DE2024963C3 - Schaltungsanordnung für eine Übertragungsanlage mit Puls-Code-Modulation - Google Patents

Description

quelle dient dubei meisi ein Kondensator, der vor der vor dem Codiervurgang mil einer Grundspannung qufgeladen und während des Codiervorganges entladen wird. Erfolgt das Entladen über einen konstanten Widerstand, so verläuft die Entladekurve und damit auch die Kompandierungskurve logarithmisch.

Beim Wiegeverfahren wird jeder Abtastwert nacheinander mit einer Reihe von Vergleiehsspannungswerten verglichen und je nuch dem Ergebnis dieses Vergleiches der Vergleichsspannungswert in einzelnen Stufen geändert. Die Vergleichsspannungsquelle bildet die verschiedenen Vergleichsspannungen, vereinfacht ausgedrückt, im allgemeinen durch Summieren einer Reihe von Spannungswerten wobei bei Verwendung von logarithmisch abgesunken Spannungswerten sich auch eine logarithmisch verlaufende Kennlinie ergibt. Diese Art der Bildung der Vergleichsspannungen eignet sich besonders für Knickkennlinien, wobei nur grobe Stufen der Spannungswerte logarithmisch, die dazwischenliegenden feinen Stufen dagegen linear abgestuft sind. Die einzelnen Spannungswerte werden beispielsweise durch einzelne, an einer Grundspannung liegende Spannungsteiler erzeugt.

Beiden beschriebenen Verfahren gemeinsam ist eine Grundspannung für die Vergleichsspannungsquelle, die im Falle des Zählcodierer gleich ist dem größten zu erwartenden Abtastwert, im Falle des Wiegekodierers eine solche Größe haben muß, daß die Summe aller durch Teilung gewonnenen Spannungswerte gleich ist dem größten zu erwartenden Abtastwert. Die Grundspannung hat somit bei den bekannten Verfahren einen konstanten Wert; damit ist bei diesen Verfahren auch nur eine Kompandierungskennlinie gegeben.

Ein für den Fachmann erkennbar, mit einer begrenzten Anzahl bestimmter, unterschiedlicher Kompandierungskennlinien arbeitender Kompander für Zeitvielfachanlagen ist beschrieben von D i 11, A. unter dem Titel: Vereinfachung der digitalen Telefonieübertragung (PCM) durch Silbenkompander, in der Zeitschrift »Nachrichtentechnik«. Heft 12. 1967, S. 456 ... 457. Dabei werden die Abtastwerte jedes Kanals, abhängig von einem mittleren Pegelwert desselben Kanals, codiert. In einem (Hilfs-)Zeitkanal innerhalb des Zeilrahmens werden die codierten mittleren Pegelwerte jedes der einzelnen Informationskanäle übertragen und ermöglichen dann auf der Empfangsseite das Wiederherstellen der ursprünglichen Signale. Das Verfahren ist sinnvoll und bandbreitenverringernd nur bei Siibenkompandierung und bei Vielfachübertragung. Bei der Übertragung nur eines einzelnen Kanals ergibt sich trotz erhöhten Aufwandes kein oder nur ein kleiner Bandbreitengewinn gegenüber einem üblichen PCM-System.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in Übertragungsanlagen mit Puls-Code-Modulation auch kleinster Kanalzah!, bei denen durch momentan wirkende Kompandierung durch nichtlineare Quantisierung auch für kleine Amplitudenwerte ein günstiger Klirrfaktor erreicht ist, den Aussteuerbereich zwischen der einsetzenden Signalbegrenzung und dsm Grundgeräusch derart auszunutzen, daß Signalereignisse in einem vergrößerten Dynamikbereich übertragbar sind.

Die effiridungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 beschrieben, Der Anspruch 2 betrifft eine Weilerbildung der beschriebenen Anordnung für deren Anwendung im Zeitmultiplexbetrieb.

Mit anderen Worten besteht die vorgeschlagene Anordnung in einer besonderen, gesteuerten Spannungsquelle fur die Grundspunnung /um Bilden der Vergleiuhsspunnungen.

