DE19836412C2 - Übertragungssystem für Digitalsignale - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Übertragungssystem für Digitalsignale von einem di­ gitalen Ausgang einer Nachrichtenquelle zu einem digitalen Eingang einer Nachrichtensenke gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiges Übertragungssystem ist aus der DE 37 00 284 A1 bekannt, die eine Sende-Empfangs-Einrichtung für ein Busleitungssystem mit zwei Signal­ leitern betrifft. Dieses Busleitungssystem wird für einen schnellen Austausch von Digitalsignalen zwischen häufig wechselnden Gegenstellen, beispielsweise zwischen Telekommunikations-Terminals, zwischen der Datenverarbeitung dienenden Rechnern oder zwischen vermittlungstechnischen Prozessoren, ver­ wendet. Dabei haben die jeweils angeschlossenen Gegenstellen über Sende- Empfangs-Einrichtungen einen wahlfreien Zugriff zu dem Busleitungssystem. Dieser bekannten Sende-Empfangs-Einrichtung liegt die Aufgabe zu Grunde, ohne galvanische Kopplung mit einfachen Mitteln und zugleich schnell und mit hoher Sicherheit eine Kollisionserkennung beim Zugriff auf das Busleitungssys­ tem zu ermöglichen.

Übertragungssysteme für Digitalsignale von einem digitalen Ausgang einer Nachrichtenquelle zu einem digitalen Eingang einer Nachrichtensenke kommen auch bei hochwertigen Hi- Fi-Anlagen zum Einsatz. Bei diesen Hi-Fi-Anlagen erfolgt nämlich die Übertra­ gung der Musiksignale von beispielsweise einem CD-Spieler zu dem Verstärker nicht in analoger Form, wie es bei den Hi-Fi-Anlagen der niedrigeren Qualitäts­ stufen aus Kostengründen üblich ist, sondern in digitaler Form. Zu diesem Zweck weist der CD-Spieler eine digitale Buchse auf, an die ein für die Über­ tragung der digitalen Signale geeignetes Kabel (im folgenden auch als Digital­ kabel bezeichnet) angeschlossen wird. Das andere Ende des Digitalkabels ist an die digitale Eingangsbuchse eines Digital-Analog-Umsetzers (abgekürzt auch DA-Umsetzer) angeschlossen, der das digitale Signal in ein analoges Tonsignal umwandelt. Der DA-Umsetzer ist mit seinen beiden analogen Ausgangsbuchsen für den linken und rechten Kanal dann an den Verstärker angeschlossen, der die benötigte elektrische Leistung für den Betrieb der Lautsprecher bereitstellt. Um die störanfällige analoge Übertragungsstrecke zwischen dem DA-Umsetzer und dem Verstärker zu minimieren, wird der DA-Umsetzer entweder möglichst nahe bei dem Verstärker aufgestellt oder gar in dessen Gehäuse integriert.

Falls neben dem CD-Spieler noch weitere digitale Musikquellen, wie z. B. ein DAT-Laufwerk, vorhanden sind, dann wird jede dieser digitalen Musikquellen mit ihrem digitalen Signalausgang über Digitalkabel an zugeordnete digitale Signaleingänge einer digitalen Schaltzentrale angeschlossen, die wahlweise ei­ nen ihrer Eingänge mit einem ihrer digitalen Signalausgänge verbindet. In die­ sem Fall ist der DA-Umsetzer über ein Digitalkabel mit einem digitalen Signal­ ausgang der Schaltzentrale verbunden. Ein anderer digitaler Signalausgang der Schaltzentrale ist ebenfalls über ein Digitalkabel mit dem digitalen Signalein­ gang des DAT-Laufwerks verbunden.

Für die Übertragung der digitalen Signale zwischen den digitalen Audiokompo­ nenten haben sich zwei Hersteller von Hi-Fi-Geräten, nämlich die Firmen Sony und Philips, auf einen mit SPDIF (Abkürzung für Sony Philips Digital Inter- Face) bezeichneten Standard geeinigt, der sich auch bei den anderen Herstel­ lern durchgesetzt hat. Dieser Standard sieht vor, dass jede digitale Musikquelle das Musiksignal in Form eines bipolaren pulsdauermodulierten Digitalsignals an die entsprechende digitale Ausgangsbuchse anlegt. Dieses PDM-Signal (PDM ist die Abkürzung für Pulsdauermodulation) wird durch die Digitalkabel übertragen, die die Schaltzentrale mit den verschiedenen digitalen Audiokom­ ponenten, also beispielsweise CD-Spieler, DAT-Laufwerk, DA-Umsetzer, ver­ binden. Der DA-Umsetzer empfängt das PDM-Signal und setzt dieses in die analogen Tonsignale für den linken und rechten Verstärkerkanal um.

Obwohl die Übertragung des PDM-Signals durch die Digitalkabel aufgrund sei­ ner digitalen Natur mit im Vergleich zur analogen Übertragung hoher Qualität erfolgt, treten doch messbare und auch hörbare Veränderungen auf, deren Ent­ stehung im folgenden erklärt wird.

Das PDM-Signal setzt sich aus rechteckigen Impulsen zusammen, die ein gro­ ßes Frequenzspektrum umfassen. Somit ist eine vollständig reflexionsfreie Übertragung nicht möglich, da bei einer Änderung des Wellenwiderstands in der Übertragungsstrecke immer Wellenanteile mit einer Frequenz vorhanden sind, die zumindest teilweise reflektiert werden. Bei der Pulsdauermodulation wird der binäre Datenwert "0" durch eine vorgegebene erste Impulsbreite dar­ gestellt, der binäre Datenwert "1" hingegen durch eine vorgegebene zweite Im­ pulsbreite, die größer als die erste Impulsbreite ist. Da eine Reflexion aufgrund eines beliebigen Impulses auch den benachbarten Impuls dahingehend beein­ flusst, dass dessen Impulsbreite geändert wird, kann dies zu einer Bitinvertie­ rung (aus "0" wird "1" oder aus "1" wird "0") führen, und somit zu einem ver­ fälschten Musiksignal.

Diese Überlegungen gelten auch für andere Modulationsverfahren, wie zum Beispiel Pulsamplitudenmodulation, Pulsfrequenzmodulation und Pulsphasen­ modulation.

Die Reflexionen treten hauptsächlich an den Buchsen und Steckern auf, so dass auf deren Herstellung besonders viel Wert gelegt wird. Aber auch die Digital­ kabel selber müssen mit großer Sorgfalt hergestellt werden, um möglichst gleichförmige Bedingungen für die Wellenleitung über die Länge des Kabels zu gewährleisten. Hochwertige Hi-Fi-Digitalkabel kosten daher oft DM 100,- pro Meter und mehr, Buchsen und Stecker für diese Kabel DM 20,- und mehr.

In dem Artikel "16 auf einen Streich" von Peter Geiger, erschienen in der Zeit­ schrift "Stereo", Ausgabe 7/98, Seiten 144 bis 149, werden verschiedene Digital­ kabel getestet. Darin wird zwischen asymmetrischen und symmetrischen Digi­ talkabeln unterschieden.

Bei der asymmetrischen Variante weist das Digitalkabel zwei Leiter auf, näm­ lich einen Signalleiter und einen Masseleiter. In der Regel wird ein Koaxialka­ bel verwendet, dessen Mittelleiter als Signalleiter und dessen Schirm- oder Au­ ßenleiter als Masseleiter dient. Der Wellenwiderstand ist meist auf 75 Ω fest­ gelegt. Die Verbindung des Koaxialkabels erfolgt mit Hilfe von Cinch- oder aber BNC-Steckverbindern.

Bei der symmetrischen Variante hingegen weist das Digitalkabel drei Leiter auf, nämlich zwei Signalleiter und einen gemeinsamen Masseleiter, die in der Regel miteinander verdrillt sind. Die Signalspannung wird an den ersten Si­ gnalleiter unverändert angelegt, an den zweiten Signalleiter hingegen mit um­ gekehrter Polung. Der Wellenwiderstand ist meist auf 110 Ω festgelegt. Die Verbindung des symmetrischen Digitalkabels erfolgt mit Hilfe von AES/EBU- oder XLR-Steckverbindern.

In dem obengenannten Artikel wird festgestellt, dass die verschiedenen geteste­ ten Digitalkabel unterschiedlich klingen.

Die Tatsache, dass selbst die Übertragung des PDM-Signals mit Hilfe dieser ausgefeilten Kabel, Stecker und Buchsen zu einer Veränderung des PDM- Signals führt, lässt sich mit Hilfe eines Oszilloskops sichtbar machen. Hierzu wird das Oszilloskop an den digitalen Ausgang eines CD-Spielers angeschlos­ sen, und sobald dieser digitale Ausgang über ein Kabel mit dem digitalen Ein­ gang eines DA-Umsetzers, der nach dem SPDIF-Standard aufgebaut ist, ver­ bunden wird, ist eine Verformung der zuvor rechteckigen Impulse des PDM- Signals zu erkennen. Dabei hat sich herausgestellt, dass die Kabel der ver­ schiedenen Hersteller unterschiedliche Verformungen aufweisen, wodurch die bereits beobachteten Klangunterschiede zwischen den Kabeln erklärt werden.

Diese Probleme treten nicht nur bei der Übertragung von digitalen Musiksi­ gnalen gemäß dem SPDIF-Standard auf, sondern auch in anderen Anwen­ dungsbereichen, wie zum Beispiel bei der Übertragung von Daten zwischen ei­ nem Computer und den Peripheriegeräten.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Übertragungssystem für Digitalsignale zur Verfügung zu stellen, das eine bessere Übertragungsqualität bietet und die Abhängigkeit von dem verwendeten Kabel verringert.

Diese Aufgabe wird durch ein Übertragungssystem für Digitalsignale von einem digitalen Ausgang einer Nachrichtenquelle zu einem digitalen Eingang einer Nachrichtensenke gelöst, mit: einem Sendemodul, das mit seinem Eingang an den digitalen Ausgang der Nachrichtenquelle angeschlossen ist, zwei Ausgänge aufweist und so ausgebildet ist, dass an den beiden Ausgängen in Abhängigkeit vom ursprünglichen Digitalsignal zwei Impulsfolgen erzeugt werden, indem am ersten Ausgang immer dann ein Impuls erzeugt wird, wenn das Digitalsignal eine steigende Flanke aufweist, und am zweiten Ausgang immer dann ein Im­ puls erzeugt wird, wenn das Digitalsignal eine fallende Flanke aufweist; zwei Leitungen, von denen eine mit dem ersten Ausgang und die andere mit dem zweiten Ausgang verbunden ist; und einem Empfangsmodul, das mit seinem Ausgang an den digitalen Eingang der Nachrichtensenke angeschlossen ist, zwei Eingänge, von denen einer mit der ersten Leitung und der andere mit der zweiten Leitung verbunden ist, aufweist und so ausgebildet ist, dass am Aus­ gang in Abhängigkeit von den beiden Impulsfolgen ein rekonstruiertes Digital­ signal erzeugt wird, das dem ursprünglichen Digitalsignal entspricht.

Das Sendemodul erzeugt somit zwei Impulsfolgen, die jeweils nur die steigen­ den bzw. nur die fallenden Flanken des ursprünglichen Digitalsignals repräsen­ tieren. Dadurch werden die Abstände (Totzeit) zwischen zwei benachbarten Im­ pulsen in derselben Impulsfolge im Vergleich zu den Abständen (Totzeiten) zwi­ schen zwei benachbarten Rechteckimpulsen im ursprünglichen Digitalsignal vergrößert, so dass der störende Einfluss durch Reflexion eines Impulses auf den benachbarten Impuls verringert wird. Unter Totzeit bzw. Abstand zwischen zwei Impulsen wird hier die Zeitdifferenz zwischen der fallenden Flanke eines Impulses und der steigenden Flanke des nachfolgenden Pulses verstanden. Es findet somit eine zeitliche Entkopplung zwischen den steigenden und den fal­ lenden Flanken des Originalsignals statt.

Außerdem wird eine räumliche Entkopplung dadurch bewirkt, dass die beiden Impulsfolgen über zwei verschiedene Leitungen übertragen werden. Dadurch wird die Beeinflussung der einen Impulsfolge durch die andere Impulsfolge weitgehend ausgeschlossen. Im Empfangsmodul erfolgt schließlich die Rekon­ struktion des digitalen Datensignals aus den beiden Impulsfolgen. Dies ist möglich, da die Amplitude des ursprünglichen Datensignals, also die Höhe der Rechteckimpulse, konstant ist und die Information durch den zeitlichen Ab­ stand zwischen zwei benachbarten Flanken codiert wird. Die zu diesen Flanken gehörenden Zeitpunkte sind aber auch in den beiden Impulsfolgen enthalten und eindeutig miteinander verknüpft.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen be­ schrieben.

Wenn das ursprüngliche Digitalsignal als pulsdauermoduliertes, pulsfrequenz­ moduliertes oder pulsphasenmoduliertes Signal vorliegt, dann ist das Emp­ fangsmodul bevorzugt so ausgebildet, dass an seinen Ausgang immer dann ein H-Pegel angelegt und gehalten wird, wenn an seinem ersten Eingang ein Im­ puls ankommt, und an seinen Ausgang immer dann ein L-Pegel angelegt und gehalten wird, wenn an seinem zweiten Eingang ein Impuls ankommt. Dadurch wird erreicht, dass das am Ausgang des Empfangsmoduls anliegende rekon­ struierte Digitalsignal dem ursprünglichen Digitalsignal entspricht. Zu diesem Zweck umfasst das Empfangsmodul vorteilhafterweise ein RS-Flip-Flop, dessen S-Eingang mit dem ersten Eingang des Empfangsmoduls und dessen R-Eingang mit dem zweiten Eingang des Empfangsmoduls und dessen Ausgang mit dem Ausgang des Empfangsmoduls verbunden ist. Mit Hilfe des RS-Flip-Flops wird verhindert, dass Störsignale an den Ausgang weitergeleitet werden. Wenn nämlich beispielsweise das RS-Flip-Flop durch einen Impuls auf der ersten Lei­ tung gesetzt wird (d. h. am Ausgang liegt ein H-Pegel an), dann bleibt dieser Zu­ stand selbst dann erhalten, wenn über die erste Leitung ein weitere Impuls oder Störsignale den S-Eingang erreichen oder wenn Störungen auf der zweiten Leitung zum R-Eingang gelangen, die so schwach sind, dass sie das Löschen des RS-Flip-Flops (d. h. am Ausgang liegt ein L-Pegel an) nicht auslösen können. Erst wenn ein Impuls über die zweite Leitung den R-Eingang erreicht, wird das RS-Flip-Flop gelöscht. Diese zuvor beschriebene Entprellung des auf den H- Pegel gesetzten Ausgangs von Störungen auf den beiden Leitungen gilt entspre­ chend auch für den umgekehrten Fall des auf den L-Pegel gesetzten Ausgangs.

Vorteilhafterweise erzeugt das Sendemodul invertierte Impulse an den beiden Ausgängen. Denn dadurch wird eine größere Toleranzbreite für eventuelle Re­ flexionen erzielt. Wenn in diesem Fall das Empfangsmodul wie zuvor beschrie­ ben ein RS-Flip-Flop umfasst, dann ist bevorzugt vor dessen S-Eingang und R- Eingang jeweils ein Inverter geschaltet.

Es wird bevorzugt, dass die Impulsdauer der beiden Impulsfolgen kürzer als die Taktdauer des ursprünglichen Digitalsignals ist. Hierdurch wird die zeitliche Entkopplung verbessert.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Übertragungssystems besteht darin, dass an die beiden Leitungen nicht so hohe Ansprüche gestellt werden müssen. So können beispielsweise einfache Koaxialkabel oder verdrillte Kabel verwendet werden, solange ihre Übertragungsrate ausreichend hoch ist; ihre Fähigkeit, die Form der einzelnen Impulse möglichst wenig zu verändern, ist hingegen weniger wichtig.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der beigefüg­ ten Zeichnungen näher beschrieben.

Fig. 1 ist ein schematisches Blockbild, das in einer Übersicht den Auf­ bau eines Übertragungssystems für Digitalsignale darstellt;

Fig. 2 ist ein Funktionsplan, der das Übertragungssystems der Fig. 1 in einer ersten Ausführungsform darstellt;

Fig. 3a-3i sind Zeitablaufdiagramme, die den Zeitverlauf der Signale an ver­ schiedenen Stellen des Schaltplans der Fig. 2 darstellen;

Fig. 4 ist ein Funktionsplan, der das Übertragungssystems der Fig. 1 in einer zweiten Ausführungsform darstellt; und

Fig. 5a-5i sind Zeitablaufdiagramme, die den Zeitverlauf der Signale an ver­ schiedenen Stellen des Schaltplans der Fig. 4 darstellen.

Die Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau eines Übertragungssystems 10 für digitale Musiksignale von einem CD-Spieler 12 zu einem DA-Umsetzer 14. Der CD-Spieler 12 weist einen Ausgang 16 auf, an den er ein digitales Musiksignal im SPDIF-Standard anlegt. Der CD-Spieler 12 ist ein Beispiel für eine Nach­ richtenquelle, der DA-Umsetzer 14 ist ein Beispiel für eine Nachrichtensenke, und das vom CD-Spieler 12 abgegebene Musiksignal im SPDIF-Standard ist ein Beispiel für ein PDM-Signal. Dieses Musiksignal weist eine Datenrate von un­ gefähr 2,8 Mbit/s auf. Der DA-Umsetzer 14 weist einen Eingang 18 auf, über den er das von dem CD-Spieler 12 abgegebene digitale Musiksignal nach dem SPDIF-Standard empfängt, und er wandelt dieses in analoge Musiksignale für den linken und rechten Stereokanal eines Verstärkers (nicht dargestellt) um.

Das Übertragungssystems 10 umfasst ein Sendemodul 20, ein Empfangsmodul 22 und zwei Leitungen 24, 26. Der Eingang 28 des Sendemoduls 20 ist mit dem Ausgang 16 des CD-Spielers 12 verbunden, der Ausgang 30 des Empfangsmo­ duls 22 hingegen mit dem Eingang 18 des DA-Umsetzers 14. Dies kann mit Hil­ fe von zwei kurzen herkömmlichen Digitalkabeln 32, 34 erfolgen, wie sie bisher schon für die direkte Verbindung zwischen CD-Spieler 12 und DA-Umsetzer 14 verwendet wurden. Die Verbindung zwischen den Digitalkabeln 32, 34 und den verschiedenen Ein- und Ausgängen 16, 28, 30, 18 erfolgt durch herkömmliche Steckverbinder, wobei die Stecker an den Enden der Digitalkabel 32, 34 und die Buchsen an den verschiedenen Ein- und Ausgängen 16, 28, 30, 18 angebracht sind.

An Stelle der Verbindung mit Hilfe der kurzen Digitalkabel 32, 34 gemäß Fig. 1 kann das Übertragungssystem 10 auch direkt an den CD-Spieler 12 und den DA-Umsetzer 14 angeschlossen sein (nicht dargestellt). In diesem Fall sind die Stecker am Eingang 28 und Ausgang 30 des Übertragungssystems 10 ange­ bracht.

Das Sendemodul 20 wandelt das von dem CD-Spieler 12 stammende ursprüng­ liche digitale Musiksignal U_orig in zwei separate Impulsfolgen S, R um, von de­ nen die eine Impulsfolge S die steigenden Flanken und die andere Impulsfolge R die fallenden Flanken des Musiksignals U_orig repräsentiert. Das Sendemodul 20 weist einen ersten Impulsausgang 36, an dem die Impulsfolge S anliegt, und einen zweiten Impulsausgang 38 auf, an dem die Impulsfolge R anliegt.

Das Empfangsmodul 22 weist entsprechend zwei Impulseingänge 40, 42 auf. Die erste Leitung 24 des Übertragungssystems 10 verbindet den ersten Impuls­ ausgang 36 mit dem ersten Impulseingang 40, und die zweite Leitung 26 ver­ bindet den zweiten Impulsausgang 38 mit dem zweiten Impulseingang 42. Die beiden Leitungen 24, 26 überbrücken die eigentliche Entfernung zwischen dem CD-Spieler 12 und dem DA-Umsetzer 14. Das Empfangsmodul 22 wandelt die beiden getrennt durch die Leitungen 24, 26 übertragenen Impulsfolgen S, R wieder ein digitales Musiksignal nach dem SPDIF-Standard um und legt dieses rekonstruierte Musiksignal U_rek, das dem ursprünglichen Musiksignal U_orig entspricht, an seinen mit dem DA-Umsetzer 14 verbundenen Ausgang 30 an.

Für die beiden Leitungen 24, 26 werden herkömmliche verdrillte Kabel (in den Fig. 2 und 4 durch die beiden Adernpaare 24'-24" und 26'-26" dargestellt) der Kategorie 5 (d. h. geeignet für eine Datenrate bis 100 Mbit/s) oder höher ver­ wendet, die von lokalen Netzwerken bekannt und auch als Twisted-Pair-Kabel bezeichnet sind. Derartige verdrillte Kabel sind schon für weniger als DM 5,- erhältlich.

An Stelle von verdrillten Kabeln können auch beispielsweise Koaxialkabel (nicht dargestellt) verwendet werden, die oft eine bessere Bitfehlerrate bieten, aber in der Regel auch teurer sind.

In der Fig. 2 ist eine erste Ausführungsform des Übertragungssystems 10 der Fig. 1 in einem Funktionsplan detaillierter dargestellt, die Fig. 3a bis 3i zei­ gen schematisch den Zeitverlauf der entsprechenden Musiksignale an verschie­ denen markanten Stellen.

Diese erste Ausführungsform des Übertragungssystems 10 ist so konstruiert, dass für den Anschluss an den Ausgang 16 des CD-Spielers 12 und an den Ein­ gang 18 des DA-Umsetzers 14 herkömmliche Koaxialkabel als Digitalkabel 32, 34 (vgl. Fig. 1) verwendet werden können.

Gemäß Fig. 2 weist der Eingang 28 des Sendemoduls 20 zwei Kontakte auf, an denen das ursprüngliche Musiksignal U_orig anliegt. Der untere Kontakt ist di­ rekt und der obere Kontakt über einen Eingangswiderstand 44 zur Masse ge­ führt. An den unteren Kontakt wird der Außenleiter des in Fig. 1 linken Koa­ xialkabels 32 angeschlossen, an den oberen Kontakt dessen Mittelleiter. Der Eingangswiderstand 44 ist an den Ausgangswiderstand des CD-Spielers 12 an­ gepasst und hat daher im vorliegenden Fall der Verbindung mit Hilfe eines 75 Ohm-Koaxialkabels 32 gemäß dem SPDIF-Standard einen Widerstandswert von 75 Ω.

Das Sendemodul 20 weist zudem einen Operationsverstärker 46, zwei Verzöge­ rungsglieder 48, 50 (beispielsweise jeweils in Form eines RC-Tiefpasses), zwei UND-Gatter 52, 54 und zwei Leitungstreiber 56, 58 (beispielsweise vom Typ 74AS230) auf. Der Operationsverstärker 46 ist an seinem nichtinvertierenden Eingang mit dem oberen Kontakt und an seinem invertierender Eingang mit Masse verbunden. Der Operationsverstärker 46 weist im dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel zwei komplementäre Ausgänge (die weiteren Anschlüsse für die positive und die negative Betriebsspannung, usw. sind wegen der besseren Übersichtlichkeit nicht eingezeichnet) auf, wie dies beispielsweise beim Typ LT 1016 der Fall ist. Der invertierende Ausgang ist zum einen über das erste Verzögerungsglied 48 mit einem Eingang des ersten UND-Gatters 52 und zum anderen mit einem Eingang des zweiten UND-Gatters 54 verbunden. Der nichtinvertierende Ausgang hingegen ist zum einen über das zweite Verzöge­ rungsglied 50 mit dem anderen Eingang des zweiten UND-Gatters 54 und zum anderen mit dem anderen Eingang des ersten UND-Gatters 52 verbunden. Der Ausgang des ersten UND-Gatters 52 ist über den ersten Leitungstreiber 56 mit einer Ader 24' (Signalleiter) der ersten Leitung 24 verbunden, deren andere Ader 24" (Masseleiter) an Masse liegt. Entsprechend ist der Ausgang des zwei­ ten UND-Gatters 54 über den zweiten Leitungstreiber 58 mit einer Ader 26' (Signalleiter) der zweiten Leitung 26 verbunden, deren andere Ader 26" (Masseleiter) an Masse liegt. Die Ausgänge der Leitungstreiber 56, 58 bilden die Impulsausgänge 36, 38 des Sendemoduls 20. Ihr Verstärkungsfaktor wird in Abhängigkeit von der Länge der Leitungen 24, 26 eingestellt.

Das Empfangsmodul 22 ist mit seinen beiden Impulseingängen 40, 42 dadurch an den beiden Leitungen 24, 26 angeschlossen, dass bei jeder Leitung 24 bzw. 26 die beiden Adern 24', 24" bzw. 26', 26" durch jeweils einen Eingangswider­ stand 60 miteinander verbunden sind. Diese Eingangswiderstände 60 dienen zur Anpassung an den Wellenwiderstand der Leitungen 24, 26.

Das Empfangsmodul 22 weist zudem ein RS-Flip-Flop 62, einen Umkehrver­ stärker 64, einen Ausgangswiderstand 66 auf. Das RS-Flip-Flop 62 ist an sei­ nem S-Eingang (Setzen) mit der einen Ader 24' der ersten Leitung 24 und an seinem R-Eingang (Rücksetzen) mit der einen Ader 26' der zweiten Leitung 26 verbunden. Sein Q-Ausgang ist mit dem Eingang des Umkehrverstärkers 64 verbunden, sein Q-Ausgang hingegen wird nicht verwendet.

Der Umkehrverstärker 64 weist einen Operationsverstärker 68 (beispielsweise vom Typ AD8001AN), einen Vorschaltwiderstand 70 mit dem Widerstandswert R1, einen Rückkopplungswiderstand 72 mit dem Widerstandswert R2 und zwei Querwiderstände 74, 76 mit den Widerstandswerten R3 bzw. R4 auf. Der inver­ tierende Eingang des Operationsverstärkers 68 ist zum einen über den Vor­ schaltwiderstand 70 mit dem Q-Ausgang des RS-Flip-Flops 62 und zum ande­ ren über den Rückkopplungswiderstand 72 mit dem Ausgang des Operations­ verstärkers 68 verbunden. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsver­ stärkers 68 hingegen ist zum einen über den ersten Querwiderstand 74 mit ei­ ner +5 V-Betriebsspannung und zum anderen über den zweiten Querwider­ stand 76 mit einer -5 V-Betriebsspannung verbunden. Der Verstärkungsfaktor des Umkehrverstärkers 64 ergibt sich aus dem Widerstandsverhältnis R1/R2. Das Widerstandsverhältnis R3/R4 bestimmt die Schwellenspannung des Opera­ tionsverstärkers 68 und sorgt für eine Verschiebung des Nullpunkts des vom RS-Flip-Flop 62 abgegebenen TTL-Signals, so dass am Ausgang des Umkehr­ verstärkers 64, der durch den Ausgang des Operationsverstärkers 68 gebildet wird, ein bipolares Signal anliegt, wie weiter unter näher beschrieben wird. Als bipolares Signal wird hier ein Signal bezeichnet, bei dem der L-Pegel und der H-Pegel denselben absoluten Spannungsbetrag, jedoch entgegengesetzte Vorzei­ chen oder Polaritäten haben. Gemäß dem SPDIF-Standard liegt beispielsweise der L-Pegel bei -1 V und der H-Pegel bei +1 V. Im Unterschied dazu ist bei­ spielsweise ein TTL-Signal unipolar, da keine negativen Signalwerte vorgese­ hen sind.

Der Ausgang 30 des Empfangsmoduls 22 weist wie der Eingang 28 des Sende­ moduls 20 zwei Kontakte auf, an denen das rekonstruierte Musiksignal U_rek anliegt. Der obere Kontakt ist über den Ausgangswiderstand 66 mit dem Aus­ gang des Umkehrverstärkers 64 verbunden, und der untere Kontakt ist zur Masse geführt. An den unteren Kontakt wird der Außenleiter des in Fig. 1 rechten Koaxialkabels 34 angeschlossen, an den oberen Kontakt dessen Mittel­ leiter. Der Ausgangswiderstand 66 ist an den Eingangswiderstand des DA- Umsetzers 14 angepasst und hat daher im vorliegenden Fall der Verbindung mit Hilfe eines 75 Ohm-Koaxialkabels 34 gemäß dem SPDIF-Standard einen Widerstandswert von 75 Ω.

Die Funktionsweise des in der Fig. 2 dargestellten Übertragungssystems 10 wird im folgenden an Hand der in den Fig. 3a bis 3i schematisch gezeigten Si­ gnale erklärt.

In der Fig. 3a ist das ursprüngliche digitale Musiksignal U_orig in einer für den SPDIF-Standard typischen Form dargestellt, wie es am Ausgang 16 des CD- Spielers 12 bzw. am Eingang 28 des Sendemoduls 20 anliegt. Es ist ein PDM- Signal mit einer Datenrate von ungefähr 2,8 Mbit/s, so dass seine Taktfrequenz bei ungefähr 2,8 MHz liegt. Dieser Taktfrequenz entspricht eine Taktdauer T von ungefähr 360 ns. Die Taktdauer T ist durch den zeitlichen Abstand zwi­ schen zwei benachbarten steigenden Flanken definiert.

Der binäre Wert "1" ist durch einen Rechteckimpuls kodiert, dessen Dauer ei­ nem vorbestimmten Anteil, hier beispielsweise 3/4, der Taktdauer T entspricht. Der binäre Wert "0" hingegen ist durch einen Rechteckimpuls kodiert, dessen Dauer einem deutlich kleineren vorbestimmten Anteil, hier beispielsweise 1/4, der Taktdauer T entspricht. Diese Anteile von 3/4 und 1/4 wurden lediglich ausgewählt, um das Prinzip der Kodierung der binären Werte "1" und "0" in ei­ nem PDM-Signal einfacher erklären zu können; die tatsächlichen Beträge die­ ser Anteile, die beispielsweise gemäß dem SPDIF-Standard vorgeschrieben sind, sind für das Verständnis der Funktionsweise der Erfindung nicht unbe­ dingt erforderlich.

In dem hier dargestellten Signalausschnitt sind ein langer und zwei kurze Rechteckimpulse enthalten, so dass in ihm die Bitfolge "100" kodiert ist.

In Fig. 3a sind zudem die Totzeiten τ₁ und τ₀ für die binären Werte "1" bzw. "0" eingezeichnet. Unter Totzeit wird hier die Zeitdauer verstanden, während der sich das Signal in einem einzelnen Takt auf dem L-Pegel befindet, also der zeit­ liche Abstand zwischen der fallenden Flanke eines Rechteckimpulses und der steigenden Flanke des direkt nachfolgenden Rechteckimpulses. Sie ist die Diffe­ renz zwischen Taktdauer T und der Dauer des entsprechenden Rechteckimpul­ ses.

Hier gilt somit für den binären Wert "1":

τ₁ = 1/4 . T ≈ 90 ns

und für den binären Wert "0":

τ₀ = 3/4 . T ≈ 270 ns

Folglich ist τ₁ die kleinere der beiden Totzeiten für diese Kodierung.

In der Fig. 3b ist das Signal Q1 am nichtinvertierenden Ausgang des Operati­ onsverstärkers 46 dargestellt.

In der Fig. 3c ist das Signal Q1 am invertierenden Ausgang des Operations­ verstärkers 46 dargestellt. Es ist komplementär zu dem Signal Q.

In der Fig. 3d ist das Signal D1 am Ausgang des ersten Verzögerungsglieds 48 dargestellt. Es ist um eine vorbestimmte erste Verzögerungszeit, die hier 20 ns beträgt und somit unter der kleineren Totzeit τ₁ und auch unter der Dauer des Rechteckimpulses für den binären Wert "0" liegt, gegenüber dem Signal Q1 ver­ schoben.

In der Fig. 3e ist das Signal D2 am Ausgang des zweiten Verzögerungsglieds 50 dargestellt. Es ist um eine vorbestimmte zweite Verzögerungszeit, die hier ebenfalls 20 ns beträgt, gegenüber dem Signal Q1 verschoben. Die Verzöge­ rungszeiten der beiden Verzögerungsglieder 48, 50 müssen nicht gleich sein, sondern können auch voneinander abweichen.

In der Fig. 3f ist das Signal S am Ausgang des ersten UND-Gatters 52 darge­ stellt. Es ist eine Folge von kurzen Impulsen, die in regelmäßigen zeitlichen Ab­ ständen zueinander liegen. Die Impulsfolge S weist somit nur eine Totzeit auf. Die Dauer eines jeden Impulses entspricht der ersten Verzögerungszeit, so dass die Totzeit über der größeren Totzeit τ₀ des ursprünglichen Signals U_orig liegt und hier ungefähr 340 ns beträgt. Die Impulse des Signals S sind zu den stei­ genden Flanken des ursprünglichen Signals U_orig im wesentlichen synchron.

In der Fig. 3g ist das Signal R am Ausgang des zweiten UND-Gatters 54 darge­ stellt. Es ist wie das Signal S eine Folge von kurzen Impulsen, die jedoch in un­ terschiedlichen zeitlichen Abständen zueinander liegen, die von der Bitfolge im ursprünglichen Signal U_orig abhängen. Die Impulsfolge R weist somit verschie­ dene Totzeiten auf, von denen die kürzeste als minimale Totzeit τ_min einge­ zeichnet ist. Diese tritt jeweils bei der Bitfolge "10" im ursprünglichen Signal U_orig auf. Die Dauer eines jeden Impulses entspricht der zweiten Verzöge­ rungszeit, so dass die minimale Totzeit τ_min zwar unter der größeren Totzeit τ_{0 ,} aber über der kleineren Totzeit τ₁ des ursprünglichen Signals U_orig und auch über der Dauer des Rechteckimpulses für den binären Wert "0" liegt und hier ungefähr 160 ns beträgt. Die Impulse des Signals R sind zu den fallenden Flan­ ken des ursprünglichen Signals U_orig im wesentlichen synchron.

In der Fig. 3h ist das Signal Q am invertierenden Ausgang des RS-Flip-Flops 62 dargestellt. Das RS-Flip-Flop 62 vereinigt die beiden auf den Leitungen 24, 26 getrennt übertragenen Impulsfolgen S, R wieder zu einem PDM-Signal.

Falls die Impulse der Impulsfolgen S, R bei der Ankunft an den Impulseingän­ gen 40, 42 von der idealen Form, wie sie in Fig. 3f und 3g wiedergegeben ist, abweichen sollten, was durch äußere Störungen und Reflexionen oder wegen des Auseinanderlaufens auf Grund einer größeren Laufzeit bei längeren Lei­ tungen 24, 26 hervorgerufen werden kann, so wird doch das PDM-Signal Q ordnungsgemäß durch das RS-Flip-Flop 62 erzeugt. Denn für die Funktionswei­ se des RS-Flip-Flops 62, also Setzen (d. h. der Q-Ausgang kippt auf den L- Pegel), Rücksetzen (d. h. der Q-Ausgang kippt auf den H-Pegel) und Halten (d. h. der Zustand am Q-Ausgang bleibt unverändert), ist die genaue Form der an dem S- und dem R-Eingang ankommenden einzelnen Impulse im wesentli­ chen ohne Bedeutung. Um die gewünschte Kippfunktion (Setzen/Rücksetzen) auszulösen, ist es nur erforderlich, dass ein Impuls auf der entsprechenden Lei­ tung (24/26) wenigstens einmal einen Schwellwert überschreitet. Dieser Schwellwert ist durch den verwendeten Typ des RS-Flip-Flops 62 vorgegeben.

Die Signale der Fig. 3b bis 3h entsprechen dem TTL-Standard.

In der Fig. 3i ist das gemäß dem SPDIF-Standard rekonstruierte digitale Mu­ siksignal U_rek dargestellt, wie es am Ausgang 30 des Empfangsmoduls 22 bzw. am Eingang 18 des DA-Umsetzers 14 anliegt. Die Form dieses rekonstruierten Signals U_rek ist durch Störungen, die möglicherweise bei der Übertragung der Impulsfolgen S, R durch die Leitungen 24, 26 aufgetreten sind, kaum beein­ trächtigt und entspricht daher dem ursprünglichen Signal U_orig sehr weitge­ hend.

In der Fig. 4 ist eine zweite Ausführungsform des Übertragungssystems 10 der Fig. 1 in einem Funktionsplan detaillierter dargestellt, die Fig. 5a bis 5i zei­ gen schematisch den Zeitverlauf der entsprechenden Musiksignale an den Stellen, die denen der Fig. 3a bis 3i entsprechen. Diese zweite Ausführungs­ form stimmt weitgehend mit der ersten Ausführungsform gemäß Fig. 2 über­ ein, daher werden im folgenden nur die Unterschiede beschrieben.

Gemäß Fig. 4 sind die beiden UND-Gatter 52, 54 des Sendemoduls 20 in der ersten Ausführungsform durch zwei NAND-Gatter 78, 80 (beispielsweise vom Typ 74AS00) mit invertierendem Ausgang ersetzt. Die Signale an den Ausgän­ gen der NAND-Gatter 78, 80 sind gemäß Fig. 5f und 5g komplementär zu den entsprechenden Signalen 5 und R gemäß Fig. 3f und 3g und folglich auch mit S und R bezeichnet.

Zum Ausgleich ist das RS-Flip-Flop 62 des Empfangsmoduls 22 in der ersten Ausführungsform durch ein RS-Flip-Flop 82 (beispielsweise vom Typ 74AS74) mit zwei invertierenden Eingänge (als S-Eingang und R-Eingang bezeichnet) ersetzt. Das Signal Q an seinem invertierenden Ausgang stimmt gemäß Fig. 5h somit wieder mit dem Signal Q gemäß Fig. 3h überein.

Falls für den Anschluss des Übertragungssystems 10 an den Ausgang 16 des CD-Spielers 12 und an den Eingang 18 des DA-Umsetzers 14 herkömmliche symmetrische Kabel als Digitalkabel 32, 34 (vgl. Fig. 1) verwendet werden sol­ len, dann können die beiden Ausführungsformen der Fig. 2 und 4 wie folgt an­ gepaßt werden. Für den Eingangswiderstand 44 des Sendemoduls 20 wird ein Widerstandswert von 110 Ω gewählt, der dem Wellenwiderstand des symmetri­ schen Kabels 32 entspricht. Auf der Eingangsseite wird der obere Kontakt an denjenigen Signalleiter des in Fig. 1 linken symmetrischen Kabels 32 ange­ schlossen, der das unveränderte Signal trägt. Der andere Signalleiter, der also das Signal in umgekehrter Polung trägt, endet hingegen blind, da es hier nicht unbedingt benötigt wird.

Auf der Ausgangsseite wird der obere Kontakt an denjenigen Signalleiter des in Fig. 1 rechten symmetrischen Kabels 34 angeschlossen, der das unveränderte Signal trägt. Für den Ausgangswiderstand 66 des Empfangsmoduls 22 wird ein Widerstandswert von 110 Ω gewählt, der dem Wellenwiderstand des symmetri­ schen Kabels 34 entspricht. Außerdem ist ein zweiter Umkehrverstärker vorge­ sehen, der wie der Umkehrverstärker 64 aufgebaut ist. Allerdings ist dieser zweite Umkehrverstärker nicht wie der erste Umkehrverstärker 64 mit dem Q- Ausgang des RS-Flip-Flops 62 bzw. RS-Flip-Flops 82, sondern mit dessen Q- Ausgang verbunden. Der Ausgang des zweiten Umkehrverstärkers ist über ei­ nen zweiten Ausgangswiderstand von 110 Ω mit einem dritten Kontakt verbun­ den. Dieser dritte Kontakt ist schließlich an denjenigen Signalleiter des in Fig. 1 rechten symmetrischen Kabels 32 angeschlossen, der das Signal in um­ gekehrter Polung trägt.

Das Übertragungssystem 10 ist nicht nur für die Übertragung von PDM- Signalen, wie zum Beispiel von digitalen Musiksignalen gemäß SPDIF- Standard, geeignet, sondern auch für pulsfrequenz- und pulsphasenmodulierte Signale. Denn auch bei diesen Signalen ist die Information nicht in der Ampli­ tude, sondern in der zeitlichen Abfolge der steigenden und fallenden Flanken der einzelnen Rechteckimpulse enthalten. Diese zeitliche Abfolge wird von dem RS-Flip-Flop 62 bzw. RS-Flip-Flop 82 bei gleichbleibender Amplitude wieder hergestellt.

BEZUGSZEICHENLISTE

10

Übertragungssystem

12

CD-Spieler

14

DA-Umsetzer

16

Ausgang des CD-Spielers

18

Eingang des DA-Umsetzers

20

Sendemodul

22

Empfangsmodul

24

,

26

Leitungen

24

',

24

" Adern der ersten Leitung

26

',

26

" Adern der zweiten Leitung

28

Eingang des Sendemoduls

30

Ausgang des Empfangsmoduls

32

,

34

Digitalkabel

36

,

38

Impulsausgänge des Sendemoduls

40

,

42

Impulseingänge des Empfangsmoduls

44

Eingangswiderstand des Sendemoduls

46

Operationsverstärker

48

,

50

Verzögerungsglieder

52

,

54

UND-Gatter

56

,

58

Leitungstreiber

60

Eingangswiderstände des Empfangsmoduls

62

RS-Flip-Flop

64

Umkehrverstärker

66

Ausgangswiderstand

68

Operationsverstärker

70

Vorschaltwiderstand

72

Rückkopplungswiderstand

74

,

76

Querwiderstände

78

,

80

NAND-Gatter

82 RS

-Flip-Flop

Claims (8)

1. Übertragungssystem für Digitalsignale von einem digitalen Ausgang (16) einer Nachrichtenquelle (12) zu einem digitalen Eingang (18) einer Nachrich­ tensenke (14), mit:

• 1. einem Sendemodul (20), das mit seinem Eingang (28) an den digitalen Ausgang (16) der Nachrichtenquelle (12) angeschlossen ist, einen ersten Ausgang (36) aufweist und so ausgebildet ist, dass an dem ersten Ausgang (36) in Abhängigkeit vom ursprünglichen Digitalsignal (U_orig) eine erste Impulsfolge (S; S) erzeugt wird, indem am ersten Ausgang (36) immer dann ein Impuls erzeugt wird, wenn das Digitalsignal (U_orig) eine stei­ gende Flanke aufweist;
• 2. einer ersten Leitung (24), die mit dem ersten Ausgang (36) verbunden ist; und
• 3. einem Empfangsmodul (22), das mit seinem Ausgang (30) an den digitalen Eingang (18) der Nachrichtensenke (14) angeschlossen ist, einen ersten Eingang (40), der mit der ersten Leitung (24) verbunden ist, aufweist und so ausgebildet ist, dass am Ausgang (30) in Abhängigkeit von der ersten Impulsfolge (S, S) ein rekonstruiertes Digitalsignal (U_rek) erzeugt wird, das dem ursprünglichen Digitalsignal (U_orig) entspricht.

dadurch gekennzeichnet, dass:

• 1. das Sendemodul (20) einen zweiten Ausgang (38) aufweist und so ausge­ bildet ist, dass an dem zweiten Ausgang (38) in Abhängigkeit vom ur­ sprünglichen Digitalsignal (U_orig) eine zweite Impulsfolge (R; R) erzeugt wird, indem am zweiten Ausgang (38) immer dann ein Impuls erzeugt wird, wenn das Digitalsignal (U_orig) eine fallende Flanke aufweist;
• 2. eine zweite Leitung (26) vorgesehen ist, die mit dem zweiten Ausgang (38) verbunden ist; und
• 3. das Empfangsmodul (22) einen zweiten Eingang (42), der mit der zweiten Leitung (26) verbunden ist, aufweist und so ausgebildet ist, dass am Aus­ gang (30) in Abhängigkeit von den beiden Impulsfolgen (S, R; S, R) ein rekonstruiertes Digitalsignal (U_rek) erzeugt wird, das dem ursprünglichen Digitalsignal (U_orig) entspricht.

2. Übertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das ursprüngliche Digitalsignal (U_orig) als pulsdauermoduliertes, pulsfre­ quenzmoduliertes oder pulsphasenmoduliertes Signal vorliegt, und dass das Empfangsmodul (22) so ausgebildet ist, dass an den Ausgang (30) immer dann ein H-Pegel angelegt wird, wenn am ersten Eingang (40) ein Impuls ankommt, und an den Ausgang (30) immer dann ein L-Pegel angelegt wird, wenn am zwei­ ten Eingang (42) ein Impuls ankommt.

3. Übertragungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Empfangsmodul (22) ein RS-Flip-Flop (62, 82) umfasst, dessen S-Eingang mit dem ersten Eingang (40) des Empfangsmoduls (22) und dessen R-Eingang mit dem zweiten Eingang (42) des Empfangsmoduls (22) und dessen Ausgang mit dem Ausgang (30) des Empfangsmoduls (22) verbunden ist.

4. Übertragungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sendemodul (20) invertierte Impulse (S, R) an den beiden Ausgängen (36, 38) erzeugt.

5. Übertragungssystem nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass vor den S-Eingang und den R-Eingang jeweils ein Inverter geschaltet ist.

6. Übertragungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulsdauer kürzer als die Taktdauer (T) des ur­ sprünglichen Digitalsignals (U_orig) ist.

7. Übertragungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die beiden Leitungen (24, 26) Koaxialkabel sind.

8. Übertragungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die beiden Leitungen (24, 26) verdrillte Kabel sind.