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Pulscodemodulator mit Knickkennlinien-Amplitudenwandler Die Erfindung
betrifft einen Pulscodemodulator nach dem Hauptpatent ... (Patentanmeldung vom ...
u.Z. 125-x1528) zur digitalen Codierung von Analogsignalen in einem (n + m + 1)-Bit-Code,
mit einem Amplitudenwandler, der eine Pressercharakteristik mit Knickkennlinie hat,
die aus(m + 1) linearen Abschnitten besteht, die Jeweils 2n Amplitudenstufen umfassen,
wobei der Amplitudenwandler den durch die linearen Abschnitte bestimmten Amplitudenbereichen
der Analogsignale an seinem Eingang stets einen gleichen Schwankungsbereich der
Analogsignale an seinem Ausgang zuordnet, mit einem Grobcodierer und mit einem Feincodierer
für n Bits, wobei der Amplitudenwandler einen ersten Teil und einen in Wirkungsrichtung
nur dem Feincodierer vorgeschalteten zweiten Teil hat, der durch den ersten Amplitudenwandlerteil
und/oder den Grobcodierer steuerbar ist.
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Bekannt (vgl. DT-AS 1 276708) ist bereits ein Pulscodemodulator zur
digitalen Codierung von Analogsignalen in einem (n + m + l)-Bit-Code, mit einem
Amplitudenwandler, der eine Pressercharakteristik mit Knickkennlinie hat, die aus
2(m + 1) linearen Abschnitten besteht, die jeweils 2n Amplitudenstufen umfassen,
wobei der Amplitudenwandler den durch die linearen
Abschnitte bestimmten
Amplitudenbereichen der Analogsignale an seinem Eingang stets einen gleichen Schwankungsbereich
der Analogsignale an seinem Ausgang zugeordnet, mit einem Grobcodierer und mit einem
Feincodierer für n Bits. In diesem bekannten Pulscodemodulator befindet sich am
Eingang der Amplitudenwandler, dessen erstem Ausgang der Feincodierer und dessen
zweitem Ausgang der Grobcodierer nachgeschaltet sind, wobei vom Amplitudenwandler
einerseits das umzusetzende Analogsignal mit einer durch seine Zuordnung zu einem
der linearen Abschnitte der Knickkennlinie vorgegebenen Verstärkung dem Feincodierer
und andererseits eine den gerade zur Anwendung gelangenden Verstärkungsgrad betreffende
Information dem Grobcodierer zuführbar ist.
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Der Groboodierer des bekannten Pulscodemodulators ist für r.
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Bits ausgelegt, sein Ausgangssignal gibt also an, in welchem der linearen
Abschnitte das Analogsignal liegt. Dagegen zeigt das Ausgangssignal des Feincodierers
an, welche Amplitudenstufe in dem vom Grobcodierer bestimmten linearen Abschnitt
der Knickkennlinie dem Analogsignal zuzuordnen ist.
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Die Anordnung des Amplitudenwandlers vor den beiden Codierern hat
zunächst den Nachteil, daß der Amplitudenwandler, der die Umwandlung der eingespeisten
Analogsignale entsprechend der Knickkennlinie vornimmt, noch keine Information darüber
besit zt, welchem linearen Abschnitt der Knickkennlinie das Analogsignal zuzuordnen
ist. Der Amplitudenwandler muß also im wesentlichen die Funktion des Grobcodierers
übernehmen.
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Der Amplitudenwandler des bekannten Pulscodemodulators weist insbesondere
ein von einem einzigen Entscheider gest euertes umschaltbares Netzwerk auf, das
derart bemessen ist, daß den durch die linearen Abschnitte bestimmten Amplituderibereiche
der Ansllogsignale am AmpLitudenwandlereingang stets ein gleicher
Schwankungsbereich
der Analogsignale am Amplitudenwandlerausgang zugeordnet sind. Da in den Entscheider
das Ausgangssignal des Netzwerks eingespeist wird, bilden Entscheider und Netzwerk
einen Regelkreis. Deshalb besteht die Gefahr, daß der Regelkreis instabil werden
kann. Die Gefahr von Instabilität ist besonders groß, weil der einen Regelkreis
darstellende Amplitudenwandler ein unstetiges Übertragungsverhalten entsprechend
der Knickkennlinie und den Umschaltvorgängen hat. Ein kurzer Überschwinger nach
einem Umschaltvorgang kann also dazu führen, daß ein weiterer Umschaltvorgang versehentlich
eingeleitet wird, so daß eine nicht rückgängig zu machende Falscheinstellung des
Amplitudenwandlers und gleichzeitig eine falsche Bitkombination am Ausgang des Grobcodierers
die Folge sind.
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Da nur ein einziger Entscheider vorgesehen ist, sind zur endgültigen
Einstellung des Amplitudenwandlers bis zu 2m-1 aufeinander folgende Einstellvorgänge
des Amplitudenwandlers notwendig, was zu einer großen Codierzeit führt.
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In der erwähnten Literaturstelle sind zwei Ausführungen des Netzwerks
des Amplitudenwandlers genauer beschrieben.
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Gemäß der einen Ausführung muß ein zu codierendes Spannungssignal
in einen dazu proportionalen Strom umgesetzt werden, der in einen Spannungsteiler
fließt. Dieser besteht aus mehreren Widerständen, die alle bis auf einen durch Analogschalter
kurzgeschlossen werden können und von Konstantstromquellen gespeist werden.
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Die andere Ausführung sieht einen ähnlichen Spannungsteiler vor,
der aber von einer dem Analogspannungssignal proportionalen, sehr hohen Spannung
angesteuert wird.
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Bei beiden Ausführungen des Netzwerks sind sogenannte 'Ischwimmende';
Analogschalter erforderlich, die ebenso wie die benötigten Konstantstromquellen
nur schwer mit großer Genauigkeit realisierbar sind. Bei der ersten Ausführung tritt
noch die Schwierigkeit der genauen spannungsgesteuerten Stromquellen auf, während
bei der zweiten Ausführung die Eingangsspannung auf sehr hohe Werte (bis 512 V,
wenn der Feincodierer 0 - 4 V braucht) verstärkt werden muß.
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Bemerkenswert ist noch, daß diese Vorgänge in sehr kurzer Zeit (ca.
1 /usec) ablaufen müssen, denn bei dem gegenwärtig bevorzugten 30/)2-Kanal-PCM-System
stehen nur etwa 4 /usec als gesamte Codierzeit zur Verfügung, wovon jedoch nur ein
Teil für den Amplitudenwandler reserviert werden kann.
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Der Aufbau derartiger Spannungen bis zu etwa 500 V innerhalb von 1
/usec ist aber schaltungstechnisch nur unter großem Aufwand I zu realisieren0 Zusammenfassend
ist also festzustellen, daß diese beiden bekannten Amplitudenwandler wegen ihres
hohen Aufwands bestenfalls nur für eine sehr geringe Anzahl von linearen Abschnitten
der Knickkennlinie wirtschaftlich tragbar sind.
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Ferner ist es aus dieser Literaturstelle bekannt, dem Amplitudenwandler
einen Zweiweg-Gleichrichter mit eingangsseitig angeschlossenem, auf den Polaritätswechsel
beim Nulldurchgang der Analogspannung ansprechenden, die höchstwertige Stelle des
Codes liefernden Komparator vorzuschalten. Dabei muß jedoch der Zweiweg-Gleichrichter
infolge der Kompandierung, also wegen der besonders großen Verstärkung der kleinsten
Signale, bei den kleinsten Signalen sehr genau arbeiten, was hohe Anforuerungen
an
den Zweiweg-Gleichrichter stellt.
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Schließlich besteht eine ernste Einschränkung für die bekannten Ausführungen
des Amplitudenwandlers darin, daß nur konstante Analogsignale vom Pulscodemodulator
verarbeitet werden können, weil sonst während der Arbeit des Amplitudenwandlers
ein unter Umständen sehr großer Unschärfefehler auftreten würde.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, den Pulscodemodulator
nach dem Hauptpatent, der die grundlegenden Mängel des bekannten Standes der Technik
bereits überwindet, weiter zu verbessern, insbesondere dessen Arbeitsgeschwindigkeit
bei guter Genauigkeit zu erhöhen.
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Der Pulscodemodulator der eingangs genannten Art ist gemäß der Erfindung
dadurch gekennzeichnet, daß der Grobcodierer für (m + 1) Bits ausgelegt ist, daß
der erste Teil des Amplitudenwandlers aus parallel geschalteten Operationsverstärkern
und einem nachgeschalteten Entscheidernetzwerk besteht, und daß jeder Operationsverstärker
einem linearen Abschnitt der Knickkennlinie zugeordnet ist und damit einen entsprechend
fest eingestellten Verstärkungsfaktor und Subtraktionsbetrag besitzt.
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Da es billige integrierte Operationsverstärker gibt, stellt die hohe
Zahl der verwendeten Operationsverstärker keinen übermäßigen Aufwand dar.
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Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Pulscodemodu lators
ist darin zu sehen, daß ein Zweiweg-Gleichrichter vor den beiden Codierern nicht
erforderlich ist, was die Codierzeit verkürzt.
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Die Erfindung kann dadurch vorteilhaft weitergebildet werden, daß
das Entscheidernetzwerk mit einem Nullkomparatar
und ]) Bereichsdiskriminatoren
ausgeführt ist, deren Referenzspannungen den Knickpunkten der Knickkennlinie entsprechen.
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Auf diese Weise kann die Arbeitsgeschwindigkeit des Pulscodemodulators
weiter erhöht werden.
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Vorteilhafterweise kann der zweite Teil des Amplitudenwandlers einrach
ein Auswahlschalter sein, so daß der durch die Verarbeitung der eingespeisten Analogsignale
im zweiten Amplitudenwandler bedingte Anteil an der Gesamtcodierzeit sehr gering
ist.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. la eine Kompander-Kennlinie eines Amplitudenwandlers;
Fig. lb einen Ausschnitt aus der als Knicklinie ausgerUhrten Kompander-Xennlinie
einschließlich der zugehörigen Ausgangssignale des Amplitudenwandlers über dessen
Eingangssignal; und Fig. 2 das Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen
Pulscodemodulators.
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Duroh din erfindunggeiäß.n Pulscodemodulator wird nicht nur eine
einfache Codierung der in ihn eingespeisten Analogsignale in Digitalsignale oder
-worte durch Codierer vorgenommen, sondern auoh vor der Codierung eine Änderung
der Dynamik der Analogsignale durch einen Amplitudenwandler erreicht.
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In Fig. la ist eine Kompander-Kennlinie vollständig gezeigt, wobei
auf der Abszisse das Eingangssignal Ue und auf der
Ordinate das
Ausgangssignal Uek aufgetragen sind.
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Die Kompander-Kennlinie verläuft so, daß Analogsignale kleiner Amplitude
zur Vergrößerung des Abstands gegenüber dem Geräusch auf Kostender hohen Signalamplituden
angehoben werden, wie unmittelbar aus Fig. la ersichtlich ist.
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Für das zu erläuternde Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Pulscodemodulators sollen eine sogenannte 13-Segment-Kompanderkennlinie (COM XV
Frage 93 Temp. Doc.-Nr. 34 vom 25.9.
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bis 6.10.1967, herausgegeben von CCITT) des Amplitudenwandlers und
eine 8-Bit-Codierung angenommen werden. Die 13-Segment-Kennlinie stellt eine spezielle
Knick-Kennlinie dar.
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Die Kompander-Kennlinie läßt sich sowohl im ersten als auch im dritten
Quadranten in jeweils acht lineare Abschnitte, alsq insgesamt sechzehn lineare Abschnitte
(in Fig. la durch Punkte begrenzt), unterteilen, die jeweils einem gleichen Bereich
des Ausgangssignals Uek entsprechen, der seinerseits in 16 Amplitudenstufen unterteilt
wird. (Bei der eigentlichen 13-Segment-Kennlinie bilden die beiden linearen Abschnitte
zu beiden Seiten des Koordinatenursprungs zusammen einen eigenen Abschnitt, so daß
nur 6 + 6 + 1 - 13 lineare Abschnitte (oder Segmente) vorhanden sind, deren Steigung
sich jeweils von dem Faktor 2 unterscheidet. Das Bildungsgesetz der Steigung ist
für unseren Fall beibehalten).
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Fig. 1b zeigt genauer die ersten sechs linearen Abschnitte einschließlich
der Jeweils sechzehn zugehörigen Amplitudenstufen im ersten Quadranten sowie die
zugehörigen Ausgangssignale des A.mpiitudenwandlers. Dem Verlauf der Ausgangssignale
des
Amplitudenwandlers k&nn man entnehmen, daß der Amplitudenwandler in fast allen
Fällen neben einer Verstärkung auch eine Subtraktion ausführen muß.
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Allgemeiner gesprochen, die Kennlinie kann für eine (n + m + 1)-Bit-Codierung
in(m + 1) lineare Abschnitte mit jeweils 2n fmplitudenstufen unterteilt werden,
so daß für das betrachtete uführungsbeispiel rn = 3 und n = 4 ist.
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Es ergibt sich daraus die Möglichkeit, den Codierer des Analog-Digital-Wandlers
des erfindungsgemäßen Pulscodemodulators in einen Grobcodierer für (m + 1)-Bits
oder mit (m + 5 tellern und in einen Feincodierer für n Bits oder mit n vte]len
czufzuteilen, so daß im vorliegenden Spezialfall mit m = 3 und n = 4 jeweils ein
vierstelliges oder 4-Bit-Codewort (bekanntlich können durch 4 Bits bzw. Dualstellen
alle Dezimalzahlen von 0 -1 dual dargestellt werden) von beiden Codierern abgegeben
werden. Die Aneinanderreihung dieser beiden 4-Bit-Codeworte bildet dann das endgültige
Codewort oder Digitalsignal am Ausgang des Pulscodemodulators entsprechend dem eingespeisten
An&logsignal.
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Genauer gesagt, der Grobcodierer stellt fest, in welchen linearen
Abschnitt der Knickkennlinie das momentan zugeführte Analogsignal fällt. Für den
Fall der 13-Segment-Kennlinie entsprechend der hier vorgenommenen Aufteilung in
lineare Abschnitte ergeben sich dafür acht Möglichkeiten im ersten und ebenso viele
im dritten Quadranten, was sich durch ein 3-Bit-Codewort und ein zusätzliches Vorzeichenbit,
also insgesamt durch ein 4-Bit-Codewort ausdrücken läßt.
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Der Feincodierer beurteilt dann die Lage des Analogsignals
innerhalb
des vom Grobcodierer bestimmten linearen Abschnitts, ordnet also dem Analogsignal
eine der jeweils vorhandenen 16 Ampli tudenstufen zu.
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Nach Erörterung der im wesentlichen bekannten Grundlagen des erfindungsgemäßen
Pulscodemodulators soll Jetzt ein Ausrührungsbeispiel von ihm beschrieben werden.
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Gemäß Fig. 2 ist der Eingang des Pulscodemodulators an eine zu einem
ersten Amplitudenwandlerteil gehörende Anzahl Operationsverstärker angeschlossen,
von denen nur einer mit dem Bezugszeichen 1 versehen ist. Die Anzahl der Operationsverstärker
ist gleich der Anzahl der linearen Abschnitte der Knickkennlinie,im vorliegenden
Fall also gleich 16, nämlich entsprechend 8 positiven und 8 negativen linearen Abschnitten.
Diese verhältnismäßig große Anzahl von Operationsverstärkern scheint zwar einen
großen Aufwand zu bedeuten, fällt jedoch in Wirklichkeit nicht ins Gewicht, da es
billige integrierte Operationsverstärker gibt.
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Die Operationsverstärker sind entsprechend dem zugehörigen linearen
Abschnitt der Kennlinie in ihrem Verstärkungsfaktor und Subtraktionsbetrag fest
eingestellt. Die Einstellung wird so vorgenommen, daß bei Anliegen eines Signals
am Eingang des Pulscodemodulators nur einer der Operationsverstärker im linearen
Betriebsbereich arbeitet, der gleichzeitig auch der Aussteuerbereich eines den Operationsverstärkern
über einen den zweiten Amplitudenwandlerteil bildenden Auswahlschalter 2 nachgeschalteten
Feincodierers 3 für n Bits (hier n = 4) ist. Alle übrigen Operationsverstärker befinden
sich im Sttigungsbereich.
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Der Auswahlschalter 2 kann z.B. aus parallel geschalteten Feldeffekttransistoren
bestehen.
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An die Ausgänge der Operationsverstärker wie 3 ist über ein zum ersten
Amplitudenwandlerteil gehörendes Entscheidernetzwerk 4 auch ein Grobcodierer 4 für
(m + i) Bits angeschlossen, der aus dem verstärkten Analogsignal die entsprechende
Kombination von (m + 1) Bits (hier m = 3) gewinnt, also bestimmt, zu welchem linearen
Abschnitt der Knickkennlinie das Analogsignal gehört. Das Entscheidernetzwerk 4
steuert auch den Auswahlschalter 2 so, daß dieser gerade denjenigen Operationsverstärker,
der für den betreffenden linearen Abschnitt zuständig ist, also im linearen Bereich
arbeitet, an den Feincodierer 3 anschließt.
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Die (m + 1) Bits an den Ausgängen des Grobcodierers 4 und die n Bits
an den Ausgängen des Feincodierers 3 bilden zusammen das (n + m + l)-Bit-Codewort
(hier 8 Bit-Codewort).
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Der erfindungsgemäße Pulscodemodulator arbeitet sehr schnell, so
daß man Breitband-PCM-Systeme mit nur einem Codierer auszurüsten braucht und das
Zeitvielfach vollständig auf der analogen Seite bilden kann.
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Das Entscheidernetzwerk 4 kann mit integrierten Komparatoren ausgeführt
werden, deren Entscheidung nach maximal 40 ns feststeht. Der zuständige Teil des
Auswahlschalters 2 ist nach weiteren 10 ns geschlossen, und der nachgeschaltete
Feincodierer 3 kann einen solchen Aufbau haben, daß er für 4 Bits 20 ns braucht.
Wenn man das Sättigungsverhalten der Operationsverstärker 1 beherrscht, kann man
davon ausgehen, daß deren Einschwingzeit weitere 150 ns beträgt. Damit ist ein 32
MBit-PCM-System für 480 Sprachkanäle mit dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Pulscodemodulators realisierbar.