Hierdurch werden die Vorteile erzielt, daß abhängig von den vorangegangenen .Signalereignissen der Aus

Steuerbereich der Übertragungsanlage verschoben wird und eine Erweiterung des tatsächlichen Dynamikbereiches bewirkt wird. Steigt nämlich die .Signalstärke an. so wird unter der durch die Zeitkonstante vorgeschriebenen Verzögerung die Grundspannung und damit auch die Grenzspannung Ux des Codier-Netzwerks vergrößert und ein Übersteuern des Coditrers verhindert. Dabei ist es nicht von Bedeutung, daß fur sehr kleine Amplitudenwerte, die im starken Signal nur selten vorhanden sind, das Signal-Quantisierungsgeräuschleistungs-Verhältnis verschlechtert ist. Geht dann die Signalstärke wieder zurück, was an dem Fehlen des Auftretens der höheren Stufenwerte erkennbar ist, so wird die Grundspannung wieder mit einer Zeitkonstanten auf einen Ausgangswert zurückgeführt, und es tritt für die kleineren Amplitudenwerte eine feinere Quantisierungsstufe und daher eine Verminderung des Quantisierungsrauschens ein. Damit ι,> auch gewährleistet, daß Übertragungsfehler keine lange Fehlerfort pflanzung verursachen, wenn bei kleinen Signalamplitu den und Pausen im Codierer und Decodierer wiede^r der Ausgangswert der Grundspannung eingestellt wird. Die signalstarkeabhängige Verschiebung der Kompandierungskennlinie wirkt damit in vorteilhafter Weise als automalische Aussteuerungsregelung.

Bei der Verwendung der beschriebenen Anordnung in nach dem Zeitmultiplexverfahren arbeitenden Übertragungsanlagen, in denen meist nur ein oder zwei für mehrere Kanäle gemeinsame Codierer und Decodierer vorhanden sind, ist jedem Kanal sende- und empfangsseitig je eine gesteuerte Grundspannungsquelle zugeordnet, der durch während des Codierens bzw. Decodierens geschlossene Torschaltungen einerseits vom Codierer bzw. Decodierer die Werte der ermittelten bzw. empfangenen hoherwertigen Binärstellen des Codewortes des betreffenden Kanals zugeführt werden, und die andererseits dem Codierer bzw. dem Decodierer die sich aus den hoherwertigen Binärstellen ergeoende Grundspannung zuführt.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand von Figuren näher erläutert.

Fig. la zeigt das Blockschaltbild des sendeseuigen Codierers.

Fig. Ib das des empfangsseitigen Decodierers.

In der beispielhaften Darstellung sind nach dem Zählverfahren arbeitende Codierer und Decodierer dargestellt, wodurch nach anderem Verfahren arbeitende Codierer und Decodierer nicht ausgeschlossen werden. In

F i g. 2 ist das Schaltbild eines Grundspannungserzeuge-s .^rjr einen Codierer mit logarithmischer oder stückweise linearer Kennlinie dargestellt.

Fig. 3 zeigt zwu logarithmische Quantijierungskennlinien, die durch unterschiedliche Grundspannungen der gesteuerten Grundspannungsquelle entstanden sind.

Im Codierer nach der Fig. la wird der durch periodische Abtastung aus dem zu übertragenden Signal gewonnene Amplitudenwert PAM in bekannter Weise in dem Vergleicher 1 mit der von der Vergleichsspan-

hj nungsquelle 2 gelieferten, entsprechend der nichtlinearen, beispielsweise logarithmischen oder stückweise linearen Quantisierurtgskennlinie ablaufenden Vergleichsspannung verglichen, wobei beim Feststellen des

dem Amplitudenwert zugeordneten Slufcnwcrtes 5 der beim Beginn jeder Umsetzung gestartete, durch den Taktgenerator 4 gesteuerte Zähler 5 stillgesetzt wird. Der erreichte Zählerstand wird als binäres Codezeichen PCM ausgesendet. Die Steuerung dieser Umsetzung erfolgt durch die Codiersteuerung 3. Die Nichtlinearitäi des Verlaufs der von der Verglcichsspannungsquelle 2 abgegebenen Spannung bewirkt eine Bevorzugung der kleinen Amplitudenwerte des Abtastwertes gegenüber den großen und folglich eine momentan wirkende Kompression des Nachrichtensignals. Im gezeigten Beispiel ist die Vergleichsspannungsquelle 2 ein Funktionsgenerator, der einen angenähert logarithmischen Verlauf der Quantisierungskcnnlinie erzeugen soll. Der Funktionsgenerator geht dabei am Beginn der Umsetzung von einer Grenzspannung Ux (F i g. 3a) aus. die wenig größer oder mindestens gleich ist als der größte zu erwartende Abtastwert. Diese Grenzspannung Ux wird in der beschriebenen Anordnung

