DE2009951B2 - Pulscodemodulator mit knickkennlinien-amplitudenwandler - Google Patents

Description

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werden können und von Konstantstromquellen ge- codemodulators ist darin zu sehen, daß ein Zwehvege-

speist werden. Gleichrichter vor den beiden Codierern nicht erforder-

Die andere Ausführung sieht einen ähnlichen lieh ist, was die Codierzeit verkürzt

Spannungsteiler vor, der aber von einer dem Analog- Die Erfindung kann dadurch vorteilhaft weiter-

Spannungssignal proportionalen, sehr hohen Spannung 5 gebildet werden, daß das Entscheidernetzwerk mit

angesteuert wird. einem Nullkomparator und (2^m — 1) Bereichsdiskri-

Bei beiden Ausführungen des Netzwerks sind minatoren ausgeführt ist, deren Referenzspannungen

sogenannte »schwimmende« Analogschalter rrforder- den Knickpunkten der Knickkennlinie entsprechen,

lieh, die ebenso wie die benötigten Konslantstrom- Auf diese Weise kann die Arbeitsgeschwindigkeit

quellen nur schwer mit großer Genauigkeit realisier- io des Pulscodemodulators weiter erhöht werden,

bar sind. Bei der ersten Ausführung tritt noch Vorteilhafterweise kann der zweite Teil des Ampli-

die Schwierigkeit der genauen spannungsgesteuerten tudenwandlers einfach ein Auswahlschalter sein, so

Stromquellen auf, während bei der zweiten Ausfüh- daß der durch die Verarbeitung der eingespeisten

rung die Eingangsspannung auf sehr hohe Werte Analogsignale im zweiten Amplitudenwandler be-

(bis 512 V, wenn der Feincodierer 0 bis 4 V braucht) 15 dingte Anteil an der Gesamtcodierzeit sehr gering ist.

verstärkt werden muß. Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher

Bemerkenswert ist noch, daß diese Vorgänge in sehr erläutert. Es zeigt

kurzer Zeil (etwa I usec) ablaufen müssen, ''enn bei Fig. la eine Kompander-KennhnL eines Ampli-

dem gegenwärtig bevorzugten 30/32-Kanal-PCM- tudenwandlers,

System stehen nur etwa 4 -fiscc als gesamte Codierzeit 20 F i g. 1 b einen Ausschnitt aus der als Kp'cklinie

zur Verfügung, wovon jedoch nur ein Teil für den ausgeführten Kompander-Kennlinie einschließlich der

Amplitudenwandler reserviert werden kann. zugehöngen Ausgangssignale des Amplitudenwand-

Der Aufbau derartiger Spannungen bis zu etwa lers über dessen Eingangssignal und
500 V innerhalb von 1 μ5εο ist aber schaltungs- F i g. 2 das Blockschaltbild eines Ausführungstechnisch nur unter großem Aufwand zu rea'.isieren. 25 beispiels des erfindungsgemäßen Pulscodemodulators.

Zusammenfassend ist also festzustellen, daß diese Durch den erfindungsgemäßen Pulscodemodulator

beiden bekannten Amplitudenwandler wegen ihres wird nicht nur eine einfache Codierung der in ihn

hohen Aufwands bestenfalls nur für eine sehr geringe eingespeisten Analogsignale in Digitalsi^ale oder

Anzahl von linearen Abschnitten der Knickkennlinie -worte durch Codierer vorgenommen, sondern auch

wirtschaftlich tragbar sind. 30 vor dei Codierung eine Änderung der Dynamik der

Ferner ist es aus dieser Literaturstelle bekannt, dem Analogsignale durch einen Amplitudenwandler er-

Amplitudenwandler einen Zweiwege-Gleichrichter mit reicht.

