DE1762525C - Nichtlinearer Gry-Codierer mit stückweise linearer Kompression - Google Patents

Description

Pie Erfindung betrifft ein Codiergerät zur übersetzung eines augenblicklichen Tastwertes eines Analogsignals in eine 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 /weites Ziffernausgangssignal erzeugen kann, und mit ichaltungen. die einen Vorstrom vom Verbindungspunkl zwischen dem Anaiogausgang jeder Stufe und dem Analügcingung 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 Abtastwertes wird codiert, d. h. in ein digitales Codewort übersetzt, das Impulse gleicher Amplitude enthält. In einer Verstärkerstation können die Impulse trotz beträchtlicher Ubertragungsverzerrungen 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 Hauptrauschquellen sind statt dessen das Uberlastungsrauschen und das Quantisierungsrausehen. Im ersten Fall handelt es sich um dasjenige Rauschen, das auftritt, wenn die F.ingangssignalamplitude den Nennwert für das maximale Codierer-Eingangssignal überschreitet. Im zweiten Fall handelt es sich um dasjenige Rauschen, da^ sich aus der Unterteilung der analogen Amplitudenabtastwerte ir diskrete Stufen zur digitalen Codierung ergibt Je mehr Stufen verwendet werden, um so kleiner ist jede >tufe und folglich um so kleiner der mittlere Fehler oder das Quantisierungsrauschen Andererseits erfordern mehr Quan-(isierungsstufen eine größere Zahl von Ziffern im Codewort und folglich eine größere Bandbreite Tür die Übertragung.

Fin Verfahren zur Erhöhung der Genauigkeit von Codierern ohne Erhöhung der Bandbreite besteht in der Verwendung des reflektierten Binärcode oder Gray-Code (vgl. USA-Patentschrift 2 632 058 vom 17. 3. 1¹J53)- Beim Zählen in diesem Code weichen zwei beliebige aufeinanderfolgende Codewürter nur In einer Ziffer ab. Folglich entspricht ein Auflösungsfehlcr bei irgendeiner Ziffer für das Codieren oder Decodieren einem Fehler in der letzten Ziffernstelle

line weitere Verbesserung des Signal-Rauschverhältnisscs für eine gegebene Bandbreite läßt sich dadurch erreichen, daß die relative Größe der Quantilierungsstufen durch eine »Kompansion« (Kompreslion + Expansion) verändert wird. Das Verfahren der kompansion ist auf dem Gebiet der elektrischen Signalübertragung bekannt Man hat Signale unier Verwendung quadratischer, logarithmischcr und hy-Firbolischcr Kennlinien kornpandiert Die optimale orm einer Kompansions-Kcnnlinic zur möglichst Weitgehenden Verringerung des Quantisicrungsrau-(bchens bei der Ubtriragung von pulscodemoduiicrten Signalen ist diejenige, die zu einem gleichmäßigen Auftreten alle/ möglichen Codewörter führt. Die opti-Inale Kompressionskennlinie eines Codierers hängt Ilaher von der Amplitudenverteilung der Aniloglignale ab.

Wenn viele Sprachsignale gleichzeitig über einen tinzigen Kanal im Frequenzvielfach übertragen wer ben, beispielsweise die Hauptgruppe 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-Quantisierungsrauschverhältnis theoretisch um 3,4 db verbessert werden kann. Eine entsprechende Verbesserung ohne Kompansion würde zusätzlich 0,6 Ziffern erfordern ίο Es besieht daher die Möglichkeit, einen achtziffrigen Code mit Kompansion an Stelle eines neunzifirigen Code ohne Kompansion zu verwenden, wodurch eint beträchtliche Bandbreiteneinsparung erzielt wird.

Es ist jedoch bisher noch kein brauchbares Verfuhren zur praktischen Anwendung einer Kompansions-Kennlinie auf einen Gray-Code aufgezeigt worden. Natürlich besteht die Möglichkeit, das Analogsignal getrennt von der Codier- und Decodieroperation 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 be stimmte Kurvenform praktisch nicht leicht verwirklichen, während diejenigen Kurven, die !eicht zu ver· wirklichen sind, zu einer unzureichenden Verbesserung führen. So bringt für Gauß-Signa!e eine praktisch anwendbare logaritnmische Kompansion nur eine Verbesserung von 1,6 db.