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an die Vergleichsspannungsquclle 2 gelieferte Grundspannung, deren Größe wiederum abhängig ist von der in einem vorangegangenen Zeitabschnitt vorgelegenen Häufigkeit des Auftretens der höheren Stufenwerte im Sendesignal PCM.

Der Größenbereich der vom Grundspannungsgene· rator 8 abzugebenden Spannungen ist abhängig von der Art und dem Aufbau der Vergleichsspannungsquclle 2. Dient als Vergleichsspannungsquelle ein Kondensator, so kann dessen Ladespannung vor dem Beginn jeder Umsetzung entsprechend der Grundspannung stufenlos geändert werden. Enthält die Vergleichsspannungsquel· Ie einen oder auch mehrere Spannungsteiler, so können die diesem zugeführten Speisespannungen oder die in diese eingeprägten Ströme ebenfalls abhängig von einer Grundspannung variieren.

In Fig. 3a sind als Beispie! drei verschiedene Quantisierungskennlinien linear aufgetragen, die die Vergleichsspannungsquelle bei jedem Umsetzvorgang liefern kann. Die Grundspannung υ ist jeweils für den betreffenden Grenzwert Ux 1 oder Ux 2 oder Ux 3 und die damit verbundene Kennlinie maßgebend. Natürlich kann Ux stufenlos gesteuert von der Grundspannung jeden Zwischenwert zwischen Ux \ und Ux 3 einnehmen.

In Fig. 3b ist der mögliche at-Dynamikbereich noch einmal in logarithmischem Maßstab aufgetragen. In diesem Diagramm ist der Momentanwer! U der Signalspannung PAM in logarithmischem Maßstab, die Quantisierungsslufung s in linearem Maßstab aufgetragen, so daß sich jede logarithmische Quantisierungskennlinie als GerMe darstellt. Der Aussteuerbereich jeder Quantisierungskennlinie ist durch ihren Schnittpunkt mit der Geraden T, die den vorgeschriebenen Rauschabstand festlegt, und durch die Gerade 5, die die 55 q Aussteuerungsgrenze darstellt, gegeben. Da die relative Stufung s bei logarithmischem Verlauf der Quantisierungskennlinie konstant ist. ist auch in dem beschriebenen Aussteuerbereich das Signalleistungs-Quantisierungsrauschleistungs-Verhältnis konstant

Bei der hier beschriebenen Kompandierung ist die Lage der Quantisierungskennlinie im Diagramm (Fig. 3b) in zeit verzögerter Abhängigkeit vom Amplitudenwert LZ des Nachrichtensignals PAM veränderlich. Wie aus F i g. 3b ersichtlich ist, kann die Quantisierungskennlinie jede Lage zwischen der Geraden I und der Geraden Π annehmen, so daß über größere Zeiträume betrachtet, der Dynamikbereich das Gebiet, das durch die Geraden I. II. Tund .^begrenzt ist, überstreicht.

