DE1762846B2 - Verfahren und Einrichtung zur Codierung von pulsamplitudenmodulierten Signalen in Puls-Code-Modulationsanlagen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Codierung von pulsamplitucienmodulierten Signalen in Puls-Code-Modulationsanlagen, deren Dynamikbereich segmentweise linear verläuft.

Ein Codierer für Puls-Code-Modulationsanlagen (PCM) muß für die Codierung von Sprachsignalen sowohl positive wie auch negative Amplituden der Sprachschwingungen verarbeiten können. Dazu sind zwei grundsätzliche Möglichkeiten bekanntgeworden:

1. Verschieben der Nullinie des pulsamplitudenmodulierten (PAM)Signals durch Addieren einer Gleichspannung zu den Sprachschwingungen, wodurch das Sprachsignal unipolar wird.

2. Codieren von der Nullinie aus für beide Polaritäten unter Benützung eines sogenannten gefalteten Codes, der für beide Polaritäten identische Codeworte ergibt. Das Vorzeichen des PAM-Signals wird in einem eigenen Vorzeichenbit dem Codewort beigefügt.
Für die Codierung selbst sind bespielsweise die Zählmethode und die Gewichtsvergleichsmethode 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.

Bei der Gewichtsvergleichsmethode wird das PAM-Signal mit diskret abgestuften Spannungen verglichen, die zueinander addierbar sind. Bei Gleichheit 2;wischen dem PAM-Signal und den addierten Spannungen fteht das Codewort direkt an Schaltern für die Zuschaltung der Spannungen.

Durch die Erfindung soll ermöglicht werden, die Ansprüche in bezug auf Genauigkeitsanforderungen und auf Ein- und Ausschwingverhalten zu verkleinern und die Zahl der Bauteile zu verringern.

J5 Dies wird dadurch erreicht, daß der gesamte zu verarbeitende Dynamikbereich in Dynamikteilbereiche unterteilt und die zu codierenden PAM-Signale in einer Vorentscheiderstufe auf ihre Zugehörigkeit zu einem dieser Dynamikteilbereiche untersucht werden, und daß die PAM-Signale lediglich eines einzigen dieser Dynamikteilbereiche codiert und die PAM-Signale des bzw. der übrigen Dynamikteilbereiche vorerst durch multiplikative Transformation in den für die Codierung vorgesehenen Dynamikteilbereich umgesetzt werden.

Das PAM-Signal wird mit einer oder mehreren mittleren Spannungen verglichen. Damit wird festgestellt, ob das PAM-Signal größer oder kleiner als die durch die Spannungen festgelegten Schwellen ist. Die

so 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 verstärkten PAM-Signalen.

Die Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterteilung des Dynamikbereiches in Dynamikteilbereiche eine Vorentscheiderstufe mit Amplitudendiskriminatoren vorgesehen ist, und daß durch die Amplitudendiskriminatoren entsprechend der Höhe des PAM-Signals Verstärker mit zur Transformierung des jeweiligen Dynamikbereiches geeignetem Verstärkungsgrad angeschaltet werden, denen das zu verstärkende PAM-Signal zugeleitet ist und deren Ausgänge auf Codierungsschaltungsanordnungen geführt sind.

Eine weitere Einsparung an Elementen wird dadurch erzielt, indem alle Verstärker auf eine gemeinsame, lediglich für einen Dynamikteilbereich bemes-

sene Codierungsschaltung&anordnung geführt sind, in den meisten Fällen ist es möglich, in einem Verstärker den Verstärkungsgrad umzuschalten, um so nur einen einzigen Verstärker zu benötigen.

Oftmals ist es auch vorteilhaft, nur einen einzigen mit konstantem Verstärkungsgrad arbeitenden Verstärker zu verwenden und die ΡΛΜ-Signale mittels entsprechender Abschwächer, die einfache Spannungsteiler sein können, zu verkleinern, so daß über den gesamten Verstärkuiagsweg gesehen, diü gewünschte Verstärkung des PAM-Signals erhalten wird.

An Hand der Zeichnung wird nachstehend die Erfindung näher erläutert. Dabei zeigt Fig. 1 eine Codierungskennlinie mit einfacher Unterteilung des Dynamikbereiches. F ig. 2 ein Blockschema einer Codierungsschaltungsanordnung nach der Gewichtsvergleichsmethode für eine Codierung nach der Kennlinie 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.

Die Codierungskennlinie in Fig. 1 zeigt die Stufenzahl SZ auf der Ordinate in Funktion der Amplitudenstufen AS auf der Abszisse für die eine Polarität der Signale. Der halbe Dynamikbereich mit einer Stufenzahl SZ von 64 ist in 7 Segmente A-G eingeteilt. Die Teilung des halben Dynamikbereiches erfolgt bei der Stufenzahl 32, so daß zwei Dynamikteilbereiche entstehen. Der Dynamikteilbereich I umfaßt die Segmente A-C und der Dynamikteilbereich II die Segmente D-G. Durch Multiplikation mit 8 verläuft die Codierungskennlinie im Dynamikteilbereich I gemäß der dick ausgezogenen Linie 0/0—32/512, während die Kennlinie im Dynamikteilbereich II unverändert bleibt. Diese ist durch die dick ausgezogene Linie 32/ 64-64/1024 dargestellt.

Im Blockschema Fig. 2 sind die Signalwege mit ausgezogenen und die Steuerungen für Schalter mit strichpunktierten Linien dargestellt. 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 Verstärker 1 werden die Signale über einen Abtastschalter 5 auf einen Speicherkondensator 6 und weiter auf einen Amplitudendiskriminator 7 geführt. An einen zweiten Eingang des Amplitudendiskriminators 7 werden die Vorgleichsspannungen 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 üorigen Vergleichsspannungen sind nur andeutungsweise eingezeichnet, ebenso die Spannungsquellen mit den Schaltern 12a und 12b für die Auswahl der Polarität. Diese Schalter 12a und 12 b sind durch eine Polaritätsumschaltung 12 gesteuert.

Die Schalter 10 und 11 werden über eine ODER-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 64 angeschlossen. Der Schalter 3 für die Gegenkopplung des Verstärkers 1 ist durch ein Steuergerät 4 betätigt, das seinerseits aus der Impulszentrale 15 geschaltet ist. Am Ausgang dieses Steuergerätes 4 ist der Digitalausgang 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 Vergleichsspannung 64 und das Steuergerät4 für den Schalters geieitet.

Die Impulszentrale 15 wird am Eingang 16 mit Taktimpulsen gespeist. Als einzelne Schaltgruppen in dieser Impulszentrale 15 sind ein Element 19 zur Erzeugung eines Schaltbefehls zur Betätigung des Schal-

ters 5 und damit zur Einspeicherung des PAM-Signals, ein Element 20 für die Betätigung des Polaritätumschalters 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 Amplitadenwerte 512, 256, 128, 64, 32, ... eingezeichnet.

Beim Anlegen eines PAM-Signals wird durch die Impulszentrale 15 im ersten Takt der Schalter 5 ge-

25· schlossen. Im zweiten Takt wird der Polaritätsumschalter 12, im dritten Takt die Vorentscheidungsschwelle ±64 und im vierten Takt das Steuergerät für die Gegenkopplung eingeschaltet. Das unveränderte PAM-Signal gelangt vorerst zum Amplitudendiskriminator 7, mit dem der Entscheid »kleiner oder größer« als 0 und »kleiner oder größer« als 64 gefällt wird. Je nachdem wird der Schalter 12 a und 126 und der Schalter 3 geschlossen.

Bei Entscheid auf »kleiner« wird die Gegenkopplung des Verstärkers 1 mit dem Schalter 3 geschaltet und damit die anliegende Amplitude 8fach verstärkt. Der Gewichtsvergleich erfolgt damit im Segment A mit einer Amplitude zwischen 0 und 128 in 2mal 8 Stufen. Im Segment B und im Segment C mit einer

Amplitude zwischen 128 bzw. 256 und 512 mit 8 Stufen.

Bei Entscheid auf »größer« arbeitet der Verstärker 1 unverändert mit dem ursprünglich gewählten Verstärkungsgrad, und die Codierung erfolgt in bekannter Art.

Es hat sich gezeigt, daß bei einem 13-Segment-Code, bei dem 7 Bits zur Übertragung benötigt werden, die Schwelle für die größte Reduktion bei einer PAM-Amplitude von 64 Amplitudenschritten 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 transformiert. Das Verhältnis von größtem Gewicht zu kleinstem Gewicht reduziert sich damit von 512 : 1 auf 64 : 1, also um einen Faktor 8.

Das Kennlinienbild der Codierung in Fig. 3 setzt wieder wie in Fig. 1 die Stufenzahl SZ in Funktion zur Amplitudenhöhe AS. Der halbe Dynamikbereich ist in drei Dynamikteilbereiche I, Il und IH eingeteilt.

Der erste Dynamikteilbereich I umfaßt die Segmente A-C, der zweite Dynamikteilbereich II die Segmente C-E und der dritte Dynamikteilbereich III die Segmente E-G. Die Segmente C und E werden von je zwei Dynamikteilbereichen erfaßt. Damit können bei ungenaueren Amplitudendiskriminatoren die sonst genau einzuhaltenden Umschaltschwellen vermieden und das Segment eindeutig einem Dynamikteilbereich zugeschrieben werden. So wird beispielsweise bei An-

sprechen der Schwelle für den Dynamikteilbereich II im Segment C das PAM-Signal gemäß der Vorschrift für diesen Teilbereich, bei Ansprechen der Schwelle für den Dynamikteilbereich HI im Segment E das PAM-Signal gemäß der Vorschrift für den Teilbereich III behandelt. Gemäß 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 - 512/40 1024/48 und im Dynamikteilbereich III 128/40 256/48 - 512/56 - 1024/64. Die ersten bzw. letzten Streckenzüge der Kennlinien sind im Überlappungsbereich der Dynamikteilbereiche strichliert gezeichnet, da je nach Ansprechen einer Schwelle im unteren oder oberen Teilbereich gearbeitet wird. Demnach ist für den Dynamikteilbereich I eine Verstärkung mit dem Faktor 16, für den Dynamikteilbereich II eine mit dem Faktor 4 und für den Dynamikteilbereich IH eine mit dem Faktor 1 vorgesehen.

Im Blockschema Fig. 4 sind wiederum die Signalleitungen ausgezogen und die Steuerleitungen strichpunktierte Linien. Einem Verstärker la als Impedanzwandler wird von einem Eingang PAM das pulsampiitudenmodulierte Signal zugeführt. Der Ausgang dieses Verstärkers la ist auf vier Amplitudendiskriminatoren 2a, 2b, 2c und 2c/ sowie über eine Spannungsteilerschaltung mit den Widerständen 3a, 3£> und 3c auf einem zweiten Verstärker Ib geleitet. Beide Verstärker la und Ib sind gegengekoppelte Verstärker.Die Amplitudendiskriminatoren2a ...la erhalten an einem zweiten Eingang eine Vergleichsspannung angelegt: der Amplitudendiskriminator 2a eine solche für eine Amplitudenhöhe von +45, der Amplitudendiskriminator 2b eine solche für eine Amplitudenhöhe vom —45, der Amplitudendiskriminator 2 c 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 zusammengeschaltet und beaufschlagen ein Steuergerät Aa bzw. 4b. Die Steuergeräte Aa und Ab steuern zwei Schalter 54a bzw. SAb, mit denen entweder der Spannungsteiler mit den Widerständen 3a und 3i> oder derjenige mit den Widerständen 3« und 3c anschaltbar ist. Ferner sind die zwei Steuergeräte 4a und Ab über eine Signalleitung mit einem Zähler 11 mit Codierlogik verbunden.

Vom Verstärker Ib führt der Signalpfad für das PAM-Signal über einen Schalter 5 auf einen Speicherkondensator 6 und weiter auf einen Amplitudendiskriminator 7, der als Vergleichsspannung Massepotential erhält. Dem Speicherkondensator 6 werden gleichzeitig wie das vom Verstärker Ib kommende PAM-Signal über Schalter 8a und 8fc kommende PAM-Signal über Schalter 8a und 8fc Entladungsströme +1 und -1 aus Stromquellen 9a und 9b zugeführt.

Der Ausgang des Amplitudendiskriminators 7 ist mit einem weiteren Eingang des Zählers 11 und mit einem Eingang eines Polaritätsentscheiders 10 verbunden. Die Ausgänge des Zählers 11 und des Polaritätsentscheiders 10 sind auf Klemmen 12 geführt, an denen das digitale Signal abnehmbar ist.

Eine Impulszentrale 13 ist mit Taktimpulsen von

ίο einem Eingang 14 beaufschlagt und steuert die Steuergeräte 4a und Ab, den Schalter 5, den Zähler 11 und den Polaritätsentscheider 10.

Ein PAM-Signal am Eingang Pam gelangt über den Verstärker la mit Verstärkungsgrad 1 auf die Amplitudendiskriminatoren 2a—2d und zugleich über den Verstärker 1 b an den offenen Schalter 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. Über das entsprechende ODER-Tor 15a, 15b werden die Schaltersteuerungen 4a, Ab betätigt und damit die Schalter 54a, 54fc geschlossen. Bei kleinstem Signal (kleiner als ±45) bleiben beide Schalter 54a und 54έ> offen, bei mittlerem Signal (größer als ±45, aber kleiner als ±185) wird der Schalter 54a geschlossen und bei größtem Signal (größer als ±185) wird der Schalter 54b geschlossen. Damit sind drei verschiedene Spannungsteilerzustände schaltbar vor den Verstärker lfc geschaltet, und der Verstärker kann gleichbleibend auf den größten benötigten Verstärkungsfaktor eingestellt sein. In einem nächsten Takt aus der Impulszentrale 13 wird der Schalter 5 geschlossen, und der Kondensator 6 wird mit dem vom Verstärker Ib 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 8 a oder 8fc schließt, wodurch die entsprechende Stromquelle +1 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 Ausgangl2gegeben.

Es ist bekannt, daß bei einem derartigen Codierer an den Verstärker Ib sehr hohe Anforderungen bezüglich der Gleichstromstabilität zu stellen sind. Mit der vorgesehenen Verstärkung der P AM-Signale sind alle Schaltungselemente nach diesem Verstärker wesentlich unkritischer. Durch das Verlegen der Ansprechschwellen der Amplitudendiskriminatoren 2a-2d in den Bereich der Segmente C und E überlappen sich die Dynamikbereiche über je ein Segment. Die Anforderungen an die Stabilität der Ansprech-

schwellen können daher stark vermindert werden, da bei Ansprechen einer Schwelle unter- bzw. oberhalb des vorgeschriebenen Wertes alle durch die Verschiebung betroffenen Amplitudenwerte im nächsttieferen Teilbereich codiert werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Codierung von pulsamplitudenmodulierten Signalen in Puls-Code-Modulationsanlagen, deren Dynamikbereich in Segmente unterteilt ist und deren Codierungskennlinie segmentweise linear verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte zu verarbeitende Dynamikbereich in Dynamikmittelbereiche unterteilt und die zu codierenden PAM-Signale in einer Vorentscheiderstufe auf ihre Zugehörigkeit zu einem dieser Dynamikteilbereiche untersucht werden, und daß die PAM-Signale lediglich eines einzigen dieser Dynamikteilbereiche codiert und die PAM-Signale des bzw. der übrigen Dynamikteilbereiche durch multiplikative Transformation in den für die Codierung vorgesehenen Dynamikteilbereich umgesetzt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Dynamikteilbereich eine ganze Anzahl von Segmenten umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich je zwei einander anschließende Dynamikteilbereiche wenigstens teilweise überlappen.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Transformierung der Dynamikteilbereiche durch Verstärkung der pulsamplitudenmodulierten Signale erfolgt.

5. Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterteilung des Dynamikbereiches in Dynamikteilbereiche eine Vorentscheiderstufe mit Amplitudendiskriminatoren (7) vorgesehen ist und daß durch die Amplitudendiskriminatoren entsprechend der Höhe des PAM-Signals Verstärker (1) mit zur Transformierung angeschaltet werden, denen das zu verstärkende PAM-Signal zugeleitet ist und deren Ausgänge auf Codierungsschaltungsanordnungen (6 bis 14) geführt sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Codierung der PAM-Signale aller Dynamikteilbereiche lediglich eine für einen einzigen Dynamikteilbereich bemessene Codierungsschaltungsanordnung vorgesehen ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verstärker mit einstellbarem Verstärkungsgrad vorgesehen ist und daß die Amplitudendiskriminatoren den Verstärkungsgrad umschalten.

8. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verstärker mit konstantem Verstärkungsgrad vorgesehen ist, und daß durch Amplitudendiskriminatoren anschaltbare Abschwächer vorgesehen sind.

9. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitudendiskriminatoren zur Unterteilung des Dynamikbereiches in Dynamikteilbereiche ebenfalls als Amplitudenvergleichsmittel in den Codierungsschaltungsanordnungen verwendet sind.