In den USA.-Patentschnften 3 016 528 (9. 1. 1962) und 3Oi5 8I5 (2. i. 1962) *ind Verfahren und Einrichtungen zur Kombination einer Kompression mit einer Codierung bei einem Binärcode zur Erzielung einer nichtlinearcn Codierung beschrieben. Es wird die Annäherung jeder gewünschten Kompiissions-Kennlinie durch eine Anzahl von aufeinanderfolgenden linearen Bereichen gelehrt. Die Vorteil«; der Codiergenauigkeit der Einfachheit linearer Systeme und der Möglichkeit zur Annähen..^: jeder Kompansion^kurve sind für solche stückweise linearen Systeme nicht zu bezweifeln. Die stufenweise Eizeugung 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 Aufg.i!>e gestellt, einen einfachen und genauen Gray-Codicrer mit eingebauter Kompression auf stückweise linearer Grundlage /u schaffen. Zur lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung von einem Codiergeräi der eingangs genannten

5j Art ims und ist dadurch gekennzeichnet, daß zur nichtlinearen Übersetzung des Analogsignals in einen reflektierten Binärcode wenigstens zwei aufeinanderfolgende Stufen der Vielzahl von Verstärkerstufen j; cmc Anzahl von alternativen Vcrstärkiingswerlen aufweisen.

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

In der Zeichnung zeigt

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

Fig. 2 das Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels Tür einen stufenweisen Codierer nach der Erfindung,

i 762 525

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

I·' i g. 4 cine Tubelle der verschiedenen Stufenversiiirkungen,

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,

Figo ein ins einzelne gehendes Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung,

F i g. 9 ein Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels 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 hinler der ersten Stufe vorgesehen sind. Die Zahl der \ irslärkupgswerte der /'-ten Stufe ist durch den Ausüiuck T ~^ljr I gegeben, und der jeweilige Wert dieser \ ,.1 stärkungswerte wird durch Umschalteinrichtungen hsMimmt, die auf die Ziffernausgangssignale jeder Stufe vor der /-ten Stufe und nach der erst.η Stufe ansprechen.

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

trtindiingsgemäß läßt sich die Kompansionskurve 11 durch einen Codierer annähern, der in Blockform in F i g. 2 gezeigt ist. Die Erfindung ist nicht notwendigerweise 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 Stufen verstärk ungswerte. Stufenweise Codierer werden, wie der Name sagt, aus einer Anzahl von in Reihe geschalteten Stufen aufgebaut, wobei für jede Ziffer eines Codewortes eine Stufe vorgesehen ist. Jede Stufe enthält einen zu einem Verstärker fiihrenden Am.logeingang, einen Analogausgang und einen Ziffernausgang. Alle Ziffern bilden bei sec]uentieiicr Eintnahmc das Codewort. Vom Verbindunpspunkt /wischen dem Analcgausgang 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 Einlrnpuls- 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 I_1n, der die zu codierende analoge Abtasispunnung darstellt wird zur Erzeugung eines analogen Ausgangsstroms 1, in einer Stufe um einen bestimmten Wert verstärkt. Vom 3trom /, wird ein Vorstrom /_B1 zur Erzeugung des Eingangjstroms J₀₁ der Stufe 2 abgezogen. Wenn i,„ größer ist als Null, ist die Ziffer α, eine Eins. Wenn i,„ kleiner als Null ist, ist die Ziffer o, eine Null. Entsprechend ist, wenn 1, - /_B1 größer ist uls Eins, die Ziffer «₂ eine Eins und so weiter fur dus ganze Codewort «,, a₂, «3. «4. · usw.

Für einen linearen Gray-Codierer ist die Verstärkungskennlinie jeder Stufe in Fig. 3 gezeigt. Unabs hängig 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 Vorslrom gleich dem Eingangsspitzen-

strom /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. I 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 ή 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 Zwo. beruht und jede Stufe eine Ziffer eines Codewortes erzeugt, führt jede richtig abgeänderte Stufe zu einem Knick jedes bestehenden linearen Kurvenabschnittes in dessen vertikalem Mittelp'inkt. 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. ! sind zur besseren Übersicht die Abschnitte 14 und 15 nur jeweils in einem Quadranten g'-zeigt. 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 de^r unterschiedlichen Verstärkungswerte für jede abgeänderte Stufe wird durch den Ausdruck 2\ ² + 1 angegeben, wobei 1 die Ordnungszahl der Stufe ist.

Mit anderen V/orten, die zweite Verstärkerstufe muß zwei alternative Verstärkungswerte, die dritte Stufe drei, die vierte Stufe fünf, die fünfte Stufe neun usw Verstärk'ingswerte 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 Fig I abweichen.

die optimale Annäherung der Kurve 11 mit nur zwei Verstärkungswerten in der Stufe 3 dar.

Der jeweilige Verstärkungswert, der in einer ge-. gebenen 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 Verstärkungsumschaltung 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 Versiärkungswerte der gleichen Stufe und des gleichen Ziffernzustandes an. Der für jede Stufe gewählte Verstärkungswert 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. Pührt ein negatives Eingangssignal der Stufe 5 zur Verstärkung Gs₀ und ein positives Eingangssignal zu Gj₁. 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 Gh₀ ^ur|d ein positives Eingangssignal zu G^₁. 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 Eingangssignalc gleich ist. bestimmt die erste Ziffer nicht die nachfolgenden Verstärkungswerte. Wie in Fig. 2 gezeigt, wird daher ein Verstärkungsschalter 21 durch den Ziffernausgang a₂ der Stufe 2 betätigt und ändert die Verstärkung der Stufen 3 und 4. Ein Verstärkungsschalter 31. der durch den Ziffernausgang o₃ 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 Kurvenknickpunkten 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 durchläßt, das Eingangssignal Z₀, der zweiten Stufe an einen Verstärker 44 an. dessen Verstärkung Gi₀ beträgt. Eine entgegengesetzt gepolte Diode 46 schaltet das Signal I₀I an einen Verstärker 47 mit der Verstärkung G₂₁ an. Die Ausgangssignale der Verstärker 44 und 47 sind zusammengeführt und bilden den Ausgangsstrom I₂ der Stufe 2. Zur Erzeugung des Eingangsstromes I₀₂ der Stufe 3 wird der Vorstrom /B₂ vom Strom i₂ abgezogen. Entsprechend schaltet in der Stufe 3 eine Diode 53, die negative Eingangsströme durchläßt, das Signal i₀₂ an einen Verstärker 54 mit einer Verstärkung Gj₀ an. Eine entgegengesetzt gepolte 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 G₃₁ beträgt, und in seiner Arbeitsstellung mit einem Verstärker 58, dessen Verstärkung G*, beträgt. Die Ausgangssignale der Verstärker 54, 57 und 58 sind zusammengeführt und bilden den Ausgangssirom I₃ der Stufe 3. Zur Erzeugung des Eingangssignals i₀₃ der Stufe 4 wird der Vorstrom /B₃ vom Signal I₃ abgezogen. Eine Diode 63, die negative Eingangsströme durchläßt, führt das Signal i₀₃ einem Schalter 23 zu, der in seiner Ruhestellung mit einem Verstärker 65 verbunden ist, dessen Verstärkung Gi₀ beträgt, und in seiner Arbeitsstellung mit einem Verstärker 64 verbunden ist. dessen Verstärkung Gl₀ beträgt. Eine entgegengesetzt gepolte Diode führt das Signal /₀, eitlem Schalter 32 zu. der in seiner Ruhestellung mit einem weiteren Schalter 24 und in seiner Arbeitsstellung mit einem Verstärker 69 verbunden ist. dessen Verstärkung Gl₁ 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 G^₁. Die Ausgangssignalc der'Verstärker 64. 65, 67, 68 und 69 sind zusammengeführt und erzeugen das Ausgangssignal Z₄ der Stufe 4. Wenn der Eingangsstrom i_0l 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 I₀₂ 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 I₃ der Stufe 4 durch die Verstärkung Gl_t und ein negatives Signal durch die Verstärkung Gj₀ 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 Kompansionskurve 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 Codierers mit Bezug auf die in den F i g. 3. 6 und 7 gezeigten Stufenkennlinien entwickelt werden. Die Ordinaten 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 /B, = G^l _uA = 2 A angegeben, wie sich au« F i g. 3 ergibt. Damit der Eingangsstrom Null i₂ = 2I₁

erzeugt, ergibt sich aus F i g. 6, daß
also

G₂₀ =

1 . Zur Vereinfachung seien die horizontale

Projektion der vier Abschnitte 14-14 in Fig. I vorr Ursprung aus gesehen gleich C. D, E und F. /B₁. alsc der Vorstrom, der den Ubergangspunkl für die dritte Ziffer bestimmt, wird dann

/B₂ = Gj, ■ DGL =

2DI

JL

Dies läßt sich auch wie folgt ausdrücken:

also

/B₂ = CJ₁-E-

⁰JjL

AE

'; π r λ

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

C - ^2l" -

³⁰ ~ IB ~

C-Gl₁-Gi_n

Schließlich ist

2/_p

^A
C

AE

(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 /B, gleich l_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 l_p: Gj₀ = 3.48: G^[ _so = 1,875

G!,, = 0.816
G²,, - 2.145.

IB₂ = 1.068 /„: G|, = 2.47: G\, = 0.816

für positive Signale R, und Tür negative Signale R₁ ist und der Widerstand, der jeden Verbindungspunkt eines Rückkopplungswidcrstandcs mit einer Diode an den Finding der folgenden Stufe anschaltet. R₁ ist. so ergibt sich:

Gj_n =

ίο und

R₂
R,

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

Gi₀ = 5?

Zur Berechnung dieser Werte ist angenommen worden, daß der Uberlastungsstrom 4.6mal größer als der Effektivwert des Stromes ist. Das genaue Verhältnis des Überlastungsstromes zim 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 Ausk geschäft 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 Tür negative Signale durch einen um jeden Verstärker herumführenden Rückkopplungsweg 72 bestimmt, der eine entsprechend g:epolite Diode 73 ϊη Reihe mit einem Widerstand 74 enthält. Die Verstärkung der Stufe für positive Signale wird durch tiner ähnlichen Rückkopplungsweg 82, bestimmt, der tine entgegengesetzt gepolte Diode 83 in Reihe mit einen Widerstand 84 aufweist. Das Ziffernausgangsiignal wird am Ausgang des Verstärkers und das analoge Ausgangssignal am Vcrbindurigspunkt der Diode mit dem Widerstand in jedem Rückkopplungsweg entnommen. Die positiven und die negativen Analog-Ausgangssignale beider Verstärker werden jeweils addiert ur.d beaufschlagen die nächste Stufe. Um die für die Stufe 2 eines nichilinearen Codierers erforderlichen unterschiedlichen Versüirkungswerte zu verwirklichen, muß man nur in bekannter Weise die Rückkopplungswiderstände entsprechend einstellen. <>5 Die Stufenverstärkung ist gleich dem Verhältnis des Rückkopplungswidcrstandes zum Vorwärtswiderstand. Wenn daher der Rückkopplungswiderstand Gl₁ = i'

R,

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 (I -x)R. Ein einzelner Schalter 222 verbindet den Verbindungspunkt zwischen den beiden Teilen eines Rückkopplungsweges mit dem des anderen über einen Widerstand 2R₅. Die Stufenverstärkungen sind numerisch gleich denen des Ausführungsbeispiels in Fig. 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 Schaltgeräte 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 \ sein klein ist. verursacht jede Schalter-Restspannung einer verhältnismäßig großen Fehlcrstrom. Wenn dageger χ zu dicht an Eins liegt, so wird der Wert von 2 R sehr kritisch bei der Einstellung der Verstärkung G^: _M Wenn R = 490 Ohm. R₁ = 600 Ohm und /,, = 3.33 m/> sind, die Schalterrestspannung 1.0 mV und die ToIe ranz von R₅ = ±0.01 betragen, so ist der optimali Wert Tür χ etwa 0.35.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Codicrjicrät zur Übersetzung eines nutzen blicklichen Abtastwertes eines Analogsignal i

109 687'24

"■ Π .c A

eine Gruppe von Binärziffem eines reflektierten Binärcode mit einer Vielzahl von in Reihe gcschalteten Verstärkerstufen, von denen jede ein analoges Eingangssignal aufnehmen und ein analoges Ausgangssignal sowie entweder ein erstes oder ein zweites Ziffernausgangssignal 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 nichtlinearen übersetzung des Analog- »ignals in einen reflektierten Binärcode wenigstens twei aufeinanderfolgende Stufen der Vielzahl von Verstärkerstufen je eine Anzahl von alternativen Verstärkungswerten aufweisen, die durch den Ausdruck 2' ² + I gegeben sind, wobei ; die Ordnungszahl der Stufe ist. und daß Schalteinrichtungen (21) vorgesehen sind, die auf die Ziffern-■usgangssignale jeder vor der /-ten und nach der ersten Stufe liegenden Stufe ansprechen und den »peziellen Wert der alternativen Verstärkungswerte bestimmen.

2 Codiergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Stufe (Stufe I) mit einem ersten Verstärkungswert für sowohl das erste als auch das zweite Ziffernausgangssignai arbeitet, daß die zweite Stufe (Stufe 2) mit einem zweiten Verstärkungswert für ein erstes Ziffern-. Hiisgangssignal und mit einem dritten V'erstärkun-gswert für ein zweites Ziffernausgangssignal arbeitet und daß die dritte Stufe (Stufe 3) mit einem vierten Verstärkungswert für ein erstes Ziffernausgangssignal,einem fünften Verstärkungswert für ein zweites Ziffernausgangssignal der dritten Stufe und ein erstes Ziffernausgangssignal der zweiten Stufe und mit einem sechsten Verstärkungswert für ein zweites Zifferriausgangssignal der dritten Stufe und ein zweites Ziffernausgangssignal der zweiten Stufe arbeitet.

3. Codiergerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine vierte Stufe (Stufe 4) mit einem siebten Verstärkungswert für ein erstes Ziffernausgangssignal der vierten Stufe und ein erstes Ziffernausgangssignal der zweiten Stufe arbeitet, mit einem achten Verstärkungswert für ein erstes Ziffernausgangssignal der vierten Stufe und ein zweites Ziffei'nausgangssignal der zweiten Stufe arbeitet, mit einem neunten Verstärkungswert für ein zweites Ziffernausgangssignal der vierten Stufe und ein erstes Ziffernausgangssignal der zweiten Stufe arbeitet, mit einem zehnten Verstärkungswert für ein zweites Ziffernausgangssignal der vierten Stufe, einem zweiten Ziffernausgangssignal der zweiten Stufe und einem ersten Ziffernausgangssignal der dritten Stufe arbeitet und mit einem elften Verstärkungswert für ein zweites Ziffernausgangssignal 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 Ziffernausgangssignal der zweiten Stufe anspricht und die Verstärkung der dritten Stu^re ändert.

5. Codiergerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungswerte je durch einen um den jeweiligen Verstärker herumführenden Rückkopplungsweg 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 (z. B. 22; F i g. 5) wahlweise einen bestimmten der Rückkopplungswege einschaltet

6 Codiergerät nach Anspruch 5. daduuh 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 Rückkopplungs>vege beider Verstärker (über R_s) einzeln an Erde legt.

7. Codiergerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Stufe (Stufe 3; Fi j>. 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 Rückkopplungsweg des einen Verstärkers (über 2R_S) mit dem des anderen verbindet.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

'» Π π Λ