DE1762525B2

DE1762525B2 - Nichtlinearer gray codierer mit stueckweise linearer kom pression

Info

Publication number: DE1762525B2
Application number: DE19681762525
Authority: DE
Inventors: John Hardin Fair Haven N J Davis (V St A)
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1967-07-03
Filing date: 1968-07-02
Publication date: 1971-07-15
Also published as: BE717366A; FR1576653A; DE1762525A1; JPS4913896B1; GB1227233A; US3522599A; SE344523B

Description

Die Erfindung betrifft ein Codiergerät zur übersetzung eines augenblicklichen Tastwertes eines Analogsignals in leine Gruppe von Binärziffern eines reflektierten Binärcode mit einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Verstärkerstufen, von denen jede ein analoges Eingangssignal aufnehmen und ein analoges Ausgangssignal sowie entweder ein erstes oder ein zweites Ziffcrnausgangssignal erzeugen kann, und mit Schaltungen, die einen Vorstrom vom Verbindungspunkt zwischen dem Analogausgang jeder Stufe und dem Analogeingang der folgenden Stufe empfangen.

Bei der Pulscodemodulation wird das zu übertragende Analogsignal mit einer Frequenz abgetastet, die wenigstens gleich der doppelten Frequenz der Komponente mit der höchsten Frequenz ist. Die Amplitude jedes Abtaslwerlcs wird codiert, d. h. in ein digitales Codewort übersetzt, das Impulse gleicher Amplitude enthält. In einer Verstärkerstation können die Impulse trotz beträchtlicher Ubcrtragungsverzerrungen in ihrer ursprünglichen Form wieder hergestellt werden, solange der Impulsabstand feststellbar ist. Dann führt eine übertragung über große Entfernungen mit vielen Verstärkerstationen nur zu sehr kleinem Rauschen und sehr kleiner Verzerrung.

Die Hauptrauschquellcn sind statt dessen das Ubcrlastungsrauschcn und das Quantisicrungsrauschen. Im ersten Fall handelt es sich um dasjenige Rauschen, das auftritt, wenn die Eingangssignalamplitude den Nennwert für das maximale Codierer-Eingangssignal überschreitet, im zweiten Fall handelt es sich um dasjenige Rauschen, das sich aus der Unterteilung der analogen Amplitudenabtastwerte in diskrete Stufen zur digitalen Codierung ergibt. Je mehr Stufen verwendet werden, um so kleiner ist jede Stufe und folglich um so kleiner der mittlere Fehler oder das Quanlisicrungsrauschen. Andererseits erfordern mehr Quantisicrungsstufen eine größere Zahl von Ziffern im Codewort und folglich eine größere Bandbreite für die Übertragung.

Ein Verfahren zur Erhöhung der Genauigkeit von Codieren! ohne Erhöhung der Bandbreite besteht in der Verwendung des reflektierten Binärcode oder Gray-Code (vgl. USA.-Palentschrift 2 632 058 vom 17.3. 1953). Beim Zählen in diesem Code weichen zwei beliebige aufeinanderfolgende Codewörter nur in einer Ziffer ab. Folglich entspricht ein Auflösungsfchlcr bei irgendeiner Ziffer für das Codieren oder Decodieren einem Fehler in der letzten Ziffernstellc.

Eine weitere Verbesserung des Signal-Rauschverhältnisscs für eine gegebene Bandbreite läßt sich dadurch erreichen, daß die relative Größe der Quantisicrungsstufen durch eine »Kompansion« (Kompression + Expansion) verändert wird. Das Verfahren der Kompansion ist auf dem Gebiet der elektrischen Signalübertragung bekannt. Man hat Signale unter Verwendung quadratischer, logarithmischer und hyperbolischer Kennlinien kompandiert. Die optimale Form einer Kompansions-Kcnnlinic zur möglichst weitgehenden Verringerung des Quantisierungsrauschens bei der übertragung von pulscodemodulierten Signalen ist diejenige, die zu einem gleichmäßigen Auftreten aller möglichen Codewörter führt. Die optimale Komprcssionskennlinie eines Codierers hängt daher von der Amplitudenverteilung der Analogsignale ab.

Wenn viele Sprachsignale gleichzeitig über einen einzigen Kanal im Frcquenzvielfach übertragen werden, beispielsweise die Hauptgruppc eines Koaxial-Systems (die bis zu 600 Sprachsignale übertragen kann), so folgt die Verteilung der kombinierten Signalamplituden einer Gauß-Kurve. Wenn eine Kompansions-Kennlinie optimaler Form für solche Gauß-Signale bei einem achtziffrigen Gray-Impulscode anzuwenden ist, läßt sich zeigen, daß das Signal-Quantisicrungsrauschverhältnis theoretisch um 3,4 db verbessert werden kann. Eine entsprechende Verbesserung ohne Kompansion würde zusätzlich 0,6 Ziffern erfordern.

ίο Es besteht daher die Möglichkeit, einen achtziffrigen Code mit Kompansion an Stelle eines neunziffrigen Code ohne Kompansion zu verwenden, wodurch eine beträchtliche Bandbreiteneinsparung erzielt wird.

Es ist jedoch bisher noch kein brauchbares Verfahren zur praktischen Anwendung einer Kompansions-Kennlinie auf einen Gray-Code aufgezeigt worden. Natürlich besteht die Möglichkeit, das Analogsignal getrennt von der Codier- und Dccodieroperalion zu komprimieren und zu expandieren. Dies führt jedoch zu schwerwiegenden Nachführfehlern, die mehr Rauschen erzeugen können, als das Kompandieren beseitigt. Weiterhin läßt sich die gesuchte bestimmte Kurvenform praktisch nicht leicht verwirklichen, während diejenigen Kurven, die leicht zu verwirklichen sind, zu einer unzureichenden Verbesserung führen. So bringt für Gauß-Signalc eine praktisch anwendbare logarithmische Kompansion nur eine Verbesserung von 1,6 db.
In den USA.-Patentschriften 3 016 528 (9. 1. 1962) und 3 015 815 (2. I. 1962) sind Verfahren und Einrichtungen zur Kombination einer Kompression mit einer Codierung bei einem Binärcode zur Erzielung einer nichtlinearen Codierung beschrieben. Es wird die Annäherung jeder gewünschten Komprcssions-Kennlinie durch eine Anzahl von aufeinanderfolgenden linearen Bereichen gelehrt. Die Vorteile der Codiergenauigkeit der Einfachheit linearer Systeme und der Möglichkeit zur Annäherung jeder Kompansionskurve sind für solche stückweise linearen Systeme nicht zu bezweifeln. Die stufenweise Erzeugung eines Gray-Code weicht jedoch beträchtlich von der des Binärcode ab, und die bekannten Schaltungen lassen sich daher nicht zur Erzeugung eines Gray-Code verwenden.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, einen einfachen und genauen Gray-Codierer mit eingebauter Kompression auf stückweise linearer Grundlage zu schaffen. Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung von einem Codiergerät der eingangs genannten Art aus und ist dadurch gekennzeichnet, daß zur nichtlinearen Übersetzung des Analogsignals in einen reflektierten Binärcode wenigstens zwei aufeinanderfolgende Stufen der Vielzahl von Verstärkerstufen je eine Anzahl von alternativen Verstärkungswerten aufweisen,

die durch den Ausdruck 2'~² + 1 gegeben sind, wobei / die Ordnungszahl der Stufe ist, und daß Schalteinrichtungen vorgesehen sind, die auf die Ziffernausgangssignale jeder vor der /-ten Stufe und nach der ersten Stufe liegenden Stufe ansprechen und den speziellen Wert der alternativen Verstärkungswerte bestimmen.

In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine ideale Kompansionskurve für den Codiervorgang und eine Anzahl von stückweise linearen Annäherungen der Kurve,

F i g. 2 das Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels für einen stufenweisen Codierer nach der Erfindung,

F i g. 3 die Verstärkungskennlinie einer standardisierten Gray-Codierstufe,

F i g. 4 eine Tabelle der verschiedenen Stufenverstärkungen,

F i g. 5 ein Blockschaltbild, das die erfindungsgemäße Umschaltung der Stufenverstärkung darstellt, F i g. 6 die Verstärkungskennlinie der Stufe 2,

F i g. 7 die Verstärkungskennlinie der Stufe 3,

F i g. 8 ein ins einzelne gehendes Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung,

F i g. 9 ein Schaltbild eines weiteren Ausrührungsbeispiels der Stufe 3.

Bei der Codierung mit einem binären Gray-Code in einem stufenweisen Codierer wird eine Kompression zusätzlich dadurch erreicht, daß eine Vielzahl alternativer Verstärkungswerte in wenigstens zwei Stufen hinter der ersten Stufe vorgesehen sind. Die Zahl der Verstärkungswerte der /-ten Stufe ist durch den Ausdruck 2'~²+ 1 gegeben, und der jeweilige Wert dieser Verstärkungswerte wird durch Umschalteinrichtungen bestimmt, die auf die Ziffernausgangssignale jeder Stufe vor der i-ten Stufe und nach der ersten Stufe ansprechen.

In F i g. 1 ist eine Kompansions-Kcnnlinie als gestrichelte Kurve 11 gezeigt, deren Annäherung bei der Codierung mit einem Gray-Code angestrebt wird. Die Abszisse stellt den zu codierenden analogen Abtaststrom dar und die Ordinate die Analogzahl, die dann genau in das Codewort übersetzt wird. Beide Skalen sind normalisiert mit dem Maximalstrom / der in der Anlage ohne überlastung verarbeitet werden kann, so daß der volle Skalenwert eins beträgt.

Erfindungsgemäß läßt sich die Kompansionskurve 11 durch einen Codierer annähern, der in Blockform in Fig. 2 gezeigt ist. Die Erfindung ist nicht notvvendigerweisc auf diese spezielle Kurve begrenzt. Es kann jede Kurve auf diese Weise angenähert werden, die monoton ansteigende oder abfallende Steigung besitzt und symmetrisch zur Null-Achse liegt.

Der Codierer in F i g. 2 ist ein typischer stufenweiser Codierer, die wegen ihrer Geschwindigkeit und Genauigkeit bekannt sind. Hinzugefügt wurden Schalter zur Änderung der Stufenverstärkungswerte. Stufenweise Codierer werden, wie der Name sagt, aus einer Anzahl von in Reihe geschalteten Stufen aufgebaut, wobei Tür jede Ziffer eines Codewortes eine Stufe vorgesehen ist. Jede Stufe enthält einen zu einem Verstärker führenden Analogeingang, einen Analogausgang und einen Ziffernausgang. Alle Ziffern bilden bei sequentieller Entnahme das Codewort. Vom Verbindungspunkt zwischen dem Analogausgang einer Stufe und dem Analogeingang der folgenden Stufe wird ein Vorstrom entnommen. Die Polarität des Eingangssignals jeder Stufe bestimmt, ob das Ziffernausgangssignal dieser Stufe Eins oder Null ist und folglich, ob der jeweilige Raum im Codewort durch einen EinImpuls- oder einen Aus-Impuls eingenommen wird. Zur Erläuterung sei angenommen, daß ein negatives Eingangssignal einer Stufe die Ziffer Null und ein positives Eingangssignal die Ziffer Eins erzeugt. Ein Strom Z₁₁₁, der die zu codierende analoge Abtastspannung darstellt, wird zur Erzeugung eines analogen Ausgangsstroms /, in einer Stufe um einen bestimmten Wert verstärkt. Vom Strom /, wird ein Vorstrom I₁₃₁ zur Erzeugung des Eingangsstroms Z₀₁ der Stufe 2 abgezogen. Wenn i,„ größer ist als Null, ist die Ziffer α, eine Eins. Wenn /,„ kleiner als Null ist, ist die Ziffer a_v eine Null. Entsprechend ist, wenn ι, — /_B1 größer ist als Eins, die Ziffer a₂ eine Eins und so weiter für das ganze Code wort a_u a₂, a₃, a₄ ... usw.

Für einen linearen Gray-Codierer ist die Verstärkungskennlinie jeder Stufe in F i g. 3 gezeigt. Unabhängig davon, ob der Eingangsstrom der Stufe positiv oder negativ ist, ist das Ausgangssignal immer positiv, und die Stufenverstärkung hat den Absolutwert 2. Bei einem solchen System ist der zwischen den Stufen entnommene Vorstrom gleich dem Eingangsspitzenstrom I_p. Wenn alle Stufen die Standard-Kennlinie der F i g. 3 haben, würde die Gesamt-Codierkennlinie eine Gerade durch den Ursprung und die Punkte Punkte (1, 1) und (—1, —1) sein, die in F i g. 1 als Kurve 12 dargestellt ist. Zur Annäherung einer Kurve mit linearen Abschnitten unterschiedlicher Steigung müssen einige Stufen so abgeändert werden, daß sie vom Standard abweichende Verstärkungswerte besitzen. Wenn η die Anzahl der abgeänderten Stufen angibt, so ist die Anzahl der linearen Abschnitte in jeder Hälfte der Kompansionskurve gegeben durch 2". Da der Code auf der Basis Zwei beruht und jede Stufe eine Ziffer eines Codewortes erzeugt, führt jede richtig abgeänderte Stufe zu einem Knick jedes bestehenden linearen Kurvenabschnittes in dessen vertikalem Mittelpunkt. Beginnt man daher mit der Standardstufe 1, die die Gerade 12 erzeugt, so führt die richtige Abänderung der Stufe 2 zu den beiden linearen Abschnitten 13,13. Eine zusätzliche Abänderung der Stufe 3 erzeugt die vier Abschnitte 14,14 und der Stufe 4 die acht Abschnitte 15,15. In F i g. 1 sind zur besseren Übersicht die Abschnitte 14 und 15 nur jeweils in einem Quadranten gezeigt. Sie sind natürlich in beiden Quadranten vorhanden.

Weitere Standardstufen, die der Stufe 1 entsprechen, führen zu weiteren Codierungsstufen, bewirken aber keine weiteren Kurvenknickpunkte. Zur Annäherung der Kurve 11 mit vier linearen Abschnitten je Quadrant müssen also nur die zweite und dritte Stufe eines solchen Codierers abgeändert werden. Die erste, vierte, fünfte, sechste, siebte und achte Stufe eines achtziffrigen Codierers würden genau die Kennlinien haben, die in F i g. 3 gezeigt sind.

Es wurde gefunden, daß zur Erzeugung der erforderlichen Steigung der Abschnitte die beeinflußten Stufen mehr als einen absoluten Verstärkungswert haben müssen. Die Anzahl der unterschiedlichen Verstärkungswerte für jede abgeänderte Stufe wird durch den Ausdruck 2Γ²+ 1 angegeben, wobei / die Ordnungszahl der Stufe ist.

Mit anderen Worten, die zweite Verstärkerstufe muß zwei alternative Verstärkungswerte, die dritte Stufe drei, die vierte Stufe fünf, die fünfte Stufe neun usw. Verstärkungswerte in Abhängigkeit von der gewünschten Anzahl der linearen Kurvenabschnitte haben. Wenn die zusätzlichen Verstärkungswerte nicht vorhanden sind, so wird die Lage der Knickpunkte so eingeschränkt, daß nicht alle mit der Kurve zusammenfallen. Die Abschnitte 17-17 stellen, soweit sie von den Abschnitten 14-14 in F i g. 1 abweichen, die optimale Annäherung der Kurve 11 mit nur zwei Verstärkungswerten in der Stufe 3 dar.

Der jeweilige Verstärkungswert, der in einer gegebenen abgeänderten Stufe der Codierkette für ein Signal gelten soll, hängt von der Polarität des der fraglichen Stufe zugeführten Signals und den Ziffernausgangssignalen der vorhergehenden Stufen ab. Dadurch kann der nichtlineare Codierer so wie der lineare Codierer schnell und genau arbeiten, da die erforder-

liehe Information für die Vcrstärkungsumschaltung zur Verfügung steht, bevor das Signal umgeschaltet werden muß.

Die Tabelle in F i g. 4 zeigt die Beziehung zwischen, den Ziffern und den Verstärkungswerten. Jeder Verstärkungswert wird durch den Buchstaben G mit einem geeigneten Index und einer Hochzahl angegeben. Die erste Ziffer jedes Index stellt die Stufe und die zweite Ziffer den Ziffernzustand (Null oder Eins) dar. Die Hochzahlen geben unterschiedliche Vcrslärkungswcrtc der gleichen Stufe und des gleichen Ziffcrnzuslandcs an. Der für jede Stufe gewählte Vcrstärkungswcrt ist von demjenigen abgeleitet, der in der Tabelle am nächsten über ihm steht. Wenn also die Ziffer 2 Null, die Ziffer 3 Null und die Ziffer 4 Eins ist, führt ein negatives Eingangssignal der Stufe 5 zur Verstärkung Cf₀ und ein positives Eingangssignal zu Cs,. Entsprechend führt, wenn die Ziffer 2 Eins, die Ziffer 3 Null, die Ziffer Null und die Ziffer 5 Eins ist. ein negatives Eingangssignal der Stufe 6 zur Verstärkung Cfio und ein positives Eingangssignal zu Gj₁. Ein solches Muster ist leicht überschaubar, und jedermann könnte leicht die Stufe 7 aufbauen, wenn dies gewünscht wird. Da das analoge Ausgangssignal der Stufe 1 für positive und negative Eingangssignale gleich ist, bestimmt die erste Ziffer nicht die nachfolgenden Vcrstärkungswcrtc. Wie in Fig. 2 gezeigt, wird daher ein Vcrstärkungsschalter 21 durch den Ziffernausgang a₂ der Stufe 2 betätigt und ändert die Verstärkung der Stufen 3 und 4. Ein Vcrslärkungsschaltcr31, der durch den Ziffernausgang a₃ der Stufe 3 betätigt wird, ändert die Verstärkung der Stufe 4, usw. Entsprechend ändern die Schalter 21 und 22 die Verstärkung jeder nachfolgenden, vom Standard abweichenden Stufe, die zur Erzeugung der gewünschten Anzahl von Kurvcnknickpunktcn erforderlich ist.

Eine Anordnung von Schaltern nach der Erfindung ist in Fig. 5 gezeigt. In der Stufe 2 schaltet eine Diode 43, die negative Eingangsströme durehläßt, das Eingangssignal Z₀₁ der zweiten Stufe an einen Verstärker 44 an, dessen Verstärkung G₂₀ beträgt. Eine entgegengesetzt gcpoltc Diode 46 schaltet das Signal Z₀₁ an einen Verstärker 47 mit der Verstärkung G₂, an. Die Ausgangssignalc der Verstärker 44 und 47 sind zusammengerührt und bilden den Ausgangsstrom Z₂ der Stufe 2. Zur Erzeugung des Eingangsstromes i₀₂ der Stufe 3 wird der Vorstrom IB₂ vom Strom Z₂ abgezogen. Entsprechend schaltet in der Stufe 3 eine Diode 53, die negative Eingangsströme durehläßt, das Signal Z₀₂ an einen Verstärker 54 mit einer Verstärkung G₃₀ an. Eine entgegengesetzt gepoltc Diode 56 führt das Signal Z₀₂ einem Schalter 22 zu. In seiner Ruhelage verbindet der Schalter 22 die Diode 56 mit einem Verstärker 57, dessen Verstärkung CJi₁ beträgt, und in seiner Arbeitsstellung mit einem Verstärker 58, dessen Verstärkung G₃₁ beträgt. Die Ausgangssignalc der Verstärker 54, 57 und 58 sind zusammengeführt und bilden den Ausgangsstrom Z₃ der Stufe 3. Zur Erzeugung des Eingangssignals Z₀₃ der Stufe 4 wird der Vorstrom/B₃ vom Signal Z₃ abgezogen. Eine Diode 63, die negative Eingangsströme durehläßt, führt das Signal Z₀₃ einem Schalter 23 zu, der in seiner Ruhestellung mit einem Verstärker 65 verbunden ist, dessen Verstärkung Ci₀ beträgt, und in seiner Arbeitsstellung mit einem Verstärker 64 verbunden ist, dessen Verstärkung Gl₀ beträgt. Eine entgegengesetzt gepolte Diode führt das Signal Z₀₃ einem Schalter 32 zu, der in seiner Ruhestellung mit einem weiteren Schalter 24 und in seiner Arbeitsstellung mit einem Verstärker 69 verbunden ist, dessen Verstärkung Gl_x beträgt. Der Schalter 24 ist in seiner Ruhestellung mit einem Verstärker 68 verbunden, dessen Verstärkung Gi, beträgt, und in seiner Arbeitsstellung mit einem Verstärker 67 mit der Verstärkung G₄₁. Die Ausgangssignalc der Verstärker 64, 65, 67, 68 und 69 sind zusammengeführt

■ο und erzeugen das Ausgangssignal Z₄ der Stufe 4. Wenn der Eingangsstrom Z₀₁ der Stufe 2 positiv ist. ist die Ziffer a₂ eine Eins, und die Schalter 22, 23 und 24 sind alle betätigt. Entsprechend ist, wenn der Strom Z₀₂ positiv ist, die Ziffer a₃ eine Eins, und der Schalter 32 ist betätigt. Wenn also die Ziffer 2 eine Eins und die Ziffer 3 eine Eins ist, so wird ein positives Eingangssignal Z₃ der Stufe 4 durch die Verstärkung Gl₁ und ein negatives Signal durch die Verstärkung Gl₀ beeinflußt. Alle anderen Kombinationen lassen sich auf entsprechende Weise angeben. Es ist natürlich nicht erforderlich, daß die für jede Stufe gezeigten Verstärker völlig voneinander getrennt sind. Es muß nur die Verstärkung sowie die Polarität umgeschaltet werden.

Die zur Codierung mit jeder gewünschten K ompansionskurve mit monoton zunehmender oder abnehmender Steigung und Symmetrie zur Null-Achse erforderlichen Vorströme und Verstärkungswerte lassen sich leicht berechnen, wenn man die Abszissen der Knickpunkte der Kompansionskurve kennt. Zur Erläuterung sollen die Vorströme und Verstärkungswerte der ersten drei Stufen eines Codicrers mit Bezug auf die in den F i g. 3, 6 und 7 gezeigten Stufenkennlinien entwickelt werden. Die Ordinatcn der Knickpunkte müssen natürlich an den Ubergangspunkten für die betroffenen Ziffern auftreten. Der erste Knickpunkt tritt daher dort auf, wo die zweite Ziffer sich von Null auf Eins ändert, also am vertikalen Mittelpunkt der Kompansionskurve, nämlich dem Punkt 19 in Fig. 1. Wenn A = der horizontalen Projektion der Kurve 11 zwischen dem Ursprung und dem Punkt 19 ist, so wird der Vorstrom /B₁, der den Ubergangspunkt 19 für die Ziffer 2 bestimmt, durch den Ausdruck /B₁ = Gj₁ A = 2/1 angegeben, wie sich aus F i g. 3 ergibt. Damit der Eingangsstrom Null Z, = 2 /_;)

erzeugt, ergibt sich aus F i g. 6. daß G₂₀ = -^e-,

Zur Vereinfachung seien die horizontale

also -if
A

Projektion der vier Abschnitte 14-14 in Fig. I vom Ursprung aus gesehen gleich C, D, E und F. IB₁. also der Vorstrom, der den Ubcrgangspunkt für die dritte Ziffer bestimmt, wird dann

/B₂ =

Ci₀ =

Dies läßt sich auch wie folgt ausdrücken:

/B₂ = Cl₁-E- G₂₁ ,

also

₂₁ =

Aus F i g. 7, nämlich der Kennlinie der F i g. 3, läßt sich bestimmen, daß

Gi₀ =

A_ D

Gi₁ =

2/„

'20

Schließlich ist

2 I_n

FG\,G\

A_ C

AE DF ^-

(4)

(5)

(6)

Wenn die Stufe 4 vom Standard abweichen soll, lassen sich die Werte auf entsprechende Weise ermitteln. Falls jedoch nur vier Abschnitte je Quadrant erforderlich sind, wird /B₃ gleich /_p, und Gi₁ sowie Gi₀ haben beide den Wert 2. Es läßt sich zeigen, daß mit diesem Verfahren die optimale Kompansionskennlinie mit vier Abschnitten und dem Mittelwert Null für Eingangssignale mit Gaußscher Amplitudenverteilung zu folgenden Werten führt:

/B₁ = 0,577 /„; G]₀ = 3,48; G₃₀ = 1,875
IB₂ = 1,068 /_p; Gj₁ = 2,47; G₃₁ = 0,816

Gl₁ = 2,145.

Zur Berechnung dieser Werte ist angenommen worden, daß der Uberlastungsstrom 4,6mal größer als der Effektivwert des Stromes ist. Das genaue Verhältnis des Uberlastungsstromes zum Effektivwert des Stromes ist nicht kritisch, aber es läßt sich zeigen, daß ein Verhältnis von etwa 4,6 zur optimalen Kompansionskurve führt (d. h., derjenigen, bei der das durch die Quantisierung und Überlastung verursachte Rauschen ein Minimum wird).

Ein Ausführungsbeispiel für einen Codierer nach der Erfindung ist in F i g. 8 gezeigt. Es sind drei Stufen des in der eingangs genannten deutschen Auslegeschrift 1 183 126 beschriebenen Typs dargestellt. Jede Stufe enthält zwei Operationsverstärker 71-71 mit sehr hoher Verstärkung in einer symmetrischen Anordnung. Die Verstärkung der ersten Stufe wird für negative Signale durch einen um jeden Verstärker herumführenden Rückkopplungsweg 72 bestimmt, der eine entsprechend gepolte Diode 73 in Reihe mit einem Widerstand 74 enthält. Die Verstärkung der Stufe für positive Signale wird durch einen ähnlichen Rückkopplungsweg 82 bestimmt, der eine entgegengesetzt gepolte Diode 83 in Reihe mit einem Widerstand 84 aufweist. Das Ziffernausgangssignal wird am Ausgang des Verstärkers und das analoge Ausgangssignal am Verbindungspunkt der Diode mit dem Widerstand in jedem Rückkopplungsweg entnommen. Die positiven und die negativen Analog-Ausgangssignale beider Verstärker werden jeweils addiert und beaufschlagen die nächste Stufe.

Um die für die Stufe 2 eines nichtlinearen Codierers erforderlichen unterschiedlichen Verstärkungswerte zu verwirklichen, muß man nur in bekannter Weise die Rückkopplungswiderstände entsprechend einstellen. Die Stufenverstärkung ist gleich dem Verhältnis des Rückkopplungswiderstandes zum Vorwärtswiderstand. Wenn daher der Rückkopplungswiderstand

für positive Signale R₁ und Tür negative Signale R₂ ist und der Widerstand, der jeden Verbindungspunkt eines Rückkopplungswiderstandes mit einer Diode an den Eingang der folgenden Stufe anschaltet, R_F ist, so ergibt sich:

und

GJo =

Gl₁ =

R_r

In der Stufe 3 ist der Rückkopplungswiderstand für positive Signale in zwei Widerstände mit dem Wert xR und (1 — x) R unterteilt. Ein Doppelschalter 122 legt den Verbindungspunkt jedes Paares von Rückkopplungswiderständen über einen weiteren Widerstand R_s an Erde, wenn die Ziffer 2 Eins ist. Der Rückkopplungswiderstand für negative Signale ist bR. Die verschiedenen Verstärkungswerte sind dann:

30

Eine alternative Anordnung für die Stufe 3 ist in F i g. 9 gezeigt. In diesem Fall ist der Rückkopplungswiderstand für positive Signale jedes Verstärkers wieder in zwei Teile unterteilt, nämlich xR und (1 — x) R. Ein einzelner Schalter 222 verbindet den Verbindungspunkt zwischen den beiden Teilen eines Rückkopplungsweges mit dem des anderen über einen Widerstand 2 R₄. Die Stufenverstärkungen sind numerisch gleich denen des Ausführungsbeispiels in F i g. 8. Während der Schalter in F i g. 8 geerdet werden kann und der in F i g. 9 nicht, ist der zweite Fall wahrscheinlich zweckmäßiger, da Restspannungen am Schalter keine Unsymmetrie verursachen.

Die Schalter 122 und 222 können beliebige Schaltgcrätc hoher Geschwindigkeit sein, die in Datenübertragungsanlagen allgemein verwendet werden. Beispielsweise können sie aus einem bistabilen Flip-Flop bestehen, das den Ziffernimpuls aufnimmt und einen Transistor einschaltet. Geeignete Schaltgeräte lassen sich auch unter Verwendung von Tunneldioden aufbauen.

Der Wert des Parameters χ wird entsprechend praktischen Überlegungen gewählt. Wenn χ sehr klein ist, verursacht jede Schalter-Restspannung einen verhältnismäßig großen Fehlerstrom. Wenn dagegen χ zu dicht an Eins liegt, so wird der Wert von 2 R₁ sehr kritisch bei der Einstellung der Verstärkung G₃₁. Wenn R = 490 Ohm, R₁ = 600 Ohm und /_p = 3,33 mA sind, die Schalterrestspannung 1,0 mV und die Toleranz von K₁ = ±0,01 betragen, so ist der optimale Wert für χ etwa 0,35.

Claims

Patentansprüche:

1. Codiergerät zur übersetzung eines augenblicklichen Abtastwertes eines Analogsignals in

109 529/283

cine Gruppe von Binärziffcrn eines reflektierten Binärcode mil einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Verstärkerstufen, von denen jede ein analoges Eingangssignal aufnehmen und ein analoges Ausgangssignal sowie entweder ein erstes oder ein zweites Ziffcrnausgangssignal erzeugen kann, und mit Schaltungen, die einen Vorstrom vom Verbindungspunkt zwischen dem Analogausgang jeder Stufe und dem Analogeingang der folgenden Stufe empfangen, dadurch gekennzeichnet, daß zur nichtlincarcn übersetzung des Analogsignals in einen reflektierten Binärcode wenigstens zwei aufeinanderfolgende Stufen der Vielzahl von Vcrstärkcrstufcn je eine Anzahl von alternativen Verstärkungswerten aufweisen, die durch den Ausdruck 2'~² + 1 gegeben sind, wobei / die Ordnungszahl der Stufe ist, und daß Schaltcinrichtungen (21) vorgesehen sind, die auf die Ziffernausgangssignalc jeder vor der /-ten und nach der ersten Stufe liegenden Stufe ansprechen und den speziellen Wert der alternativen Vcrstärkungswerte bestimmen.

2. Codicrgcräl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Stufe (Stufe 1) mit einem ersten Vcrstärkungswcrl für sowohl das erste als auch das zweite Ziffcrnausgangssignal arbeitet, daß die zweite Stufe (Stufe 2) mit einem zweiten Vcrslärkungswcrt für ein erstes Ziffernausgangssignal und mit einem dritten Verstärkungswcrl für ein zweites Ziffcrnausgangssignal arbeitet und daß die dritte Stufe (Stufe 3) mit einem vierten Verstärkungswert für ein erstes Ziffcrnausgangssignal, einem fünften Vcrstärkungswcrl für ein zweites Ziffcrnausgangssignal der dritten Stufe und ein erstes Ziffcrnausgangssignal der zweiten Stufe und mit einem sechsten Verstärkungswert für ein zweites Ziffcrnausgangssignal der dritten Stufe und ein zweites Ziffcrnausgangssignal der zweiten Stufe arbeitet.

3. Codicrgeräl nach Anspruch 2, dadurch gckennzeichnet, daß eine vierte Stufe (Stufe 4) mit einem siebten Verstärkungswert Tür ein erstes Ziffcrnausgangssignal der vierten Stufe und ein erstes Ziffcrnausgangssignal der zweiten Stufe arbeitet, mit einem achten Verstärkungswert für ein erstes Ziffcrnausgangssignal der vierten Stufe und ein zweites Ziffcrnausgangssignal der zweiten Stufe arbeitet, mit einem neunten Verstärkungswert für ein zweites Ziffcrnausgangssignal der vierten Stufe und ein erstes Ziffernausgangssignal der zweiten Stufe arbeitet, mit einem zehnten Verstärkungswert für ein zweites Ziffcrnausgangssignal der vierten Stufe, einem zweiten Ziffernausgangssignal der zweiten Stufe und einem ersten Ziffcrnausgangssignal der dritten Stufe arbeitet und mit einem elften Verstärkungswert für ein zweites Ziffcrnausgangssignal der vierten Stufe und ein zweites Ziffernausgangssignal sowohl von der zweiten als auch der dritten Stufe arbeitet.

4. Codiergerät nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Schalteinrichtung (21), die auf ein zweites Ziffcrnausgangssignal der zweiten Stufe anspricht und die Verstärkung der dritten Stufe ändert.

5. Codiergerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungswerte je durch einen um den jeweiligen Verstärker herumführenden Rückkopplungswcg bestimmt werden, der einen Widerstand (74, 84; Fig. 8) und eine einseitig leitende Einrichtung (73, 83) aufweist, daß das analoge Ausgangssignal am Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand und der einseitig leitenden Einrichtung entnommen wird und daß die Schalteinrichtung (ζ. Β. 22: Fig. 5) wahlweise einen bestimmten der Rückkopplungswcge einschaltet.

6. Codiergerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Stufe (Stufe 3: F i g. 8) zwei Verstärker enthält, daß die positive und negative Analogausgang eines Verstärkers mit dem positiven und negativen Analogausgang des anderen Verstärkers verbunden ist und daß die Schalteinrichtung (122; Fig. 8) wahlweise die Rückkopplungswcge beider Verstärker (über R_s) einzeln an Erde legt.

7. Codiergerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Stufe (Stufe 3; F i g. 9) zwei Verstärker enthält, daß der positive und negative Analogausgang eines Verstärkers mit dem positiven und negativen Analogausgang des anderen Verstärkers verbunden ist und daß die Schalteinrichtung (222) den in Betrieb befindlichen Rückkopplungswcg des einen Verstärkers (über 2R_S) mit dem des anderen verbindet.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen