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| Verfahren und Einrichtung zur Codierung von'pulsamplituden- |
| modulierten Signalen in Puls-Code-Modulationsanlagen |
| Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine |
| Einrichtung zur Codierung von puleamplitudenmodulierten |
| Signalen in Puls-Code-Modulationaanlagen, deren Dynamik- |
| bereich in Segmente unterteilt ist und die Codierungskenn- |
| linie eegmentweise linear verläuft. |
| Ein Cod#®rer für Puls-Code-Modulationsanlagen (PCM) muss
, |
| für die Codierung von Sprachsignalen; sowohl positive
wie |
| auch Kagative Amplituden der Sprechschwingungen verarbei- |
| ten können. Dazu sind zwei grundsätzliche Möglichkeiten |
| beka*ntgeworden |
| 9. Verschieben der Nullinie des puleamplitudenmodulierten |
| (PAM) Signals durch Addieren einer Gleichspannung zu den |
| Spraahochwingungen, wodurch das Sprachsignal unipoler wird.. |
2. Codieren von der Nullinie aus für beide Polaritäten unter Benützung
eines sogenannten
gefalteten Codes, der für
beide Polaritäten identische
Codeworte ergibt. Das Vor-
zeichen des PAM-Signals
wird in einem eigenen
Vorzeichen-
bit dem Codewort beigefügt.
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Für die Codierung selbst sind beispielsweise die Zählmethode und
die Gewichtavergleichsmethode bekanntgeworden. Bei der Zählmethode
wird die Amplitude des PAM-Signals digital mit
einem Zähler nachgebildet
und dann der digitale Wert in ein
gewähltes Codemuster überführt.
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Bei der Gewichtsvergleichsmethode wird das PAM-Signal
mit
diskret abgestuften Spannungen verglichen, die zueinander
addierbar
sind. Bei Gleichheit zwischen dem PAM-Signal und
den addierten
Spannungen steht das Codewort direkt an Schal-
tern für die Zuschaltung
der Spannungen.
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Durch die Erfindung soll ermöglicht werden, die Ansprüche
in
bezug auf Genauigkeitsanforderungen und auf Ein- und Aus-
schwingverhalten
zu verkleinern und die Zahl der Bauteile zu
verringern.
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Dies wird erreicht durch Unterteilung des Dynamikbereiehes
in Dynamikteilbereiche und Transformierung aller Dynamikteilbereiche
in einen bevorzugten Bereich für die analog-digital-Umsetzüng
und durch anschliessende Codierung aller pulsamplitudenmoduliertor
Signale in diesem bevorzugten Bereich.
Das PAM-Signal
wird mit einer oder mehreren mittleren Span-
nungen verglichen..
Damit wird festgestellt, ob das PAM-Signal grösser oder kleiner als die
durch die Spannungen fest-
gelegten Schwellen ist. Die Transformierung ist
eine einfache
Verstärkung. Der Verstärker ist daher das einzige Glied
in
einer Codierungsschaltungsanordnung, das kleine Amplituden
verarbeiten
muss; alle übrigen Elemente arbeiten mit ver-
stärkten PAM-Signalen.
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Die Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens ist dadurch ge- kennzeichnet,
dass zur Unterteilung des Dynamikbereiches in
Dynamikteilbereiche Amplitudendiskriminatoren
vorgesehen sind,
und dass durch die Amplitudendiskriminatoren
entsprechend der
Höhe des pulsamplitudenmodulierten Signals
Verstärker mit zur
Transformierung der Dynamikbereiche geeignetem.Verstärkungsgrad
angeschaltet werden, denen das zu verstärkende Signal
zugeleitet ist und
deren Ausgänge auf Coderungsschaltungsanordnungen geführt sind.
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Eine weitere Einsparung an Elementen wird erzielt, wenn alle Verstärker
gemeinsam auf eine Codierungsschaltungsanordnung geführt sind. ?.n
den meisten Fällen ist es möglich, in einem
Verstärker den Verstärkungsgrad
umzuschalten, um so nur einen
Verstärker zu benötigen..
