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Verfahren und Anordnung zur Übertragung eines analogen Signals Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Übertragung eines analogen Signals,
vorzugsweise des Signals eines Einzelkanals, und Anordnungen hierfür.
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Die für die Übertragung elektrischer Signale erforderlichen Verstärkungseinrichtungen
können bei gegebener Dimensionierung und gegebener Übersteuerungsoicherheit eine
umso höhere mittlere Signalleistung abgeben, je besser die Signalamplituden einer
Gaußochen Normalverteilung angenähert sind. Ferner ergibt sich aua der Informationstheorie,
daß
die maximale Information dann übertragbar ist, wenn die Wahrscheinlichkeitsverteilung
der Amplituden des Signals dem weißen Rauschen entspricht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für ein zu Übertragendes
analoges Signal, insbesondere ein Einzelkanaleignal, einen einfachen Lösungsweg
für seine Annäherung an eine solche Normalverteilung mit-dem Ziel anzugeben, die
Übertragungsstrecke hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit wesentlich zu verbessern:
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das Signal sendeseitig
mehrere Male, allgemein n-mal - n eine ganze Zahl - mit sich selbst in gegenseitig
unterschiedlicher Zeitlage addiert wird und hierbei der Mindestzeitabstand zwischen
zwei der n Summanden so groß gewählt wird, daß die sich jeweils gerade addierenden
Amplitudenwerte verschiedener Summanden wenigstens nahezu unabhängig vgneinander,
d.h. nicht korreliert sind und daß das so geformte Signal zur Empfangsseite hin
übertragen und dort in seine ursprüngliche sendeseitige Gestalt rückumgewandelt
wird.
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Die Amplitudenwerte eines Einzelkanalsignals haben eine bestimmte
Urahrscheinlichkeitsverteilung, die z. B. bei Sprache erheblich von einer Gaußsehen
Normalverteilung (Rauschen) abweicht. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde,
daß sich eine solche Normalverteilung durch vielfache Addition des Signals mit sich
selbst in gegenseitig
unterschiedlicher Zeitlage beliebig gut annähern
läßt, sofern nur durch entsprechend groß ge@:iählten gegenseitigen zeitlichen Abstand
der einzelnen Summanden dafür gesorgt wird, daß die jeweils gerade zusammen addierten
Amplitudenrrerte der verschiedenen Summanden praktisch nicht mehr korreliert sind.
Die Wahrscheinlichkeitsverteilung der Summenamplituden eines in dieser Weise mit
sich selbst addierten Signals läßt sich durch Faltung der Einzelverteilungen gewinnen.
Bekanntlich kann jede Verteilung durch Faltung mit sich selbst an eine Normalverteilung
beliebig angenähert werden, wenn dieser Prozess - Addition bzw. Faltung - oft genug
gemacht wird.
Die Forderung, daß die einzelnen miteinander zu addierenden
Amplitudernwerte nicht korreliert sein dürfen, soll durch die Addition die gewünschte
Normalverteilung angenähert vrerden, kann, wie bereits zum Ausdruck gebracht
worden ist, durch einen ausreichend größen Mindestzeitabstand zwischen zwei beliebigen
Summanden erfüllt vrerden. Zweckmäßig wird der zeitliche Abstand zwischen zwei der
n Summanden wenigstens gleich dem reziproken--7ert aus der zweifachen Handbreite
des Signals gewählt, da bei diesem Abstand die Korrelation nahezu auf den Wert Null
abgesunken ist.
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Für manche Anwendungsfälle bringt es schaltungstechnische Vorteile
mit sich, wenn das analoge Signal sendeseitig vor seiner n-maligen Addition mit
sich selbst, unter Wahrung des Abtasttheorems, in ein pulsarnplitudenmoduliertes
Signal umgesetzt wird. In diesem Falle empfiehlt
es sich, die Addition
so vorzunehmen, daß der zeitliche Abstand zwischen zwei der miteinander zu addierenden
n Summanden eine Abtastperiode oder ein ganzes Vielfaches davon beträgt.
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tei einer ersten bevorzugten Anordnung mit einem sendeseitigen und
einem empfangsseitigen Signalwandler zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
weist der sendeseitige Signalvrandler eine Kette von n - 1, vorzugsweise gleichen
Verzögerungsgliedern auf. Die Ausgänge der Verzögerungsglieder stehen mit den zweiten
Eingängen von n - 1 Summiergliedern in Verbindung, die ihrerseits hinsichtlich ihrer
ersten Eingänge und ihrer Ausgänge in Kette geschaltet sind. Hierbei bilden die
einander parallelgeschalteten Eingänge des ersten Verzögerungsgliedes und des ersten
Einganges des ersten Summiergliedes in Übertragungsrichtung den Signaleingang des
Signalwandlers, während sein Signalausgang der Ausgang des letzten Summiergliedes
ist.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel für einen sendeseitigen
Signalwandler sieht ein Summierglied mit n Eingängen und n Parallelzweige vor, die
ausgangsseitig mit den n Eingängen des Summiergliedes in Verbindung steiien und
eingangsseitig zum Signaleingang des Signalwandlers einander parallelgeschaltet;
sind. Wenigstens n - 1 von den n Parallelzweigen weisen Verzögerungsglieder aiii',
deren Verzögerungszeit sich gegenseitig um tanze Vielfache einer vorgegebenen Zeiteinheit
voneinander unterscheia den.
| Den geschilderten sendeseitigen Signalwandlern wird |
| zweckmäßig auf der Empfangsseite ein empfangsseitiger |
| Signal<vandler zugeordnet, der aus einer Kettenschaltung |
| von n - 1, vorzugsweise gleichen Vierpolen besteht, die |
| jeweils wiederum eine Kettenschaltung aus einem Subtra- |
| hierglied mit einem Verzögerungsglied darstellen und |
| hierbei das Subtrahierglied mit seinem nicht invertier- |
| ten ersten Eingang den Vierpoleingang abgibt und mit |
| seinem Ausgang mit dem Eingang des zugehörigen Verzö- |
| gerungsgliedes zusammengeschaltet ist. Außerdem sind dein |
| Ausgang des letzten Vierpols in Übertragungsrichtung, |
| der den Signalausgang des Signalwandlers bildet, die |
| invertierten zweiten Eingänge der Subtrahierglieder |
| parallel angeschaltet. |
| Jird davon Gebrauch gemacht, dem sendeseitigen Signal- |
| wandler eingangsseitig das umzuformende Signal in puls- |
| amplitudenmodulierter Form zuzuführen, so empfiehlt es |
| sich, die Verzögerungsglieder als einzelne Stufen eines |
| Analogwert-Schieberegisters auszubilden. |
| An Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungs- |
| beispielen soll die Erfindung im folgenden noch näher |
| erläutert crerden. In der Zeichnung bedeuten |
| Fig. 1 einen ersten sendeseitigen Signalwandler Nach |
| der Erfindung, |
| Fig. 2 der Erläuterung der Funktion desi@;nal@ranc@lers |
| nach Fig. 1 dienende Zeitdiagramme, |
| Fig. 3 ein empfangsseitiger Signerlwandler nct-I: der |
| Lxfindung, |
| l'i£;* 4 ein rrelteree @us;führung:@be i;@@@ic@l für |
| :jei.tigertigt@alrrrrndl_er wich Gier ü:i ir@ltcr.f. |
Der sendeseitige Signalwandler nach Fig. 1 ist .für eine siebenfache
Addition des mit sich selbst zu addierenden vom Sender S gelieferten Eingangssignals
Se ausgelegt. Er besteht im wesentlichen aus sechs in Reihe geschalteten Verzögerungsgliedern
T1 bis T6, die alle gleich aufgebaut sind und die Laufzeit V haben. Die Ausgänge>
der Verzögerungsglieder T1 bis T6 sind jeweils mit den zweiten Eingängen eines Summiergliedes
A1 bis A6 verbunden, und zwar der Ausgang des Verzögerungsgliedes T1 mit dem ersten
Eingang des Suminiergliedes A1 usw. Die Summierglieder A1 bis A6 sind über ihre
Ausgänge und ihre.
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zweiten Eingänge ebenfalls miteinander in Kette geschaltet. Der Signaleingang
für den auf diese Weise gestalteten Signalwandler bildet die Parallelschaltung des
Eingangs des ersten Verzögerungsgliedes T1 mit dem ersten Eingang des Summiergliedes
A1, während der Ausgang vom Ausgang den letzten Summiergliedes A6 gebildet ist.
Das Eingangssignal Se wird beim Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1 dem eigentlichen
Eingang des Signalwandlers über einen Abtastschalter Ab zugeführt, der es im Rhythmus
seiner zweifachen oberen Grenzfrequenz abtastet.
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Die Verzögerungszeit T der Verzögerungsglieder T1 bis T6 ist gleich
der Periode der Abtastfrequenz gewählt. Das Summensignal Sa wird zunächst vom Ausgang
des letzten Summiergliedes A6 dem Eingang. des Sendeverstärkers SV zugeführt, über
den es sodann an die zu übertragende Leitung abgegeben wird.
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Der Ausgang des Senders S sowie der Ein- und Ausgang@,des eigentlichen
Signalwandlers sind mit den Buchstaben a, b
bzvr. c bezeichnet.
Diese Buchstaben finden sich an den drei Zeitdiagrammen nach Fig. 2 wieder und bezeichnen
hier die Spannungsverläufe, die im Zuge einer Signalum-. Wandlung an den betreffenden
Punkten bei der Anordnung nach Fig. 1 auftreten. Das Eingangssignal Se@des Diagramms
a soll zum besseren Überblick eine begrenzte zeitliche Funktion darstellen, die
im Rhythmus einer Abtastperiode T. abgetastet und anschließend dem Eingang des eigentlichen
Signalwandlers zugeführt wird. Die im Diagramm b nach Fig. 2 dargestellten Abtastproben
sind mit mit Vorzeichen behafteten Zahlen versehen, die ihre jeweilige Wertigkeit
angeben. Danach haben die im Ab-
stand 7 aufeinanderfolgenden Abtastproben
die Werte 0, -2, +4, -4, +3, -1 und 0.
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Wie Fig. 1 erkennen läßt, sind im Bereich der Verbindungen der Verzögerungsglieder
T1 bis T6 mit den Summiergliedern A1 bis A6 sowie die im Bereich des Eingangs des
Sendeverstärkers SV Zahlenspalten angegeben, die gemeinsam eine Amplitudenmatrix
darstellen. In der Amplitudenmatrix ist auf der linken Seite zusätzlich ein Zeitmaßstab
in der Zeiteinheit -C angegeben. Die erste Zahlenspalte in Höhe des Eingangs des
eigentlichen Signalwandlers gibt vin oben nach unten an, in welchem Zeitabschnitt
der T-Skala die aufeinanderfolgenden Abtastproben des Eingangssignals Se hier anstehen.
Entsprechend Diagramm b nach Fig. 2 wird also hier im Zeitpunkt 0 der Amplitudernwert
0, im Zeitpunkt V der Amplitudenvrert -2, im Zeitpunkt 22' der Amplitudenwert +4
usvr. wirks arn. Entsprechende Angaben machen die Zatilen-
| spalten für die Ute der Schaltung, denen sie zugeord- |
| net sind. Vie die Amplituden*atrix erkennen lt, werden |
| die Abtastproben mit den Werten 0, -2, +4, --4:,. +3, -1 und
fl |
| am Eingang des Signalwandlers aufm der Addition .n |
| den Summiergliedern A1 bis A6*am Ausgang des Summiergli.e- |
| des A6 in die das Summensignal darstellende Ampltuden- |
| wertfolge 0, -2, +2, +1, 0, 0, ß, +2, -2, +2, -? und 0 |
| umgeformt. Dieses Ergebnis ist im Diagramm e nach Pig. 2 |
| dargestellt, wobei das dieser Pulsfolge erstsprechende |
| analoge Signal in das Diagramm in unterbrochener Linie |
| mit eingezeichnet ist. Wie ein Vergleich der Diagramme a |
| mit c zeigt, ist durch die Schaltung nach Pig. 1 das Ein- |
| gangseignal Se zeitlich gedehnt und in seiner Amplitude |
| im Sinne einer Annäherung der Am2litudenverteilg an |
| eine Normalvertellung reduziert worden. Entsprechend |
| der siebenfachen Addition entspricht die seitliche Delr- |
| nung dem Siebenfachen eines Enzelimgulses. Bei: gleich- |
| bleibender Signalenergie beträgt der edtionsfaktor |
| für die Amplitude,-n7. |
| Auf der Empfangsseite mU, soll daa uprtingliche Signal. |
| wieder erhalten werdet, der epfgpueitiga 3-ilwanl |
| das ankommende Summensignnl zeitlich kcpnteren und |
| die ursprüngliche Amplitude wieder herstelle. Dies« |
| Funktion leistet die S1tg nach Tigx 3. s aa- |
| de Summensignal Sa wird zunächst in einem Eingaver- |
| stärker EV verstärkt und &nschleßend dem eigentlichen- |
| empfangsseitigen Signalwandler zugeführt. Er besteht |
| seinerseits aus der Kettenachalttng von elweise |
| einet Subtrahierglied 31 bis 36 mit einem Yezör=gs- |
glied T1' bis T6', derart, daß die Eingänge der Verzögerungsglieder
T1' bis T6' mit den Ausgängen der Subtrahierglieder S1 bis S6 und ihre.. Ausgänge
mit den nicht invertierten Eingängen der Subtrahierglieder verbunden sind. Der Ausgang
des letzten Verzögerungsgliedes T6', der den Ausgang des empfangsseitigen Signalwandlers
bildet, ist den invertierten Eingängen sämtlicher Subtrahierglieder S1 bis S6 parallel
angeschaltet. Die Verzögerungsglieder T1' bis T6' sind wiederum gleich aufgebaut
und haben, wie die Verzögerungsglieder T1 bis T6 des sendeseitigen Signalwandlers,
die gleiche Verzögerungszeit C. Eine der Fig. 3 beigegebene Amplitudenmatrix, die
der in Fig. 1 entspricht und wiederum an der linken Seite mit einem in der Zeiteinheit
t, angegebenen Zeitmaßstab versehen ist, verdeutlicht den vom epmfangsseitigen Signalwandler
durchzuführenden, hinsichtlich des sendeseitigen Signalwandlers inversen Prozess.
Das am Ausgang nach Fig. 3 auftretende Signal Sef hat wie erwünscht die in der Zeit
komprimierte und in der Amplitude wiederhergestellte Amplitudenvrertfolge 0, -2,
+4, -4., +3, -1 und 0.
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die Fig. 3 erkennen läßt, ist in dem gemeinsamen Verbindungsweg vom
Ausgang des letzten Verzögerungsgliedes T6' zu den invertierten Eingängen sämtlicher
Subtrahierglieder S1 bis S6 in unterbrochener Linie; ein Dämpfungsglied D eingefügt.
Ein solches Dämpfungsglied ist dann erforderlich, wenn damit gerechnet werden muß,
daß sich Jem übertragenen Summensignal auf der Strecke einzelne Störimpulse überlagern.
Wie sich leicht zeigen läßt, führt ein solcher einzelner )' Löi-impuls. bei ungedämpfter
Rückführung
vom Ausgang des letzten Verzögerungsgliedes T6' auf
die invertierten Eingänge den Subtrahiergliedes@zu einem periodischen Ausgangssignal
in Porm bipolarer Impulse mit einem Tastverhältnis von Impulsdauer zu Impulspause
von 2 : ? beim Ausführungsbeispiel nach Pig. 3 und allgemein bei n sendeseitigen
Additionen von 2 : n. Durch das Iiämpfungsglied D wird eine solche perdiodische
Störung zum Abklingen gebracht und damit beseitigt. Die Dämpfung des Dämpfungsgliedes
D kann frequenzselektiv ausgeführt trerden, da, wie einschlägige Untersuchungen
ergeben haben, die Grundwellenanteile einer solchen periodischen Störfunktion, bei
richter Wahl der Verzögerungszeit c im Sinne des Gebotos der Addition bzw. Subtraktion
von voneinander unabhängigen Amplitudenwerten, oberhalb der. höchsten Prequenz des
Frequenzbereichs des zu übertragenden Signales auftreten.
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Hei dem in Pig. 4 dargestellten weiteren Ausführungsbeispiel für einen
sendeseitigen Signalwandler wird anstelle mehrerer Summierglieder eineinziges Summierglied
Su mit einer entsprechenden Zahl von Eingängen, im vorliegenden Palle wiederum sieben,
vorgesehen, denen das Eingangssignal,Se um ganze Vielfache der Zeit V verzögert
zugeführt wird. Hierzu sind sieben Parallelzweige mit unterschiedlicher Verzögerung
vorgesehen, die ausgangsseitig mit den sieben Eingängen des Summiergliedes Su verbunden
und eingangsseitig zum Summeneingang für das Eingangssignal Se einander parallelgeschaltet
sind. Wie Fig. 4 erkennen läßt, unterscheiden sich die einzelnen Parallelzweige
von oben nach unten durch Verzögerungsglieder
T1" bis T6" mit zunehmender
Verzögerungszeit 0,C , 2t, 3C ...6'f. Das Summensignal Sa am Ausgang des
Summengliedes Su entspricht dem am Ausgang des letzten Summiergliedes A6 nach Fig.
1.
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Die Ausführungsform für einen sendeseitigen Signalwandler nach Fig.
4 empfiehlt sich vor allem, wenn die Addition des Eingangssignals Se mit sich selbst
in analoger Form durchgeführt werden soll. Hei Addition in pulsamplitudenmodulierter
Form ist die Ausführungsform nach Fig. 1 günstiger, weil diese es ermöglicht, die
Kettenschaltung der Verzögerungsglieder als Stufen eines Schieberegisters auszubilden,
dessen Taktfrequenz mit der Abtastfrequenz des Abtasters Ab zweckmäßig synchronisiert
ist. Insbesondere bringt eine solche Ausführungsform bei hohen Arbeitsgeschwindigkeiten
wesentliche Vorteile.