedarstellung des analogen Ein- ist, E_{2 am} eine umgekehrte Funktion von E₂ ein, wenn

gangs E_a ist. E₂ ein die Phase π hat. Eine Addition des Trägers

Die analoge Spannung E_a moduliert einen hoch- £V_e/₂ ergibt die in F ig. 11 dargestellte Kennlinie E₃ einfrequenten Träger E_c im Gegentaktmodulator, um Es sei darauf hingewiesen, daß bei E_a — 4 die digitale denselben Eingang E₁ ein an die erste Stufe wie bei der 50 Ausgangsspannung der dritten Stufe 0 beträgt.
Gray-Kode-Ausführung abzugeben. Ein Teil von E₁ an Die obige Erläuterung zeigt, wie ein dreistufiger wird über einen Verstärker 50 und einen Begrenzer 51 binärer Köder unter dem Einfluß eines analogen Einan einen Synchrondetektor 49 gegeben. Wie vorher gangs 4 eine digitale Ausgangsspannung 100 ergibt, gibt der Synchrondetektor unter dem Einfluß einer Andere Beispiele zeigen, daß die aufeinanderfolgenden Phase π von E₁ ein eine positive digitale Ausgangs- 55 digitalen Ausgänge der binären Koderstufen binäre spannung E_dl oder eine Spannung »1« und unter dem Darstellungen der Größe der anlogen Eingangsspan-Einfluß einer Phase 0 von E₁ ein eine negative digitale nung sind. Die Bauteile der in F i g. 9 dargestellten Ausgangsspannung oder eine Spannung »0« ab. Die binären Stufen sind bekannt, sie können so gebaut Energie .Et₀ des örtlichen Oszillators wird über einen werden, daß sie auf hohe Frequenzen ansprechen, um einstellbaren Phasenschieber 52 an den Synchronde- 60 hohe Ausgangsgeschwindigkeiten zu liefern, wie es tektor 49 geliefert. Der Synchrondetektor 49 ist mit vorher erwähnt wurde. Selbstverständlich können soeiner Torschaltung 54 verbunden. Wenn die digitale wohl bei der binären als auch bei der Gray-Kode-Aus-Spannung Ea₁ positiv ist, betätigt sie die Torschal- führung Verstärkerwiderstände und andere bekannte tung 54, um eine Wellenenergie Ετοτ abzugeben, die Bauteile hinzugefügt werden, um sicherzustellen, daß von der Quelle 15 über den Phasenschieber 55 und die 65 die in den verschiedenen Gleichungen gegebenen veränderliche Dämpfungseinrichtung 56 geliefert wird. Phasen- und Amplitudenbeziehungen erfüllt werden. Die Trägerenergie E₁ ein wird durch die Verzögerungs- Es sei darauf hingewiesen, daß der digitale Phaseneinrichtung 57 verzögert, so daß sie am Richtkoppler 58 schieber der Fig. 7 und 8 in der binären Koderaus-

führung nicht benutzt wird. Die Torschaltung 54 zum Umschalten "der Trägerenergie kann eine Anzahl von bekannten Formen annehmen, die in der Lage sind, bei den beschriebenen Frequenzen zu arbeiten.

Claims

5 Patentansprüche:

1. Kodierer zur Erzeugung eines Impulskodes in Abhängigkeit von einer angelegten Analog-Signal-Spannung mit einer Anzahl von Stufen, die je Ausgangssignale erzeugen, welche beim Anlegen an die nächstfolgende Stufe die gleiche vorbestimmte Phase haben, dadurchgekennzeichnet, daß ein Modulator (14) vorgesehen ist, der einen Hochfrequenzträger (E_c) mit dem Analogsignal (E_a) moduliert und eine Eingangsspannung (.E₁ ein) erzeugt, deren Phase bei einer Analogspannung einer Polarität π und bei einer Analogspannung mit der entgegengesetzten Polarität 0 ist, daß die Eingangsspannung die Form ao

E₁ ein = Ea COS (ft) t + π)

hat, wobei E_a die analoge Eingangsspannung des Modulators (14) ist und cos (ω t + π) die Frequenz und Phase des Hochfrequenzträgers (E_c) am Eingang des Modulators beschreiben, daß jede Stufe (17, 18, 19) eine erste Ausgangsträgerspannung (Ed₁, Ed₂, Ed₃) einer ersten Amplitude bei einer Modulators (14) ist und cos (ω t + π) die Frequenz Eingangsspannung (E_{1 ein}, E₂ ein, E_{3 ein}) der jeweiligen Stufe mit der Phase π und einer zweiten Amplitude bei einer Eingangsspannung mit der Phase 0 erzeugt, daß jede Stufe außerdem eine zweite Ausgangsträgerspannung (E_{1 aus}, E₂ aus, E₃ aus) erzeugt, die zur nächstfolgenden Stufe übertragen wird, deren Amplitude eine lineare Funktion der Eingangsspannung der jeweiligen Stufe ist und deren Phase unabhängig von der Phase der Eingangsspannung konstant ist, und daß eine Signalquelle vorgesehen ist, die an den Ausgang jeder Stufe η eine hochfrequente Bezugsenergie (Eref) der Form