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Oftmals ist es.vorteilhaft:, nur einen Verstärker zu verwenden,
der
immer mit gleichem Verstärkungsgrad arbeitet und enttiprechend
die PAM-Signale mittels Abschwächern, die einfache Spannungsteiler
sein können, zu verkleinern, so dass tiber den
gesamten
Verstärkungsweg gesehen, die gewünschte Verstärkung
des PAM-Signals
erhalten wird.
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An Hand der beiliegenden Zeichnung wird nachstehend die Erfin-
dung
näher erläutert. Dabei zeigt Fig. 1 eine Codierungskennlinse mit einfacher Unterteilung
des Dynamikbereiches. Fig. 2
ein Blockschema einer Codierungsschaltungsanordnung
nach d.er Gewichtsvergleichsmethode für eine Codierung nach der Kennli-
nie
in Fig. 1; Fig. 3 eine Codierungskennlinie mit zweifacher
Unterteilung
des Dynamikbereiches und Fig. 4 ein Blockschema einer Codierungsschaltungsanordnung
nach der Zählmethode für eine Codierung nach der Kennlinie@in Fig.
3.
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Die Codierungskenulinie in Fig. 1 zeigt die Stufenzahl SZ auf
der Ordinate in Funktion der Amplitudenstufen AS auf der Ab-
szisse
für die eine Polarität der Signale. Der halbe T;yä-laniikbereich mit einer Stufenzahl
SZ von 64 ist in 7 Segmentes L-G eingeteilt. Die Teilung des halben Dynamikbareiches
erfolgt bei der Stufenzahl 32, so dass zwei Dynamikteilbereiche
ent-
stehen. Der Dynamikteilbereich I umfasst die Segmente
A-G und
der Dynamikteilbereich II die Segmente D-G. Durch Multiplika-tion
mit 8 verläuft die Codierungskennlinie im Dynamikteilbereich
I gemäss der dick ausgezogenen Linie 0/0 - 32/512, wäh-
rend die
Kennlinie im Dynamikteilberaich II unverändert bleibt.
Diese ist durch
die dick ausgezogene Linie 32/64 - 64/1024 dar-
gestellt.
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Im Blockschema Fig. 2 sind die Signalwege
mit *ungezogenen
.und die Steuerungen für Schalter mit strichpunktierten
Liniendargestellt. An den Eingang PAM werden pulsamplitudenmodulierte Signale angelegt
und von dort einem Verstärker 1 zugeführt.: Dieser Verstärker weist eine durch einen
Schalter 3 schaltbare Gegenkopplung mit den Widerständen 2a und 2b auf. Vom Ausgang
des Verstärkers 1 werden die Signale über einen Abtastscha.lter 5 auf einen. Speicherkondensator
6 und weiter auf einen Amplitudendiskrminator 7 geführt: An einen zweiten Eingang
des Amplitudendiskriminators 7 werden die Vergleichsspannungen 8 für positive Polarität
und-- die Vergleichsspannungen 9 für negative Polarität angelegt. Die Wege für die
Vergleichsspannungen zu den Amplituden * 64 sind ausgezeichnet und mit Schaltern
10 bzw. 11 versehen. Die Wege der übrigen Vergleichsspannungen sind nur andeutungsweise
eingezeichnet, ebenso die Spannungsquellen mit den Schaltern 12a und 12b für d_i_a
&ua-Y#abt der Polariiät. Diese Schalter 12a und 12b sind durch eine Polaritätsumschaltung
12 gesteuert.
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Die Schalter 10 und 11 werden über eineODER-Schaltung 13 gesteuert,
mit der Steuerbefehle entweder aus einem Steuergerät 14 oder Steuerbefehle aus einer
Impulszentrale 15 geleitet werden. Am Ausgang des Steuergerätes 14 ist der Digitalausgang
17 für die Vergleichsspannung 6i+ angeschlossen. Der Schalter 3 fier die Gegenkopplung
des Verstärkers 1 ist durch ein Steuergerät 4 betätigt, das seinerseits aus der
Irnpulazentrale 15 geschaltet ist. Am Ausgang dieses Steuergeräten 4 ist
derDigitalausgang 18 für die Anzeige der Umschaltung der Kennlinie angeschlossen.