Hngangsseitig angeschlossenem, auf den Polaritäts- In Fig. la ist eine Kompandei-Kennlinie voll-

wechsel beim Nulldurchgang der Analogspannung ständig gezeigt, wobei auf der Abszisse das Engangs-

ansprechender die höchstwertige Stelle des Codes 35 signal U_e und auf der Ordinate das Ausgangssignal

liefernden Komparator vorzuschalten. Dabei muß U_ek aufgetragen sind.

jedoch der Zweiwege-Gleichrichter infolge der Korn- Die Kompander-Kennlinie verläuft so, daß Analog-

pandierung, also wegen der besonders großen Ver- signale kleiner Amplitude zur Vergrößerung des Ab-

stärkung der kleinsten Signale, bei den kleinsten stands gegenüber dem Geräusch aut Kosten der hohen

Signalen sehr genau arbeiten, was hohe Anforde- 40 Signalamplituden angehoben werden, wie unmittelbar

rungen an den Zweiwege-Gleichrichter stellt. aus F i g. 1 a ersichtlich ist.

Schließlich besteht eine ernste Einschränkung für Für das zu erläuternde Ausführungsbeispiel des

die bekannten Ausführungen des Amplitudenwandlers erfindungsgemäßen Pulscodemodulators sollen eine

darin, daß nur konstante Analogsignale vom Pulscode- sogenannte 13-Segment-Kompanderkennlinie (COM

modulator verarbeitet werden können, weil sonst 45 XV Frage 33 Temp. Doc.-Nr. 34 vom 25.9. bis

während der Arbeit des Amplitudenwandlers ein 6. 10. 1967, herausgegeben von CCITT) des Ampli-

unter Umständen sehr großer Unschärfefehler auf- tudenwandlers und eine 8-Bit-Codierung angenommen

treten würde. werden Die 13-Segment-Keunlinie stellt eine spezielle

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, Ίεη Knick-Kennlinie dar.

Pulscodemodulator nach dem Hauptpatent, der die 50 Die Kompander-Kennlinie läßt sich sowohl im

grundlegenden Mängel des bekannten Standes der ersten als auch im dritten Quadranten in jeweils acht

Technik bereits überwindet, weiter zu verbessern, ins- lineare Abschnitte, also insgesamt sechzehn lineare

besondere dessen Arbeitsgeschwindigkeit bei guter Abschnitte (in Fig. la durch Punkte begrenzt),

Genauigkeit zu erhöhen. unterteilen, die jeweils einem gleichen Bereich des

Der Pulscodemodulator der eingangs genannten Art 55 Ausgangssignals U_ek entsprechen, der seinerseits in ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß sechzehn Amplitudenstufen unterteilt wird, (Bei der der Grobcodierer für Qn + 1) Bits ausgelegt ist, daß eigentlichen 13-Segment-Kennlinie bilden die beiden der erste Teil des Amplitudenwandlers aus parallel- linearen Abschnitte zu beiden Seiten des Koordinatengeschalteten Operationsverstärkern und einem nach- Ursprungs zusammen einen eigenen Abschnitt, so daß geschalteten Entscheidernetzwerk besteht und daß 60 nur 6 + 6 + 1 = 13 lineare Abschnitte [oder Segjedcr Operationsverstärker einem linearen Abschnitt mente] vorhanden sind, deren Steigung sich jeweils der Knickkennlinie zugeordnet ist und damit einen von dem Faktor 2 unterscheidet. Das Bildungsgesetz entsprechend fest eingestellten Verstärkungsfaktor der Steigung ist für unseren Fall beibehalten),
und Subtraktionsbetrag besitzt. F i g. Ib zeigt genauer die ersten sechs linearen Ab-

Da es billige integrierte Operationsverstärker gibt, 65 schnitte einschließlich der jeweils sechzehn zugehörigen

stellt die hohe Zahl der verwendeten Operations- Amplitudenstufen im ersten Quadranten sowie die zu-

verstärker keinen übermäßigen Aufwand dar. gehörigen Ausgangssignale des Amplitudenwandlers.

Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Puls- Dem Verlaul der Ausgangssignale des Amplituden-

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wandlers kann man entnehmen, daß der Amplituden- nicht ins Gewicht, da es billige integrierte Operationswandler in fast allen Fällen neben einer Verstärkung verstärker gibt,
auch eine Subtraktion ausführen muß. Die Operationsverstärker sind entsprechend dem

Allgemeiner gesprochen, die Kennlinie kann für eine zugehörigen linearen Abschnitt der Kennlinie in ihrem (/» + m + 1)-Bit-Codierung in 2^{(m +} *) lineare Ab- 5 Verstärkungsfaktor und Subtraktionsbetrag fest einschnitte mit jeweils 2" Amplitudenstufen unterteilt gestellt. Die Einstellung wird so vorgenommen, daß werden, so daß für das betrachtete Ausführungs- bei Anliegen eines Signals am Eingang des Pulscodebeispiel m — 3 und η = 4 ist. modulators nur einer der Operationsverstärker im

Es ergibt sich daraus die Möglichkeit, den Codierer linearen Betriebsbereich arbeitet, der gleichzeitig auch des Analog-Digital-Wandlers des erfindungsgemäßen to der Alissteuerbereich eines den Operationsverstärkern Pulscodemodulators in einen Grobcodierer für (w -f I)- über einen den zweiten Amplitudenwandlerteil bilden-Bits oder mit (m + 1)-Stellen und in einen Feinco- den Auswahlschalter 2nachgeschaltetenFeincodierers3 dierer für η Bits oder mit η Stellen aufzuteilen, so daß für /i Bits (hier η = 4) ist. Alle übrigen Operationsim voriiegenden Spezialfall mit m = 3 und η — 4 je- verstärker befinden sich im Sättigungsbereich,
weils ein vierstelliges oder 4-Bit-Codewort (bekannt- 15 Der Auswahlschalter 2 kann z. B. aus parallellich können durch 4 Bits bzw. Dualstellen alle Dezimal- geschalteten Feldeffekttransistoren bestehen,
zahlen von 0 bis 31 dual dargestellt werden) von beiden An die Ausgänge der Operationsverstärker wie 1 ist

Codierern abgegeben werden. Die Aneinanderreihung über ein zum ersten Amplitudenwandlerteil gehörendes dieser beiden 4-Bit-Codeworte bildet dann das end- Entscheidernetzwerk 4 auch ein Grobcodierer 4 für gültige Codewort oder Digitalsignal am Ausgang des ao (in + 1) Bits angeschlossen, der aus dem verstärkten Pulscodemodulators entsprechend dem eingespeisten Analogsignal die entsprechende Kombination von Analogsignal. (m + 1) Bits (hier m — 3) gewinnt, also bestimmt, zu

Genauer gesagt, der Grobcodierer stellt fest, in welche··; linearen Abschnitt der Knickkennlinie das welchen linearen Abschnitt der Knickkennlinie das Analogsignal gehört. Das Entscheidernetzwerk 4 momentan zugeführte Analogsignal fällt. Für den Fall 25 steuert auch den Auswahlschalter 2 so, daß dieser der 13-Segment-Kennlinie entsprechend der hier vor- gerade denjenigen Operationsverstärker, der für den genommenen Aufteilung in lineare Abschnitte ergeben betreffenden linearen Abschnitt zuständig isi, also sich dafür acht Möglichkeiten im ersten und ebenso im linearen Bereich arbeitet, an den heincodierer 3 viele im dritten Quadranten, was sich durch ein 3-Bit- anschließt.

Codewort und ein zusätzliches Vorzeichenbit, also ins- 30 Die {in \ 1) Bits an den Ausgängen des Grobgesarnt durch ein 4-Bit-Codewort ausdrücken läßt. codierers 4 und die η Bits an den Ausgängen des Fein-

Der Feincodierer beurteilt dann die Lage des Analog- codierers 3 bilden zusammen das (« + m + I)-BU-signals innerhalb des vom Grobcodierer bestimmten Codewort (hier 8 Bit-Codewort),
linearen Abschnitts, ordnet also dem Analogsignal Der erfindungsgemäße Pulscodemodulator arbeite',

eine der jeweils vorhandenen sechzehn Amplituden- 35 sehr schnell, so daß man Breitband-PCM-Systeme mit stufen zu. nur einem Codierer auszurüsten braucht und das Zeit-

Nach Erörterung der im wesentlichen bekannten vielfach vollständig auf der analogen Seite bilden Grundlagen des erfindungsgemäßen Pulscodemodu- kann.

lators soll jetzt ein Ausführungsbeispiel von ihm be- Das Entscheidernetzwerk 4 kann mit integrierten

schrieben werden. 40 Komparatoren ausgeführt werden, deren Entscheidung

Gemäß F i g. 2 ist der Eingang des Pulscodemodu- nach maximal 40 ns feststeht. Der zuständige Teil des lators an eine zu einem ersten Amplitudenwandlerteil Auswahlschalters 2 ist nach weiteren 10 ns geschlossen, gehörende Anzahl Operationsverstärker angeschlossen, und der nachgeschaltete Feincodierer 3 kann einen von denen nur einer mit dem Bezugszeichen 1 versehen solchen Aufbau haben, daß er für 4 Bits 20 ns braucht, ist. Die Anzahl der Operationsverstärker ist gleich der 45 Wenn man das Sättigungsverhalten der Oj. ;rations-Anzahl der linearen Abschnitte der Knickkennlinie, verstärker 1 beherrscht, kann man davon ausgehen, im vorliegenden Fall also gleich 16, nämlich cr>t- daß deren Einschwingzeit weitere 150 ns beträgt, sprechend acht positiven und acht negativen linearen Damit ist ein 32-MBit-PCM-System für 480 Sprach-Abschnitten. Diese verhältnismäßig große Anzahl kanäle mit dem hier beschriebenen Ausführungsvon Operationsverstärkern scheint zwaf einen großen 50 beispiel des erfindungsgemäßen Pulscodemodulators Aufwand zu bedeuten, fällt jedoch in Wirklichkeit realisierbar.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1 2 2" Amplitudenstufen umfassen, wobei der Ampli- _ _ . tudenwandler den durch die linearen Abschnitte be- ratentansprucne: stimmten Amplitudenbereichen der Analogsignale an seinem Eingang stets einen gleichen Sch"vankungs-

1. Pulscodemodulator zur digitalen Codierung 5 bereich der Analogsignale an seinem Ausgang zuordvon Analogsignalen in einem (n + m + 1)-Bit- net, mit einem Grobcodierer und mit einem Fein-Code, mit einem Amplitudenwandler, der eine codierer für «Bits. In diesem bekannten Pulscode-Pressercharakteristik mit Knickkennlinie hat, die modulator befindet sich am Eingang der Amplitudenaus 2<^m+1> linearen Abschnitten besteht, die jeweils wandler, dessen erstem Ausgang der Feincodierer und 2ⁿ Amplitudenstufen umfassen, wobei der Ampli- io dessen zweitem Ausgang der Grobcodierer nachtudenwandler den durch die linearen Abschnitte geschaltet sind, wobei vom Amplitudenwandler einerbestimmten Amplitjidenbereichen der Analog- seits das umzusetzende Analogsignal mit einer durch signale an seinem Eingang stets einen gleichen seine Zuordnung zu einem der linearen Abschnitte der Schwankungsbereich der Analogsignale an seinem Knickkennlinie vorgegebenen Verstärkung dem Fein-Ausgang zr^rdnet, mit einem Grobcodierer und 15 codierer und andererseits eine den gerade zur Anwenmit einem Feincodierer für η Bits, wobei der Am- dung gelangenden Verstärkungsgrad betreffende Inplitudenwandler einen ersten Teil und einen in formation dem Grobcodierer zuführbar ist.
Wirkungsnchtung nur dem Feincodierer vorge- Der Grobcodierer des bekannten Pulscodemoduschalteten zweiten Teil hat, der durch den ersten lators ist für m Bits ausgelegt, sein Ausgangssignal Amplitudenwandlerteil und/oder den Grobcodie- 20 gibt also an, in welchem der linearen Abschnitte das rer steuerbar ist, nach der Hauptpatentanmeldung Analogsignal liegt. Dagegen zeigt des Ausgangssignal 2009953, dadurch gekennzeichnet, daß des Feincodierers an, welche Amplitudenstufe in dem der Grobcodierer (5) für (m + 1) Bits ausgelegt vom Grobcodierer bestimmten linearen Abschnitt der ist, daß der erste Teil des Amplitudenwandlers aus Knickkennlinie dem Analogsignal zuzuordnen ist.
parallelgeschalteten Operationsverstärkern (1) und 25 Die Anordnung des Amplitudenwandlers vor den einem nachj,· schalteten Entscheidernetzwerk (4) beiden Codierern hat zunächst den Nachteil, daß der besteht und daß jeder Op"-ationsverstärker (1) Amplitudenwandler, der die Umwandlung der eineinem linearen Abschnitt der Knickkennlinie gespeisten Analogsignale entsprechend der Knick-(F ig. la, Ib) zugeordnet ist und damit einen kennlinie vornimmt, noch keine Information darüber entsprechend fest eingestellten Verstärkungsfaktor ₃a besitzt, welchem linearen Abschnitt der Knickkenn- und Subtraktionsbetrag besitzt. linie das Analogsignal zuzuordnen ist. Der Ampli-

2. Pulscodemodulator nach Anspruch 1, da- tudenwandler muß also im wesentlichen die Funktion durch gekennzeichnet, daß das Entscheidernetz- des Grobcodierers übernehmen.

werk (4) mit einem Nullkomparator und (2™-¹) Der Amplitudenwandler des bekannten Pulscode-

Bereichsdiskriminatoren ausgeführt ist, deren Re- 35 modulators weist insbesondere ein von einem einzigen

ferenzspannungen den Knickpunkten der Knick- Entscheider gesteuertes umschaltbares Netzwerk auf,

kennlinie (F i g. 1 a, 1 b) entsprechen. das derart bemessen ist, daß den durch die linearen

3. Pulscodemodulator nach Anspruch 1 oder 2, Abschnitte bestimmten Amplitudenbereichen der Anadadurch gekennzeichnet, daß der zweite Teil des logsignale am Amplitudenwandlereingang stets ein Amplitudenwandlers ein Auswahlschalter (2) ist. 40 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 45 Regelkreis instabil werden kann. Die Gefahr von

Die Erfindung betrifft einen Pulscodemodulator zur Instabilität ist besonders groß, weil der einen Regeldigitalen Codierung von Analogsignalen in einem kreis darstellende Amplitudenwandler ein unstetiges (« + m + 1)-Bit-Code, mit einem Amplitudenwand- Übertragungsverhalten entsprechend der Knickkennler, der eine Pressercharakteristik mit Knickkenn- linie und den Umschaltvorgängen hat. Ein kurzer linie hat, die aus 2<^{m +} *>) linearen Abschnitten be- 50 Überschwinger nach einem Umschaltvorgang kann •teht, die jeweils 2ⁿ Amplitudenstufen umfassen, wo- also dazu führen, daß ein weiterer Umschaltvorgang bei der Amplitudenwandler den durch die linearen versehentlich eingeleitet wird, so daß eine nicht rückAbschnitte bestimmten Amplitudenbereichen der Ana- gängig zu machende Falscheinstellung des Amplitudenlogsignale an seinem Eingang stets einen gleichen Wandlers und gleichzeitig eine falsche Bitkombination Schwankungsbereich der Analogsignale an seinem 55 am Ausgang des Grobcodierers die Folge sind.
Ausgang zuordnet, mit einem Grobcodierer und mit Da nur ein einziger Entscheider vorgesehen ist, sind

einem Feincodierer für η Bits, wobei der Amplituden- zur endgültigen Einstellung des Amplitudenwandlers wandler einen ersten Teil und einen in Wirkungs- bis zu 2^m-l aufeinanderfolgende Einstellvorgänge des richtung nur dem Feincodierer vorgeschalteten zweiten Amplitudenwandlers notwendig, was zu einer großen Teil hat, der durch den ersten Amplitudenwandlerteil 60 Codierzeit führt.

und/oder den Grobcodierer steuerbar ist, nach der I_n der erwähnten Literaturstelle sind zwei Ausfüh-

Hauptpatentanmeldung 2 009 953. rungen des Netzwerks des Amplitudenwandlers ge-

Bekannt (vgl. deutsche Auslegeschriit 1 276 708) nauer beschrieben.

ist bereits ein Pulscodemodulator zur digitalen Codie- Gemäß der einen Ausführung muß ein zu codieren-

rung von Analogsignalen in einem {n -f- m + 1)-Bit- 6g des Spannungssignal in einen dazu proportionalen Code, mit einem Amplitudenwandler, der eine Presser- Strom umgesetzt werden, der in einen Spannungsteiler charakteristik mit Knickkennünie hat, die aus fließt. Dieser besteht aus mehreren Widerständen, die 2<^{m + 1}> linearen Abschnitten besteht, die jeweils alle bis auf einen durch Analogschalter kurzgeschlossen