Eref(n) =

kEa

2»

cos (co / + π)

45

anlegt, wobei E_a max die Maximalamplitude der Analogeingangsspannung und k eine Konstante ist.

2. Kodierer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Stufe einen Synchrondetektor aufweist, an den die Eingangsspannung anlegbar ist und an den Energie mit der gleichen Frequenz wie die der Eingangsspannung lieferbar ist.

3. Kodierer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Stufe einen digitalen Reflexionsphasenschieber aufweist, in dem Steuerdioden angeordnet sind, die durch die erste Ausgangsträgerspannung vorgespannt werden.

4. Kodierer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Stufe eine Umschalteinrichtung aufweist, um zur Eingangsspannung der Stufe eine gegen die Eingangsspannung um 180° phasen verschobene Trägerfrequenz zu addieren, sowie eine Umschalteinrichtung, um diese Addition nur durchzuführen, wenn die Eingangsspannung eine bestimmte Phase hat.

5. Kodierer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenschieber einen Hohlleiter mit einer Endwand aufweist, die Wellenenergie einer Quelle steuerbar reflektiert, ferner eine Verbindung, die sich zwischen der oberen und der unteren Wand des Hohlleiters erstreckt und wenigstens eine Diode enthält, und eine Vorspannungseinrichtung, die die Diode in einer ersten oder einer zweiten Richtung vorspannt und ein Koaxialkabel enthält, dessen Außenleiter mit der Endwand verbunden ist und dessen Innenleiter durch eine öffnung in der Endwand führt und an die Diode angeschlossen ist, und daß die Verbindung in Reihenresonanz ist, wenn die Diode in der ersten Richtung vorgespannt ist, und in Parallelresonanz, wenn die Diode in der zweiten Richtung vorgespannt ist, so daß die Wellenenergie mit einer Phasendifferenz von 180° bei der einen Diodenvorspannung gegenüber der bei der entgegengesetzten Diodenvorspannung reflektierten Energie reflektiert wird.

6. Kodierer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der rechteckige Hohlleiter die Wellenenergie in einem Wellentyp führt, der durch elektrische, zwischen der oberen und unteren Wand des Hohlleiters verlaufende Feldvektoren gekennzeichnet ist, und daß das Koaxialkabel die Vorspannungsenergie in einem Wellentyp führt, der durch radial vom Innenleiter aus verlaufende Feldvektoren gekennzeichnet ist, wodurch die Wellenenergie im wesentlichen auf den Hohlleiter beschränkt und die Vorspannungsenergie im wesentlichen daran gehindert ist, sich über die Verbindung hinaus fortzupflanzen.

7. Kodierer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil des Hohlleiters, durch den der Innenleiter des Koaxialkabels führt, zusammen mit dem Innenleiter im wesentlichen einen bandleitungsartigen Teil bildet, längs dessen die Vorspannungsenergie vom Koaxialkabel zu der Diode läuft, und daß der Wellenwiderstand des bandleitungsartigen Teils im wesentlichen gleich dem Wellenwiderstand des Koaxialkabels ist.

8. Kodierer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung eine Diode enthält, die zwischen der oberen Wand des Hohlleiters und dem Innenleiter angeordnet ist, und eine zweite Diode, die zwischen der unteren Wand des Hohlleiters und dem Innenleiter angeordnet ist, daß beide Dioden bei einer ersten Spannung auf dem Innenleiter in Durchlaßrichtung und bei einer zweiten Spannung auf dem Innenleiter in Sperrichtung vorgespannt sind, daß die obere und die untere Hohlleiterwand Stichleitungen aufweisen, mit denen die Verbindung derart verbunden ist, daß eine geeignete Verbindungslänge entsteht und die Dioden in Reihenresonanz sind, wenn sie in Sperrichtung vorgespannt sind, und daß die Dioden in einem solchen Abstand von der Endwand angeordnet sind, daß sie bei Vorspannung in Durchlaßrichtung mit der Kapazität der Endwand in Parallelresonanz kommen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen