DE1949343A1

DE1949343A1 - Bandbreiten-Reduktionssystem

Info

Publication number: DE1949343A1
Application number: DE19691949343
Authority: DE
Inventors: Smith John W
Original assignee: GRAPHIC TRANSMISSION SYSTEMS I
Current assignee: GRAPHIC TRANSMISSION SYSTEMS I
Priority date: 1968-10-07
Filing date: 1969-09-30
Publication date: 1970-04-16
Also published as: US3495032A; DE1949343C3; FR2020032A1; GB1251563A; DE1949343B2

Description

Bandbreiten-Reduktionssystem

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bandbreiten-Reduktionssystem für die Übertragung der Information eines Analogsignals über einen Übertragungskanal begrenzter Bandbreite.

Als Analogsignal kann hierbei jede Art eines unveränderten Paksimilesignal dienen. Ohne eine Reduktion der Bandbreite sind etwa 6 Minuten erforderlich, um ein Faksimilesignal für eine Briefseite von Standardabmessungen über einen üblichen Telephonkreis zu übertragen. Wenn jedoch eine Bandbreiten-Reduktion angewandt wird, erniedrigt sich die Übertragungezeit bis auf 3 Minuten. Bisher wurden Bandbreiten-Reduktionssysteme verwendet, bei denen Analogsignale in Binärsignale umgewandelt werden, die anschliessend wiederum in Mehrfachpegel-Signale konvertiert werden. Diese Signale wurden zur Modulation eines Trägers für die

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Übertragung über Telephonkreise benutzt.

In vielen der vorbekannten Bandbreiten-Reduktionssysteme werden Taktzeitgeber zur Erzeugung binärer Signale mit äquidistanten Impulsen verwendet. Derartige Systeme bedingen in nachteiliger Weise einen Verlust von Auflösung und/oder Übertragungsgeschwindigkeit für eine gegebene Bandbreite von bis zu 30 ie. Bine eingehende Diskussion der mit der Bandbreiten-Reduktion bei Faksimilesignalen auftretenden Probleme ist in dem Aufsatz von "Digital Facsimile" von R. E. WernikofJf in der Zeitschrift "Signal magazine", Dezember 1966, Seiten 19 ff. sowie in einem nichtveröffentlichten Artikel des Erfinders "Discussion of° Digitized Facsimile" vom 28. September 1966 wiedergegeben. Die wesentlichen Schwierigkeiten bei derartigen Systemen sind durch die Art der Entnahme des Analogsignals bedingt, wodurch ein grosser Teil der Information verloren geht.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Bandbreiten-Reduktionssystem zu schaffen, mit dem die Schwierigkeiten der bekannten Bandbreiten-Reduktionssysteme in hohem Masse überwunden werden, indem ein Bandbreiten-Reduktionssystea vorgeschlagen wird, indem keine Taktseitgabe zum Erzeugen von äquidistanten Impulsen des Binärsignals verwendet werden.

Diese Aufgabe wird insbesondere durch ein System gelöst, indem erfindungsgemäss die Binärimpulse vom Amalogiapulssn des

Faksimilesignals erzeugt werden. Hierbei rufen Veränderungen der Dichte der Kopie Änderungen in Signalpegeln der Impulse des Analogsignals hervor, und die Änderungen der Signalpegel werden zur Erzeugung des Binärimpulses benutzt.

Das System nach der Erfindung hat vor allem den Vorteil, dass bei einem derartigen Bandbreiten-Reduktionssystem, welches Binärsignale verwendet, kein Auflösungsverlust eintritt, sofern die Impulse des Analogsignals äquidistant sind.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäesen Systems besteht in seiner Einfachheit im Vergleich zu den mit Taktzeitgebern arbeitenden Systemen.

Darüberhinaus ist das System nach der Erfindung insofern vorteilhaft, als dünne, isolierte schwar.se Linien einer Kopie stets reproduziert werden, während derartige Linien in Takt gesteuerten Digitalsystemen vollständig verloren gehen. Ausserdem erscheinen bei den Takt gesteuerten Digitalsystemen solche isolierten schwarzen Linien, die noch reproduziert werden, oftmals an einer anderen Übergabesteile, die gegenüber der richtigen Stelle versetzt ist.

Schliesslich ist das erfindungsgemässe System auch insofern fortschrittlich, als dünne, schwarze Linien, die in der Kopie in einer für die Reproduktion durch das System nicht mehr geeigneten Weise zusammengedrängt sind, vom erfindungsgemässen System nicht miteinander verwischt bzw. verschwommen wieder-

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gegeben werden, wie das bei den bisher bekannten Systemen der Fall ist; stattdessen werden isolierte Linien ausgeschieden, so dass man eine Reproduktion der Kopie bei vernachlässigbarer Degradation erhält.

Die Erfindung wird hinsichtlich weiterer Vorteile und Merkmale an Hand eines besonders bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 der Zeichnung näher erläutert; sie ist jedoch nicht hierauf beschränkt, sondern lässt sich unter den hier gegebenen Richtlinien sowie im Rahmen des Gegenstandes der Erfindung und des alllgemeinen Erfindungsgedankens in vielfältiger Weise mit Erfolg verwirklichen. Es zeigen;

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Bandbreiten-Reduktionssystems

gemäss der Erfindung und
Fig. 2 geeignete Wellen- bzw. Signalformen für die Erläuterung der Betriebsweise des in Fig. 1 dargestellten Systems.

In das in Fig. 1 dargestellte Bandbreitensystem kann ein Analogsignal, beispielsweise von einem photoelektrischen Sensor eines Faksimile-Abtastgerätes über einen Eingangsanschluss 11 entweder direkt oder unter Zwischenschaltung eines einfachen Verstärkers eingegeben werden. Diese Signale sind allgemein als Basis-Band, Video- oder Bildfrequenzsignale bekannt und können alle Frequenzen von Null bis zur Elementfrequenz des Systems enthalten; letztere ist durch die optische Auflösung und die Geschwindigkeit des Abtastpunktes bestimmt. Ein typisches,

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durch die Signal- "bzw. Wellenform I der Pig. 2 dargestellten Faksimilesignal lässt die charakteristischen trapezförmig geformten, von der A"btastöffnung erzeugten Impulse erkennen.

Jede begrenzte Öffnung kann als eine Ausführungsform eines Tiefpassfilters mit der charakteristischen Gestalt der Punktion angesehen werden. Daher wird ein in der abgetasteten Kopie auftretender absolut scharfer Übergang von schwarz nach weiss oder umgekehrt, der durch eine unendliche Frequenz dargestellt werden würde, durch die Öffnung verhindert, Eine ins einzelne gehende Diskussion dieses Gegenstandes bringt der Aufsatz von Mertz and Gray "A Theory of Scanning" im "Bell System Technical Journal" vom Juli 1934.

Die auf Grund der Öffnung verformten Faksimilesignale der Wellenform I werden auf den Eingang des Schmitt-Triggers 12 der Fig. 1 gegeben, der als Vorrichtung zur Bildung eines Binärsignals aus einem Analogsignal angesehen werden kann. Der Schmitt-Trigger ist ein bekannter Schaltkreis, dessen Aus- gangsgrösse bei Eingangsgrössen unterhalb eines vorbestimmten Niveaus effektiv Null ist, und dessen Ausgangsgröße bei allen Eingangßsignalen oberhalb dea vorbestimmten Niveaus einen einheitlichen maximalen Wert besitzt. Das bedeutet, ein Schmitt-Trigger erzeugt aus einem Eingangssignal relativ geringer Inderungsgeschwindigkeit ein Ausgangssignal, das sich ■ehr schnell wieoben zwei vorgegebenen, festen Niveaus ändert. Eine Beschreibung der Einzelheiten und des Aufbaus von Sohmitt-

Triggern mit Hilfe von Transistoren ist in den "Elements of Transistor Pulse Circuits", von T.D. Towers, D* Van Nostrand Co., 1965, Seite 95 ff. enthalten. Darüberhinaus gibt es verschiedene andere Kreise, beispielsweise^ Spanmmgskomperatoren, Niveausensoren etc., die im Prinzip der gleichen Art wie ein Schmitt-Trigger funktionieren, jedoch ist letzterer ttie am besten bekannte und am meisten verwendete Vorrichtung für eine Betriebsweise bis herab zur Frequenz Null.

Die durch die Mitte der Wellenformdarstellung I hindurchgehende gestrichelte, mit der Bezeichnung "Schnitt" versehene linie stellt das Sprungniveau des Schmitt-Triggers dar. Dieses Niveau. , das auch als Schnitt- oder Bestimmungsniveau bezeichnet werden kann, wird zweckmässigerweise in die Mitte zwischen das Weiss- und Schwarzniveau, welche dem Weiss bzw. dem Schwarz in der abgetasteten Originalkopie entsprechen, gelegt. Das Schnittniveau sollte in einem gewissen Bereich einstellbar sein, was mit Hilfe der Schnittniveau-Steuerung bzw. -Einstellung H geschieht, so dass auf diese Weise das optimale Schnitt- bzw. Bestiaaungsniveau eingestellt werden kann.

Die Wellenform II stellt das aa Schmitt-Trigger 12 auftretende Ausgangssignal dar und kann als das erste Binärsignal bezeichnet werden. Ss sei darauf hingewiesen, dass die in diesem Signal auftretende abrupte Änderung zwischen "Weiss"- oder Miulaalaireau und "Schwarz"- oder Mixis&lniTeau dort auftritt, wo sish Schnitt τ? iream um* lln§®ttgtai§ml"A»plitmi· »ohne id en,

ORfGfNAi. INSPECTED

Das Ausgangssignal des Schmitt-Triggers 12 erreicht das Minimal- oder Weissniveau stets dann, wenn sich das Eingangssignal unterhalb des Schnittniveaus befindet, während es das Maximaloder Schwarzniveau dann erreicht, wenn sich das Eingangssignal oberhalb des Schnittniveaus befindet.

Das durch die erste binäre Wellenform II veranschaulichte Ausgangssignal des Schmitt-Triggers 12 wird auf ein Sperrgatter und einen Treiber-Verstärker 15 gegeben. Die Punktion dieses Kreises wird, abgesehen von der Verstärker- und Niveauänderungsfunktion erst weiter unten erläutert.

Eine wichtige Eigenschaft dieses Systems besteht darin, dass kein Impuls, weder ein Schwarz- noch ein Weissimpuls (Abwesenheit eines Schwarzimpulses bedeutet einen Weissimpuls), der schmaler als eine vorbestimmte Zeitdauer ist, übertragen wird. Diese minimal zulässige Impulszeit wird im allgemeinen als Bitzeit oder einfach als Bit bezeichnet. Die Wellenform I veranschaulicht die Bitzeit und Impulse, welche kurzer und langer als die Bitzeit sind.

Die Bedeutung der minimal zulässigen Impulszeit besteht darin, dass die maximal mögliche erzeugte Grundfrequenz des Systems festgelegt ist. Zur Erläuterung sei eine Folge von abwechselnd aufeinanderfolgenden Schwarz- und Weiesimpulsen minimaler Dauer betrachtet. Eine solche Folge repräsentiert die höchstmögliche Grundfrequenz, welche das System erzeugen kann. Da

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hierdurch eine absolut abrupte obere G-renze für die Grundfrequenz des Signals gegeben ist (innerhalb der Genauigkeit dei' Impulsdauer können Taktgeberkreiae ebenso genau, sein), !besitzt fias Sjeteia den öh&rakter sinss fiefpasefilters mit der Bämpfuag Ifmll Ms zvm Abschält- oder Sperrpimkt sowie mit eis©? üms&diehsn Ab®ehalt- oder Spsrrgeschwindigkeit und einer lamsadiielism Dämpfung im Stopp-Band« SelbstTerständliciL gilt dies® Birlspaclitiimg war für die ©ruadfrequea», da Reclitecksigiiaie th@oreti3öSi '-ϋ·®€^-*44:3-Φΐι Hariaonisehe· aufweisen, deren

giiaie th@oreti3öSi -ϋ®€^-*44:3-Φΐι Hariaonisehe aufweisen, I-2?©g.nQiis bis iais Ifeemdlieiie geilt» Jedoch ist es in der sioder-

nur ©rforderlioli, dass die Srund-

sia.'ÄsBiaär (zxi6l~2?iv©aTa)<-Sigaals- empfangen wird, so dass die hMGM.B't® zn übertragende Preqmenss einheitlich ..festgelegt imA "bekamit ist. In der Praxis wird das System zweokei'vsiss so eingestellt, dass die bekannte Bandbreite verfügbaren Üiaertragtmgsleitung bis zum äusserst möglichen §rat® susgenutat wird*

Bas Ausgangssignal des Sperrgatters und Treiber-Verstärkers kann, im Amgenbllsk als verstärktes Änsg&sgssigüal fies Schmitt-Sr-iggers 12 aagsseiiea wsrdsn, ,wie ämroli die Wsllevifona-Diiir-stsllang II veimiisete.ii3LieJb.ts Oae Äuagaiigssignal de© Treiber-Yer- ^tärlisrs 15 wird gleisliseitig auf einen mit "Schwarz¹¹- begseich-ίΐί-ί^Ώ. Jimfcit-aoasets.'bilen HnltiTibrstor 16 uad s^f ä©m Singang 1? sines ^SDOMSI^S}-Puffers 19 al'« s?r©i lingängen gegeben. Der ?.-/?.i}§iafcile Iäalt;>¥i??yi5^tor 16_f de"? oftaais aiaoh als ''oiie-ahot¹' UiUOiUlMS¹U w±¥&₀ feesitst sineia zeitg^steuerten AusgangsiEpuls _f

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BAD ORIGINAL

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dessen Dauer auf eine Bitzeit voreingestellt ist. Daher erhält man am Ausgang des Multivibrators 16 einen Sehwarzimpuls von der Länge eines Bits, und zwar unabhängig von der Dauer des Eingangs-Schwarzimpulses, mit dem der Kreis ausgelöst worden ist. Dieeer an sich bekannte Kreis ist im einzelnen 'beschrieben in "Basis !Theory and Application of Transistors", Department of the Army Technical Manual TM 11-690, März 1959, Seiten 193 ff.

Der Schwarz-Ausgangsimpuls von der Länge eines Bits wird vom Ausgang des monostabilen Multivibrators 16 auf einen zweiten Eingang 20 des "ODER"-Puffers 19 gegeben,. Da der verstärkte Ausgang des Schmitt-Triggers 12 am ersten Eingang 17 des »ODERⁿ-Puffers anliegt, ist der Ausgang des "ODER"-Puffers 19, der nach jedem Schwarzsignal des Schmitt-Triggers 12 auftritt, ein EIN-Bit oder längeres Schwarzsignal. In diesem Zusammenhang sei auf den Impuls al der Wellenform I verwiesen, aus dem ein Impuls all der Wellenform II wird, welcher kürzer als ein Bit ist; dieser letztere Impuls wird zu einem Impuls aiii der Wellenform III von einem Bit »gestreckt«.

Nicht ganz so einfach vollsieht sich die Ersseugung eines Weissimpulses von der Minimaldaner eines Bits. Bas Aus gangs signal der »ODER¹*-Puffer8 19 wird hiersu auf &m Eingang eines zweiten mit "Weiae" "bezeichnetem Ein-Bit monostabilen Multivibrators 21 gegeben. Dieser Kreis verstellt sich auf föraod jedes Übergänge des Eingangeeigmls von Sohwarz-zu-Weiee für eine Bitzeit,

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Das ist genau die entgegengesetzte Aktion des mit "Schwarz" bezeichneten Multivibrators 16, der sich bei einem Weiss-zu-Schwarz-tfbergang verstellt.

Während der Multivibrator 21 verstellt wird, gelangt von diesem ein Rüekkopplungssignal über den Torsteuerkreis 22 zum Sperrgatter und Treiber-Verstärker 15. Da der Multivibrator 21 durch einen Schwarz-zu-Weiss-Übergang verstellt wird, erhält man in diesem Augenblick im Sperrgatter und Treiber-Verstärker 15 ein Weiss- oder Nullniveausignal, wie leicht zu erkennen ist. Die Aufgabe des Rückkopplunge-Steuersignals besteht darin, das Sperrgatter 15 in diesem Weiss- oder Fullniveauzustand unabhängig vom Eingangssignal für eine Bitlänge einzurasten oder festzuhalten. Das bedeutet, dass ein Impuls der Minimallänge von einem Bit durch Sperrung bzw. Blockierung jedes Schwarzsignales, welches während der Ein-Bitzeitdauer des monostabilen Multivibrators 21 beginnt, erzeugt wird. Am Ende des Ein-Bitweissignales wird das Sperrgatter freigegeben und der Ausgang des Treiber-Verstärkers entspricht wieder einer verstärkten Version des Scharf.tt~Trigger-Ausgangssignals, das zu diesem Zeitpunkt entweder ein Weiss- oder ein Schwarzsignal sein kann«. Im diesem Zusammenhang wird auf den Weissiapuls bl der Wellenform I hingewiesen* Dieser Iispula wird in einen Weisßimpiils "fell übt Wellenform II umgewandelt_s der offensichtlich schmaler als fiie Zeitdauer eines Bits ist und eu einem Impuls bill der Wellenform III tob eier Mug© eines Bits "gestreckt" wird»

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Tm 1

Die Wellenform III ist ein zweites Binär- oder quasi-digitales Binärsignal, das am Ausgang der "ODER"-Puff8rkreise8 19 der Fig. 1 erscheint. Die Bezeichnung "quasi-digital" wird im Rahmen der vorliegenden Beschreibung zur Charakterisierung von Signalen verwendet, in denen die Binärimmilse nicM äureh einen äusseren Taktgeber seitgesteuert sinö., soMern statistisch durch die Anstspisgs- lind AbfallE-oitöO. dar InpalBe des Analogsignals unterliegen« Pftriiberhinaiiiü "baafciltsteLSI; dieser Ausdruck ein Signal_} -lassen Irajmlae Mnk^r Ai^j*v ^iatu wobei

die
einige der Impulse Lange sines Bits Jaali^iij "νίίΐΐΞ¹ $·;■;■. d sädei'a

Impulse länger als ein Bit p.lrA*

Das zweite Binär- oder qunsi-aigit&le Sl/Tii;.il ergibt _:?,j.sh auf Grund zweier Vorgänge, mäsilieii eiiior cl^j^k-^^n .ΐξ.-'.Βν/Ι-Γίαιτί.ί? auf das Signal und einer Elickkoppl^Xn^ '>v:i: Wxi-'Btt i3c-&e:;-;~^:;M*--.'iri Multivibrator 21 ("Weiss⁸'). Κ*1ϊι«γ Iei* T^ul^ Ca-ss äweitea Binärsignals, und zwar weder sin ScfcwsrK-» ncsl* e-:l;i ¥elBS«lmpuls, ist kürzer als Ein-Bit» und die iiöchüte- ίί·ι uiidf:eetiiiena ±ia aweiten Binräsignal ist* diejenige PreauenZj weldie der Zeitdauer eines Zyklus entsprichts die gleioh. sv/ei. Bitaiil^sn Is^ Daher ist die höchste Grundfrwaucns _f die im AiiSgaiigiKigaFil er scheinen kann, der Reziprokewert eines Zeitintervalle νοκ. swei Britzeiten.

Es ist von Wichtigkeit 5 das iVujbbrechen "bisw die Burst der Impulse el und eil der Wellenfor-ieTi. I unä 11 sn beachten. Vier kurze Impulse erscheinsE. ^i i-i^m Zeit:.?3-«e3;^;7-iill_f iu. aesi nur drei Impulse einer Bitlfe^^ ur-iier-^ebractrc v^räem li't-z-var.-^ Wie

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man leicht sieht, ist es daher erforderlich, einen der Impulse zu opfern bzw. wegzulassen. Ein Vergleich der Wellenformen II und III zeigt, dass das in optimaler Weise geschehen ist. Man beachte, dass der erste Impuls einer !Folge, die nach jedem-Schwarz;- oder Weissimpuls von längerer Dauer als zwei Bitzeiten auftritt j stets durch das Überschneiden des Eingangssignals mit dem SohnittTiiveau" (Wellenform I) ausgelöst wird. Das bedeutet, dass der übertragene Impuls, immer dann, wenn es innerhalb der Zwangsfoedingungen des Systems möglieh ist_? in direkter ²eitbeziehung zum analogen Paksimilesignsl steht und nicht auf ein rein willkürliches Taktgebersignal bezogen ist.

Wenn die Eingangsimpulsrate zn schnell für die verfügbare Bandbreite wird, kommt es zu einem speziellen Vorgang, bei dem der erste Impuls einer Folge schnell wiederkehrender Eingangsimpulse den ersten Impuls der Folge quasi-digitaler Ausgangsimpulse stapelt» Durch die minimal zulässige Impulslänge des quasi-digitalen Signals ist die schnellste Impulswiederiiolungsrate dieses Signals bestimmt» Daher erhält zwar der erste Impuls der Folge quasi-digitaler Impulse seine Zeitgebung durch den ersten Impuls der Folge sich schnell wiederholender Eingangs impulse, jedoch, erscheinen nachfolgende Impulse der quasidigitalen Impulsfolge zu Zeitpunkten, die sowohl durch die Zeit- bzw. Sfsktgebiang der Eingangs signale als auch durch die Zeitkons teat as der beiden xsono&'ösOilen Multivlbratoren 1β nnü, 21 bestimmt BIvA₀ Peshalb ist der erst® Impuls einer quasidigitaler Impulfolge fitiroli asu Bingengsimpuls direkt zeit- bzw«

taktgesteuert, während die Korrelation der nachfolgenden quasidigitalen Impulse in einer Folge in "bezug auf den anfänglichen Eingangsimpuls durch das Dazwischentreten der Multivibrator taktgesteuerten Impulse "bestimmt ist. Sobald jedoch eine Unterbrechung der Eingangsimpulsfolge von ausreichender Dauer auftritt, werden die quasi-digitalen Impulse wieder durch die Eingangsimpulse taktgesteuert. Die Minimalunterbrechung, die eine Wiederaufnahme der direkten Zeitgebung bzw. Taktsteuerung der Ausgangsimpulse durch die Eingangsimpulse gestattet, ist die Xeitdauer eines Bits, und die Maximalunterbrechung, die für die Wiederaufnahme der direkten Zeitgebung stets erforderlich ist, beträgt zwei Bitzeiten.

Bei der Auswirkung graphischer Versuchsaufzeichnungen hat sich gezeigt, dass die meisten Impulse der zweiten Binär- oder quasi-Digitalsignale direkt von den Impulsen des Eingangs-Analοgoignals gestartet werden, daher behält das zweite Binär- oder das Quasi-Digitalsignal der Wellenform III viele der Vorteile des Analogsignals. Infolge der Binärnatur der Signale erbringt gleicheettig die fixierte Minimaldauer der Signalimpulse sowie die genau bekannte maximale Grundfrequenz für das System die meisten der Vorteile der Digital-tibertragung.

Die zweiten Binär- oder quasi-digitalen Signale der Wellenform III werden in eine R-O-Differenzierschaltung 24 und zwei Tore 25 und 26 gegeben. Das Tor 26 kehrt die Signalpolarität um. Der Auegang der Differenzierschaltung 24· iet in der Wellenform

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IV in Form von Auslöseimpulsen dargestellt. Bei federn Niveauübergang der durch die Wellenform III dargestellten Folge der zweiten Binärsignale wird ein kurzer Impuls erzeugt. Die Polarität des kurzen Impulses wird durch die Polarität des Niveauübergangs innerhalb der Wellenform III bestimmt. Diese kurzen Auslöseimpulse gemäss der Wellenform IV werden auf den Eingang eines bistabilen Multivibrators 27 gegeben. Dieser Multivibrator, der auch als Eccles-Jordan-Flip-Flop bezeichnet wird, ändert seinen Zustand zu jedem Zeitpunkt, in dem ein kurzer Eingangsimpuls vorbestimmter Polarität am Eingang auftritt. Bei dem letztgenannten Multivibrator handelt es sich um einen allgemein bekannten Schaltkreis, der in vielen Druckschriften im einzelnen beschrieben ist, beispielsweise im "General Electric Transistor Manual", 7. Edition, Seiten 186 ff. Es sei darauf hingewiesen, dass der bistabile Multivibrator 27 nur auf Eingangsimpulse einer bestimmten Polarität anspricht. Im vorliegenden Fall kommt es im Ergebnis nicht darauf an, ob der Kreis auf die Impulse eines positiven Übergangs (Weissnach-Schwarz) oder eines negativen Übergangs (Schwarz-nach-Weiss) in "Flip", sofern nur der Kreis gleichbleibend arbeitet. Die dargestellten Wellenformen III und V setzen voraus, dass das "Flippen" auf Grund der negativen Impulse der Wellenform IV auftritt, es macht aber tatsächlich keinen Unterschied , welche Betriebsweise man tatsächlich wählt. Es sei bemerkt, dass die Anzahl der Eingagnsimpulse mit dem bistabilen Multivibrator 27 effektiv durch zwei geteilt wird und dass dieser Kreis weitgehend diesem Zweck dient.

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Der bistabile Multivibrator 27 nach Eccles-Jordan schliesst und öffnet abwechselnd die damit verbundenen "UND"-Tore 25 und 26, die als durch die Eingangsleitung 28 beaufschlagte Parallelkreise bezeichnet werden können. Am Eingang dieser Parallelkreise erscheint das durch die Wellenform ΙΪΙ dargestellte zweite Binärsignal. Da die Weiss-Signalimpulse von einem dieser Tore invertiert werden, während das beim anderen •Tor nicht der Fall ist, und da weiterhin ein gemeinsames Schwarz-Referenzniveau aufrechterhalten "wird, erscheint am Ausgang der Summati ons schaltung 29 ein Signal Eilt drei Hiveaus, das gleich der algebraischen Summe der an äev, Tos/©n auftretenden Ausgangssignale ist. Die Schaltung zur lolaritätsinversion des invertierenden "UND"-Tores 26 kann in üblicher Weise aufgebaut sein; ein Transistorverstärker in. Bsnitter-sehaltung, bei dem das Eingangssignal auf die Basis des Transistors gegeben und ein invertiertes Ausgangssignal vom Kollektor des Transistors abgenommen wird, hat sich als siifriedens-seilende Schaltung erwiesen.

Die Summationsschaltung 29 kann in einfacher Weise aus zwei in Reihe über die Ausgänge der Tore 25 waä, 26 geschalteten Widerständen bestehen, wobei der Ausgang der Sunsaierungschaltung an der Verbindung der beiden Widerstands siit-BüMien wird.

Das drei Niveaus aufweisende, aus der- algsoraiach@*ti Addition der abwechselnd invertierten miä nicht-invertiarten Weiss-Signalimpulse der Wellenform TiI ν !?·> änsuh ϋ.ϋ ^^Hcm verans chauli cht.

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Es sei darauf hingewiesen, dass die Kodierung des zweiten Binär- oder quasi-digitalen Signals der Wellenform III zu dem drei Niveaus aufweisenden Signal der Wellenform V durch ein einfaches Gesetz gesteuert wird. Es "bleibt nämlich jeder Schwarz-Impuls auf dem gemeinsamen mittleren Niveau, während die Weiss-Impulse abwechselnd positiv oder negativ in bezug auf das mittlere Niveau werden. Diese einfache Beziehung lässt sich aus einem Vergleich der Wellenform III mit der Wellenform V entnehmen.

Die Wellenform V stellt ein drei Niveaus aufweisendes Signal mit speziellen Oharakteristika dar. Auf Grund der Fundämentalinformations-Theorie ergibt sich, dass die Anzahl der Bits einer Information D, die über einen Kanal vorgegebener Bandbreite w übertragen werden können, gleich 2w (logpn) ist, wobei D in Bits pro Sekunde, w in Zyklen pro Sekunde einzusetzen ist und η die Anzahl der Signalniveaus darstellt. Wenn man die Gleichung D = 2w(log₂n) für w = 1 und η = 2 ausrechnet, so erhält man die Nyquist-Grenze von zwei Informationbits pro Zyklus der Bandbreite des Übertragungskanals. Hinsichtlich der Einzelheiten wird auf "Certain Topics in Telegraph Transmission Theory" von H. Nyquist in Transactions A.I.E.E., Februar 1928. Wenn η gleich 3 wird, dann ergibt sich für D angenähert ein Wert von 2,18 Bits pro Zyklus der Bandbreite. Wenn η gleich 4 ist, so nimmt D ebenfalls den Wert 4- an, d. h. das Doppelte der Nyquist-Grenze für ein binäres Signal mit zwei Niveaus.

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Die vorstehend kurz wiedergegebene Fundamentaltheorie zeigt, dass ein drei Niveaus aufweisenden Signal die Übertragungsgeschwindigkeit gegenüber einem einfachen Binärsignal mit zwei Niveaus nur um einen Paktor von ungefähr 1,59 zu 1 verbessert. Jedoch geht die Theorie davon aus, dass der tibergang von einem extremen Niveau zum anderen extremen Niveau in einem Zeitintervall von einem Bit erfolgen kann. Eine Betrachtung der Wellenform V zeigt aber, dass bei diesem quasi-digitalen, drei Niveaus aufweisenden Signal an keiner Stelle ein Übergang von einem extremen Niveau zum anderen extremen Niveau innerhalb eines Zeitintervalls von einem Bit auftritt. Stattdessen sind als untere Grenze Zeitintervalls von zwei Bits für eine Amplitudenänderung von einem Extrem in das andere Extrem verfügbar. Die Bedeutung dieser Tatsache besteht darin, dass die Neigung der Änderungsrate der Signalamplitude um den Faktor zwei reduziert ist. Diese Neigungsminderung für eine vorgegebene Informationsgeschwindigkeit führt zu einem Gewinn von 2/1 gegenüber der Maximalgeschwindigkeit der einfachen binären Übertragung. Man beachte, dass dieser spezielle Zwang, welcher die Änderungsrate der Signalamplitude begrenzt, angewandt werden muss, wenn man bei einer Übertragung mit drei Niveaus einen 2/1 Gewinn gegenüber einer einfachen binären Übertragung erreichen will. Eine Betrachtung der Wellenform V zeigt, dass der die Neigung begrenzende Zwang automatisch ausgeübt wird, da eine Änderung von dem einen begrenzenden Niveau zum anderen begren zenden Niveau niemale in einen Zeitintervall auftritt, das weniger als zwei Bits breit ist.

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Die von der Summationsschaltung 29 abgenommenen Signale der Wellenform V werden in ein Tiefpassfilter 30 eingegeben, das als Gaus'sehe Tiefpasschaltung oder Gaus-Filter ausgeführt ist» In Wirklichkeit wird ein leicht modifiziertes Gaus-Filter verwendet, welches zur Erzeugung sogenannter ansteigender Cosinus-Impulse aus den rechtecktförmigen bit-langen Impulsen dient. Derartige ansteigende Cosinusimpulse sind im einzelnen in dem Buch "Data Transmission" von Bennett und Davey, McGraw Hill, 1965, Seite 98 dargestellt und erörtert. Ein solcher ansteigender Cosinus-Impuls weist auf Grund eines schwachen "Klingeins" im Kreis schwache "Schwänze" auf. Die Gaus'sehen Schaltungen, wie sie beispielsweise in dem Buch "Simplified Modern Filter Design" von P-R. Geffe, Hayden Book Co., 1963 beschrieben sind, zeigen theoretisch kein "Klingeln", so dass die durch rechteckförmige Eingangssignale ausgelösten Ausgangsimpulse keine "Schwänze" besitzen. Es hat sich jedoch gezeigt, dass es mit Hilfe der ansteigenden Cosinus-Form möglich ist, einen Übertragungskanal begrenzter Bandbreite optimal auszunutzen; daher wird die Gaus'sehe Schaltung in leicht abgewandelter Form benutzt, um auf diese Weise bei Auftreten eines rechteckförmigen Eingangssignals ein Ausgangssignal zu erhalten, das im wesentlichen die Form eines ansteigenden Cosinus besitzt.

Die Wellenform VI veranschaulicht das drei Niveaus aufweisende Signal nach dem Durohgang durch die Tiefpasschaltung 30. Ein Vergleich dieser Wellenform mit der Wellenform I zeigt, dass die Frequenz des Signale ait Hilfe der vorerwähnten Operationen

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duroli zwei geteilt worden ist. Das bedeutet, dass das Signal der Wellenform VI, das im wesentlichen alle Informationen des Signals der Wellenform I enthält, durch einen Kanal übertragen werden kann, der nur die Hälfte der für die Übertragung des Signals der Wellenform I erforderlichen Bandbreite besitzt.

Das Signal der Wellenform VI wird mit Hilfe des Ausgangsver- _t stärkers 31 zum Zwecke der Eingabe in ein Modem-Übertragungssystem verstärkt. Der Ausdruck "Modem" bezeichnet ein Modulator- und Demodulatorsystem, das eine Signalübertragung über verfügbare Übertragungskanäle gestattet. Ein derartiges in weitem Umfange verwendetes Modem-System für die Übertragung von FaksimileSignalen über das Wähl-Telephonsystem ist das Beil-System 602 "Dataphone¹¹. Mit diesem Modem-System können Basis-Bandsignale von der Frequenz Null bis zu etwa 1000 Hz verarbeitet werden. Wenn man dieses Modem-System für Analogoder Binärsignale benutzt, dann beträgt die maximale Faksimile-Übertragungsgeschwindigkeit bei einer Seite der Abmessung von 21,6 χ 27,9 cm mit repräsentativem graphischem Material etwa 6 Minuten. Wenn jedoch das drei Niveaus aufweisende, vorstehend charakterisierte Signal angewandt wird, dann ergibt sich eine Übertragungszeit von ungefähr 3 Minuten für eine 21,6 cm χ 27,9 cm grosse Seite einer Faksimilekopie bei Übertragung durch das WähKDelephonsystem unter Verwendung des vorerwähnten "602 Dataphone¹¹ Modem-Systems.

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Pur diesen Anwendungs zweck wird das Bandbreiten-Reduktionssystem auf eine Bitzeit von 250 MikroSekunden eingestellt. Ein bit-langer Schwarz-Impuls, dem ein bit-langer Weiss-Impuls folgt, ergibt eine Grundperiode von 500 Mikrosekunden oder eine Spitzen-Basisbandfrequenz von 2000 Hz. Die spezielle, mit drei Niveaus arbeitende Kodiervorrichtung teilt die Basisbandfrequenz durch den Faktor zwei, so dass die höchste Signalfrequenz einen Wert von 1000 Hz annimmt. Das ist für die untere Grenze des"602 Dataphone" Modem-System richtig, so dass der verfügbare Kanal vollständig ausgenutzt wird.

Der am anderen Ende des Übertragungskanals eintreffende Ausgang des Modem-Systems der Wellenform VI wird auf einen Eingangspuffer-Verstärker 40 gegeben. Dieser Kreis wiederholt die Signale im wesentlichen bei niedriger Impedanz, so dass das Ausgangssignal des Modem-Systems nicht von dem nachfolgenden Vollwellen-Gleichrichter 41 belastet wird.

Der Vollwellen-Gleichrichter 41 wandelt die Eingangssignale der Wellenform VI in die Signale der Wellenform VII um. Dieser Vorgang ist eine typische Operation des Vollwellen-Gleichrichters, durch welche die Frequenz des Eingangssignals verdoppelt wird. Man beachte, dass dieser Vorgang einer Faltung der oberen Hälfte des Bildes der Wellenform VI abwärts zur unteren Hälfte um die Schwarz-Achse entspricht.

Die Konstruktion eines Vollwellen-Gleichrichters der vorer-

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wähnten Art ist an sich "bekannt, da eine derartige Vorrichtung üblicherweise für die Umwandlung eines drei Niveaus aufweisenden Signals zurück in ein Signal von der Frequenz des Basisbandes "benutzt wird. Hierfür kann beispielsweise ein Transistorverstärker mit gleichen Widerstandsbelastungen in dem Emitter- und Kollektorkreisen verwendet werden. Venn das Eingangssignal an die Basis des Transistorverstärkers angelegt wird, dann erhält man am Emitter des Transistors eine nichtinvertierte Kopie und am Kollektor eine invertierte Kopie dieses Signals. Diese Ausgangssignale befinden sich in Gegenphase und können über Gleichrichterdioden zum Erzeugen eines Vollwellen-gleichgerichteten Ausgangs auf eine gemeinsame Last gegeben werden.

Die ursprüngliche Frequenz des quasi-digitalen Basisband-Faksimilesignals wird mit dem Kodiereystem durch zwei geteilt, während der Vollwellen-Gleichrichter des Decodiersystems die ursprüngliche Frequenz durch eine Frequenzverdopplung wiederherstellt.

Das Signal der Wellenform VII wird auf einem Schmitt-Trigger 42 gegeben; dieser besitzt eine Einstellung 44 für das Schnittbzw. Binsatzniveau und entspricht dem in der Kodiervorrichtung verwendeten Schmitt-Trigger 12. Wenn die Schnitt- bzw. Eineatzhöhe mit Hilfe der Einstellvorrichtung 44 beim Schmitt-Trigger 42 in die in der Wellenform-Darstellung VI in ge-

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strichelten linien dargestellte'Lage eingestellt ist, erhält man ein binäres Ausgangssignal der Wellenform VIII.

Es sei bemerkt, dass einige der Schwarz-Impulse der Wellenform VIII von sehr kurzer Zeitdauer sind. Da viele Faksimile-Wieder«- gabeeinrichtungen keine gute Schwarz-Wiedergabe sicherstellen, wenn die Eingangsimpulse zu kurz sind, wird ein monostabiler Multivibrator 45 sowie ein zwei Eingänge aufweisender "ODER"-Puffer 46 verwendet, mit deren Hilfe jeder eintreffende Schwarz-Impulfc, so kurz er auch sein möge, auf eine "Minimal-Schwarzzeit" gestreckt; diese Zeit entspricht der für eine gute Schwarz-Markierung auf der Wiedergabeseite erforderlichen Impulsbreite. Die Wirkungsweise des Multivibrators 45» der auch als "Minimalschwarz"-Multivibrator bezeichnet werden könnte, sowie die Betriebsweise des "ODER"-Puffers 46 ist identisch mit derjenigen des Multivibrators 16 und des "ODER"-Puffers 17, so dass sich eine ins einzelne gehende Beschreibung erübrigt. Zweckmässigerweise wird der Multivibrator derart zeitgesteuert, dass seine Ausgangsinpulse eine Länge von einem Bit haben.

Die Wellenform IX veranschaulicht das Ausgangssignal des Multivibrators 45, bei dessen Einstellung auf eine minimale Signalbreite von einem Bit.

Ein Ausgangsverstärker 47 niedriger Impedanz dient zur Ankopp-

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lung der Signale der Wellenform IX an das Faksimile-Wiedergabesystem. Die genaue Ausführungsform des Verstärkers 47 hängt von dem verwendeten speziellen Faksimile-WiÄergabegerät a"b.

Aus den vorstehenden Ausführungen ist zu erkennen, dass das quasi-digitale Bandbreiten-Reduktionssystem die Digitalsignal-Vorteile der Binäriibertragung aufweist, nämlich einheitliche Impulslängen sowie Anwendbarkeit der Multinieveau-Bandbreiten-Reduktionstechnik. Gleichzeitig jedoch werden von dem erfindungsgemässen System einige Vorteile der Analogübertragung ausgenutzt. Im einzelnen verhindert die Bildung einer Korrelation in bezug auf den Zeitpunkt des Auftretens des quasidigitalen Impulses den Nachteil eines Bandbreiten- oder Auflösungsverlustes, der sich bei den bekannten Digital-Systemen auf Grund der Zeitbeziehungen zwischen den Prüf-Taktgebersignalen und den analogen Faksimilesignalen ergeben. Auch ist die Verwendung des quasi-digitalen Systems unkomplizierter und preiswerter als eine digitale Signalverarbeitung.

Zusammenfassend ist festzustellen, dass mit der Erfindung ein Bandbreiten-Reduktionssystem geschaffen worden ist, welches die Anwendung eines Taktgebers der üblichen Art zur Erzeugung von Binärsignalen vermeidet, wobei die Impulse des Binärsignals durch die in ein Analogsignal umgesetzten Änderungen der Intensität der Kopie erzeugt werden.

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Claims

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T) Bandbreiten-Reduktionssystem, gekennzeichnet durch eine Anordnung zum Umwandeln eines Analogsignals (I) in ein Binärsignal (II, III), von Basisband-Frequenz, welches anschliessend in ein drei Niveaus aufweisendes Signal (V, VI) der halben Basisband-Frequenz zum Zwecke der Übertragung mittels eines Übertragungskanals umgewandelt und in einem Empfänger (40 - 47) in ein Binärsignal (VIII, IX) der Basisbandfrequenz zurückverwandelt wird, wobei das Bandbreiten-Reduktionssystem eine auf Änderungen im Signalniveau des Analogsignals. (I) unter Erzeugung von Auslöseimpulsen für das Binärsignal ansprechende Einrichtung (12) aufweist, sowie ferner eine Impulslängengebungs-, insbesondere -verlängerungseinrichtung (16, 17, 19), welche die Mäitimalimpulse des Binärsignals auf eine Länge von einem Bit verlängert; eine Impulsabstandseinrichtung, die einen Minimalabstand von der Länge eines Bits zwischen den Impulsen gewährleistet, wobei die Impulslängengebungs- und die!tmpulsabstandseinrichtung zusammen zur Fixierung der maximalen Grundfrequenz einen Impuls- und-Zwischenraum-Wert von zwei Bitzeiten sicherstellt; und eine Impulsblockierungseinrichtung ("15)» die derart arbeitet, dass das Binärsignal keinen entsprechenden zeitlich nachfolgenden Impuls aufweist, der aufgrund einer Änderung des Signalniveaus des Analogsignals (I) während der Zeit von einem Bit und der Abstandszeit des durch eine erste Änderung des

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Analogsignale ausgelösten Binärsignals auftreten würde, so dass "bei Faksimile-Übertragungen isolierte Linien reproduziert werden, während keine Übertragung derjenigen linien erfolgt, die derart dicht nefceneinanderliegen, dass eine Bandbreite jenseits der erzeugten maximalen Grundfrequnez erforderlich wäre.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die auf Änderungen im Signalniveau des Analogsignals (I) unter Erzeugung von Auslöseimpulsen für das Binärsignal ansprechende Einrichtung eine Schwellwerteinrichtung (12), eine Impulserzeugungseinriehtung (15 - 21) und eine Differenziereinrichtung (24) zum Differenzieren der von letzterer erzeugten Impulse aufweist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (29) zum Umkehren der Polarität, vorzugsweise einen kollektorbelasteten Transistorverstärker in Emitterschaltung.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch ein Tor (15) als Impulsblockierungseinrichtung.
5. Bandfcreiten-Reduktionssystem, insbesondere nach einem der Ansprüche 1-4, gekennzeichnet durch eine Anordnung zum Umwandeln eines Analog-Faksimileeignals (I) von Basisband-

Frequenz in ein drei Niveaus aufweisendes Signal (V, VI) der halben Basisband-Frequenz zum Zwecke der Übertragung auf einen Empfänger (40 - 47) mittels eines Übertragungskanals und zur Umwandlung des drei Niveaus aufweisenden Signal (VI) zurück in ein Binärsignal (VIII) der Basisband-Frequenz, wobei das Bandbreiten-Reduktionssystem eine Einrichtung (12) zum Erzeugen eines ersten Binärsignals (II) aus dem Analogsignal aufweist sowie weiter eine Einrichtung (15 - 21) zurm Erzeugen eines zweiten Binärsignals (III) aus dem ersten Binärsignal, eine Impulslängen-Gebungs-, insbesondere -Verlängerungeinrichtung (16, 17, für die Impulse des zweiten Binärsignals (III), die derart arbeitet, dass die minimale Impulsdauer dieser Impulse den Wert von einem Bit annimmt; eine Impulsabstandseinrichtung für die Impulse des zweiten Binärsignals (III), welche einen minimalen Abstand zwischen den Impulsen vorbestimmter länge gewährleistet, wobei das zweite Binärsignal (III) in der zeitlichen Folge keinen entsprechenden Impuls zu dem Impuls des ersten Binärsignals (Ij) aufweist, der gleichzeitig mit dem verlängerten Impuls oder im Abstandsbereich des zweiten Binärsignals auftritt, und wobei das zweite Binärsignal einen zeitlich nächstfolgenden Impuls aufweist, welcher dem Impuls des ersten Binärsignals derart entspricht, dass er die Genauigkeit der Zeitgebung der anschliessenden Impulsfolge nicht beeinflusst bzw. beeinträchtigt; eine Differenziervorrichtung (24) zum Erzeugen von Auslöseimpulsen aus dem

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zweiten Binärsignal (III), einen Parallelkreis, eine Eingangseinrichtung·(27) für die Eingabe des Binärsignals in den Parallelkreis, eine Einrichtung (26) zur Umkehrung der Polarität im Parallelkreis, eine gemeinsame Ausgangsvorrichtung (29 -.31), eine Schaltvorrichtung , vorzugsweise einen zweipoligen Umschalter (25, 26, 27) zum abwechselnden Verbinden der Zweige des Parallelkreises mit der gemeinsamen Ausgangsvorrichtung, eine auf die Auslöseimpulse ansprechende Betätigungsvorrichtung zum Betreiben der Schaltvorrichtung (25, 26, 27) zum Zwecke der Erzeugung eines drei Niveaus aufweisenden Signals (V) in der gemeinsamen Ausgangsvorrichtung (31) und zur Übertragung auf einen Empfänger (40 - 47), sowie eine Vorrichtung (41) zur Umwandlung des drei Niveaus aufweisenden Signals zurück in ein Signal der Basisband-Frequenz.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Erzeugen des ersten Binärsignals (II) aus dem Analogsignal (I) eine Schwellwerteinrichtung und eine Einrichtung zur Beschränkung der Spitzenhöhe (12) ist.
7. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung, vorzugsweise der zweipolige Umschalter von einem bistabilen Multivibrator (27) und einenvPaar von Koinzidenztoren (25, 26) gebildet wird, von denen je eines in einem Zweig des Parallelkreises angeordnet ist.

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8. Anordnung nach Anspruch 5, 6 oder 7_f dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungsvorrichtung für den Betrieb der Schaltvorrichtung (25, 26, 27) von einer Auslösevorrichtung (24-) für den bistabilen Multivibrator (27) gebildet wird.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Umwandlung des drei Niveaus aufweisenden Signals zurück in ein Signal von Basisband-Frequenz ein bis zur Frequenz WuIl wirksamer Vollwellen-Gleichrichter bzw. -Demodulator (41) ist.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-9» dadurch gekennzeichnet, dass die Impulslängengebungs-, insbesondere -verlängerungBvorrichtung ein monostabiler Multivibrator mit vorbestimmter Zeitkonstante ist.
11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 -10, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulsabstandsvorrichtung einen monostabilen Multivibrator (21) mit vorbestimmter Zeitkonstante und ein Signal-Sperrgatter (15) umfasst.
2, Anordnung nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (29) zum Umkehren der Polarität einen kollektorbelasteten Transistorverstärker in Emitterschaltung umfasst.
13. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-12, gekennzeichnet durch einen Widerstands-Kondensatorkreis (24) mit kurzer

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Zeitkonstante als Differenziereinrichtung.

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