Vom
Ausgang des Amplitudendiskriminators 7 werden bei PAM-Signalen,
die im Vergleich zu den Vergleichsspannungen ± U
gleich gross oder
kleiner sind, Informationssignale auf den
Polaritätsumschalter 12,
das Steuergerät 14 für die Vergleichs-Spannung 64 und das Steuergerät
4 für den Schalter 3 geleitet.
Die Impulszentrale 15 wird am Eingang
16 mit Taktimpulsen ge-
speist. Als einzelne Schaltgruppen in dieser
Impulszentrale
15 sind ein Element 19 zur Erzeugung eines Schaltbefehls zur
Betätigung
des Schalters 5 und damit zur Einspeicherung des
PAM-Signals,
ein Element 20 für die Betätigung des Polari-
tätsumschalters 12,
ein Element 21 für die Einschaltung der
Entscheidungsschwelle ±
64, ein Element 22 zur Betätigung
des Steuergerätes 4 sowie
die Elemente zur Anschaltung der
Vergleichsspannungen ±U für die
Amplitudenwerte 512, 256,
128, 64, 32, ... eingezeichnat.
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Heim Anlegen eines PAM-Signals wird durch die
Impulszontralƒ 15 im ersten Takt der Schalter 5 geschlossen. Im zweiten
Takt
wird der Polaritätsumschalter 12, im dritten Takt die
Vorentscheidungsschwelle
± 64 und im vierten Takt das Steuer-
gerät für die Gegenkopplung eingeschaltet.
Das unveränderto PAM-Signal gelangt vorerst zum Amplitudendiskriminator
7, mit
dem der Entscheid "kleiner oder grösser" als 0 und "kloiner
oder grösser" als 64 gefällt wird. Je nachdem wird der Schal-
ter
12a und 12b und der Schalter 9 geschlossen.
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Hei Entscheid auf "kleiner" wird die Gegenkopplung
des Vor-
stärkere 1 mit dem Schalter 3 geschaltet und
damit die anlie-
gende Amplitude 8fach verstärkt. Der Gewichtsvergleich er-
folgt
damit im Segment A mit einer Amplitude zwischen 0 und
128 in 2 mal 8 Stufen,
im Segment B und im Segment C mit ei-
ner Afplitude zwischen
128 und 256 bzw. 256 und 512 mit 8
Stufen.
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Bei Entscheid auf "grösser" arbeitet der Verstärker 1 unver- ändert
mit dem ursprünglich gewählten Verstärkungsgrad, und
die Codierung
erfolgt in bokannter Art.
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Es hat sich gezeigt, dass bei einem 13-Segment-Code,
bei dem
7 Bita zur Uebertragung benötigt werden, die Schwelle für
die
grösste Reduktion bei einer PAN-Amplitude von 64 Amplituden-
schritten
liegt. Je nachdem, ob die PAM-Amplitude grösser oder
kleiner als die
genannte Schwelle ist, wird die PAM-Amplitude unverändert belassen oder
vorgängig der Codierung transfor-
miert. Das Verhältnis von grösstem
Gewicht zu kleinstem Ge-
wicht reduziert sich damit von 512:1 auf 64:1,
also um einen
Faktor B.
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Das Kennlinienbild
der Codierung in Fig.
3 setzt
wiedor
wie
in Fig.
1 die Stufenzahl SZ in Funktion
zur Amplitudenhöhe
AS.
Der halbe Dynamikbereich
ist in drei
Dfiamikteilbereiche
I,
II
und III eingeteilt.
Der erste Dynamikteilbereich
I umfasst
die Segmente A-C,
der ,zweite Dynamikteilbereieh
II
die
Segmente C-E und
der dritte Dynamikteilbereieh III
die Seg-
mente E-G.
Die Segmente
C und E werden von je zwei
Dynamik-
| teilbereichen erfasst. Damit können bei ungenaueren Amplitu- |
| dendiskriminatoren die sonst genau einzuhaltenden Uaurchalt- |
| schwellen vermieden und das Segment eindeutig einem Dynamik- |
| teilbereich zugeschrieben werden. So wird beispielsweise
bei |
| Ansprechen der Schwelle fUr den Dynamikteilbereich II im
Seg- |
| ment C das PAM-Signal gemäss der Vorschrift für diesen Teil- |
| bereich, bei Ansprechen der Schwelle für den Dynamikteilbe- |
| reich III im Segment E das PAM-Signal gemäss der Vorschrift |
| für den Teilbereich =behandelt. ßemäas Fig. 1 entstehen |
| hierbei drei Kennlinienabschnitte: Im Dynamikteilbereich
I |
| für den kleinsten Amplitudenbereich verläuft die Kennlinie |
| 0/0 - 256/16 - 512/24 - 1024/32, im
Dynamikteilbereich II |
| 128/24 - 256/32 - 512/4o - 1024/48 und im Dynamikteilbereich |
| III 128/4O - 256/48 - 512/56 -
1O24/64. Die ersten bzw. letz- |
| ten Streckenzüge der Kennlinien sind im Ueberlappungabereich |
| der Dynamikteilbereiche strichliert gezeichnet, da je nach |
| Ansprechen einer Schwelle im unteren oder oberen Teilbereich |
| gearbeitet wird. Demnach ist fUr den Dynamikteilbereich
I ei- |
| ne Verstärkung mit dem Faktor 16, für den Dynamikteilbereich |
| II eino mit dem Faktor 4 und für den Dynamikteilbereich
III |
| eine mit dem Faktor 1 vorgesehen. |
| Im Blockschema Fig. 4 sind wiederum die Signalleitungen
ausge- |
| zogen und die Steuerleitungen strichpunktierte Linien. Einem |
| Verstärker 1a als Impedanzwandler wird von einem Eingang
PAM |
| das pulnamplitudenmodulierte Signal zugeführt. Der Ausgang |
| diesen Verstärkers 1a ist auf vier Amplltudendiskriminatoren |
| 29, 2b, 2c und 2d sowie über eine Spannungeteilerschaltung |
mit den Widerständen 3a, 3b und 3c
auf einen zweiten
Verstär-
ker 1b geleitet. Heide Verstärker 1a und 1b sind gegenge-
koppelte
Verstärker. Die Amplitudendiskriminatoren
2a ...
2d
erhalten
an einem zweiten Eingang
eine Vergleichsspannung
an-
gelegt:
Der Amplitudendiskriminator
2a eine solche für eine
Amplitudenhöhe
von +45, der Amplitudendiskriminator
2b eine
solche für eine
Amplitudenhöhe
von -45, der Amplitudendlskriminator
2c eine solche für
eine Amplitudenhöhe
von +185 und
der Amplitudendiskriminator
2d eine solche für eine Amplitudenhöhe
von -185. Die Ansprechschwellen
der Amplitudendiskriminatoren
liegen damit im Segment C bzw. im Segment
E. Die
Ausgänge
von je
zwei Amplitudendiskriminatoren
2a und 2b bzw.
2c und 2d sind mit je einem ODER-Tor 15a
bzw. 15b
zusammenge-
schaltet und beaufschlagen
ein Steuergerät 4a bzw. 4b.
Die
Steuergeräte 4a und
4b steuern zwei Schalter S4a
bzw. S4b,
mit denen entweder der Spannungsteiler
mit den Widerständen
3a
und 3b
oder derjenige mit den Widerständen ,3a
und 3c
an-
schaltbar ist. Ferner sind die zwei Steuorgergte
4a und 4b
über
eine Signalleitung
mit einem Zähler 11 mit Codierlogik
verbunden.
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Vom Verstärker 1b führt der Signalpfad für das PAN-Signal
über
einen Schalter 5 auf einen Speicherkondensator 6 und weiter
auf einen Amplitudendiskriminator 7, der als Vorgleichespennung Massepotential
erhält. Dem Speicherkondensator 6 worden
gleichzeitig wie das vom
Verstärker 1b kommende PAN-Signal über Schalter 8a und 8b Entladungsströme
+I und -I aus Stromquellen 9a und 9b zugeführt.
Der
Ausgang des Amplitudendiskriminators 7 ist mit einem
weiteren Eingang
des Zählers 11 und mit einem Eingang ei-
nes Polaritätsentscheiders
10 verbunden. Die Ausgänge des
Zählers 11 und des Polaritätsentscheiders
10 sind auf Klem-
men 12 geführt, an denen das digitale Signal abnehmbar
ist.
Eine Impulszentrale 13 ist mit Taktimpulsen von einem Eingang
14
beaufschlagt und steuert die Steuergeräte 4a und 4b, den
Schalter 5, den
Zähler 11 und den Polaritätsentscheider 10.
Ein PAM-Signal
am Eingang PAM gelangt über den Verstärker 1a
mit Verstärkungsgrad
1 auf die Amplitudendiskriminatoren 2a -2d und zugleich über den Verstärker
ib an den offenen Schal-
ter 5; keiner, einer oder zwei der
Amplitudendiskriminatoren 2a - 2d sprechen an, je nachdem, ob die Amplitude
des PAM-Signals kleiner als ± 45, grösser als ±
45 oder grösser als
185 ist. Ueber den entsprechende
ODER-Tor 15a, 15b werden
die Schaltersteuerungen 4a, 4b betätigt und damit
die Schal-
ter S4a, S4b geschlossen. Hei kleinstem Signal (kleiner
als
45) bleiben beide Schalter S4a und S4b offen, bei mitt-
lerem
Signal (grösser als ± 45, aber kleiner als ± 185) wird
der Schalter S4a geschlossen und bei grösstem Signal (grös-
ser
als ±185) wird der Schalter S4b geschlossen. Damit sind
drei verschiedene
Spannungsteilerzustände schaltbar vor den
Verstärker 1b geschaltet, und
der Vorstärkar kann gleichblei-
bend auf den grössten
benötigten Verstärkungsfaktor einge-
stellt sein. In einem nächsten Takt
eus der Impulsaontrale 13
wird der Schalter 5 geschlossen, und der
Kondensator 6 wird
mit dem vom Verstärker 1b gelieferten PAM-Signal
geladen. Mit dem Amplitudendiskriminator 7 wird bei einem Takt der Impulszentrale
13 der Polaritätsentscheider 10 geschaltet, der seinerseits mit dem Signal
aus dem Amplitudendiskriminator 7 ein der Polarität entsprechendes Bit an den
Ausgang 12 abgibt und die Schalter 8a oder 8b schliesst, wodurch die entsprechende
Stromquelle +I oder -I an den Kondensator 6 angeschlossen wird. Gleichzeitig
mit dem Entladevorgang wird
mit dem Zähler 11 die Entladezeit
festgestellt und diese in
codierter Form an den Ausgang 12 gegeben.
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Es ist bekannt, dass bei einem derartigen Codierer an den
Verstärker 1b sehr hohe Anforderungen bezüglich der Gleich-
stromstabilität
zu stellen sind. Mit der vorgesehenen Ver-stärkung der PAM-Signale
sind alle Schaltungselemente nach
diesem Verstärker wesentlich unkritischer.
Durch das Verle-
gen der bnsprechschwellen daä Amplitudondiskriminatoren 2a
-2d in den Bereich der Segmente C und E überlappen sich di3 Dynamikbereiehe über
je ein Segment. Die Anforderungen an die Stabilität der Ansprechschwellen
können daher stark ver-
mindert werden, da bei Ansprechen einer Schwelle
unter- bzw.
oberhalb des vorgeschriebenen tiertes alle durch die Verschie-
bung
betroffenen Amplitudenwerte im nächsttiefaren Teilbe-
reich codiert
werden.