Die Grundspanming für die Vcrglcichsspannungs· quelle 2 wird abgeleitet aus der Häufigkeit des Auftretens höhcrwertiger Binärstcllcn, entsprechend den höheren Stufenwerten der qtianlisicrten Signale. Als höhere Stufenwerle können beispielsweise in einer Anlage, deren Übertragungscode beispielsweise aus 7-BiI(I Polaritäts-Bit + 6 Quantisierungs-Bii)-Codcwörtern besteht, die Slufcnwcrtc 48...63 ausgenutzt werden. Hierzu wird durch logische Verknüpfung der Stufen 55 und 56 des Zählers 5 das Auftreten dieser Stufenwerte 48 ... 63 abgeleitet, (edes Auftreten eines dieser Siufenwcrte bewirkt über die Torschaltung 7 in der Grundspannungsquelle 8 eine Änderung der Ladespannung des Kondensators C. Die Ladespannung des Kondensators C wird der Vergleichsspannungsquel Ie 2 als Grundspannung ti zugeführt, so daß die Quanlisicrungskennlinie durch die geänderte Grundspannung in den Bereich höherer F.ingangsspannungen yersL'hubcri wird. Bui häufigem AiifireiL-ri ut-t iiuiicu Stufenwerte erfolgt die Quantisierung entsprechend der kennlinie Il in Fig. 3b. deren Aussteuerbereich zwischen ihren Schnittpunkten mit den Geraden S und 7 liegt. Beim Ausbleiben höherer Stufenwerte geht die Grundspannung u mit der der Grundspannungsquclle eigentümlichen Zeitkonstanle auf ihren Grundwert zurück, so daß die Quantisierungskennlinie im Diagramm (Fig. 3b) in Richtung zu kleineren Eingangs· spannungen wandert. Beim völligen Fehlen höherer Stufenwerte erfolgt die Codierung entsprechend der kennlinie I. Durch diese zeitverzögerte Kompression des Nachrichtensignals wird der Dynamikbereich auf den Abstand der Schnittpunkte der Kennlinie I mit der Geraden T und der Kennlinie Il mit der Geraden .5 erweitert.

Allgemein dienen Übertragungsanlagen mit PuIs-Codc-Modulation nicht nur zur Übertragung einer Information, sondern zur zeitmultiplexen Übertragung einer Anzahl von Kanälen. Es ist dann erforderlich, für jeden Kanal einen eigenen Speicherkondensator C vorzusehen. Die Codiersteuerung 3 bzw. 23 steuert Torschaltungen 10, 11, 12 bzw. 31, 32, 33. durch die jeweils zugleich mit einem Kanal PAM der zugeordnete Speicher Ceingeschaltet wird.

Auf der Empfangsseite ist bei der in an sich bekannter Weise erfolgenden Decodierung, bei der die auf der Senderseite vorgenommene momentan wirkende Kompression des Nachrichtensignals durch eine gegenläufige Kennlinie durch Expandierung des Nachrichtensignals kompensiert wird, auch für eine Kompensation der auf der Sendeseite durch Kennlinienverschiebung bewirkten zeitverzögerten Kompression zu soigen. Hierzu ist auf der Empfangsseite in Fig. Ib ein kanaleigener Speicherkondensator C vorgesehen, der über die Torschaltungen 31, 32 sowohl an die den Stufenwert des Schieberegisters 25 bezeichnende logische Verknüpfung 27 als auch an die Vergleichsspannungsquelle 22 angeschaltet wird, so daß die aus der Häufigkeit des Auftretens der vorgeschriebenen Stufenwerte zeitverzögert abgeleitete Grundspannung u für die Kennlinienverschiebung in der Vergleichsspannungsquelle 22 ausnutzbar ist, derart, daß auf der Empfangsseite die zur Sendeseite gegenläufige Verschiebung der Kennlinie erfolgt.

Eine beispielhafte Ausführung einer Grundspannungsquelle 8 in Fig. la bzw. 28 in Fig. Ib ist ausführlicher im Stromlaufplan der Fig.2 dargestellt Darin ist der Ausgangswert der Grundspannung

vorgegeben durch den aus den Widerständen Ii 2. R 4 bestehenden Spannungsteiler, aus dem bei gesperrtem Transistor Ti I über den Widerstand R 5 der Kondensator Cauf ein positives Potential geladen wird, das über die in Kollektorschaltung angeordneten und siIs Impedanzwandler wirkenden Transistor Ti 2 als Grundspannung und der Ausgangsklemnie A zugeführt ist. Bei jedem auftretenden höheren Stufenwerl wird über die

UND-Schaltung 7 der Transistor Ts 1 leitend gesteuert und der Kondensator C durch Impulse entsprechend dem geänderten Teilerverhältnis umgeladen, so daß auch die Grunclspannung »einen anderen,im dargestellten Heispiel ciileh niedrigeren Wert erhält, durch den die Kompnnclierungskennlinie zeitverzögert verschoben wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung für eine mit Puls-Code-Modulation arbeitende Übertragungsanlage mit einem oder mehr Kanälen, bei der die Umsetzung der Momentwerte jedes Nachrich'.ensignals periodisch in diskrete Stufenwerte durch einen Codierer erfolgt, der durch seine nichilineare Quantisierungskennlinie eine momentan wirkende Kompression bewirkt, und bei der die Rückumsetzung des Übertraglingssignals in die dem Nachrichtensignal entsprechenden Momentanwerle durch einen Decodierer erfolgt, der durch seine entgegengesetzt zum Codierer verlaufende Kennlinie eine momentan wirkende Expandierung bewirkt, wobei die beim Umsetzen verwendeten Vergleichsspannungswerte und die beim Rückumsetzen wiederherzustellenden Analogwerte aus einer Grundspannung abgeleitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die relative Lage der Kennlinie des Codierers (2. Fig. la) unrl des Decodieren (22, Fig. Ib) gegenüber der Gröüe der Momentan werte (LJ, F i g. 3a, 3b) des Nachrichtensignals dadurch veränderbar ist, daß die durch Teilung der Speisespannung (+ Ub, F i g. 2) gewonnene Grundspannung (u, Fig.2) durch einen abhängig von der Häufigkeit des Auftretens höherwertiger Binärstellen in den gewonnenen bzw. empfangenen PCM-Wörtern in seinem Teilerverhältnis gesteuerten Spannungsteiler (R 2, R 4 || Ts 1, Fig.2) veränderbar ist. wobei zur integration der höherwertigen Binärstellen dem steuerbaren Teil (R 4 Il Ts 1.Fi g. 2) des Spannungsteilers als Integrator die Reihenschaltung eines Widerstandes (R, Fig. la und Fig. Ib; R 5, ."ig. 2) und eines Speicherkondensators (C, Fig. la, Ib. 2) parallel geschaltet und die Grundspannun am Speicherkondensator abnehmbar ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1. mit mehreren Nachrichtenkanälen im Zeitmultiplexbetrieb, dadurch gekennzeichnet, daß für den Codierer (2. F i g. 1 a) und für den Decodierer (22, F i g. 1 b) für jeden Nachrichtenkanal je ein Speicherkondensator (C. Fig. la. Ib) vorgesehen ist, der durch Torschaltungen (11, 12. Fig. la bzw. 31, 32, Fig. Ib) für die Zeitdauer der Umsetzung des zugeordneten Nachrichtenkanals sowohl an den Codierer bzw. Decodierer als auch an die die höheren Slufenwerte ableitende logische Verknüpfung (7. F i g. la bzw. 27. Fig. Ib) anschaltbar ist.

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für eine Übertragungsanlage mit Puls-Code-Modislalion. bei der die Umsetzung der Momentanwerte jedes Nachrichtensignals periodisch in diskrete Stiifenwerte durch einen Codierer erfolgt, der durch seine nichtlineare Quantisierungskennlinie eine momentan wirkende Kompression bewirkt, und bei der die Rückumsetzung des Übertragungssignals in die dem Nachrichtensignal entsprechenden Momentanwerte durch einen Deeodie· rer erfolgt, der durch seine entgegengesetzt zum Codierer Verlaufende Kennlinie eine momentan wirken^ de Exparidicfüng bewirkt, wobei die beim Umsetzen Verwendeten Vergleichsspannungswerte und die beim Rückumselzen wiederherzustellenden Analogwerle aus einer Grundspannung abgeleitet werden.

In Übertragungsanlagen mit Puls-Code-Mudulation sind nur eine An/uhl diskreter Amplitudenwerie übertragbar, es enthält daher das empfangene Signal gegenüber dem Eingangssignal Abweichungen, die sich als Quantisierungsgeräusch äußern. Der Dynamikbereich der Anlage ist folglich nur der Bereich aller derjenigen Aussteuerungen, die zwischen dem Einsat/ der Signalb;grenzung durch Erreichen des höchsten

to Stufenwertes und dem gerade noch einen ausreichenden Abstand gegenüber dem Quantisierungsrauschen aufweisenden Stufenwert liegen.

Je gröber die Stufung im Verhältnis zur Momentanspannung des Signals ist, desto größer ist das Quantisierungsrauschen. Aus diesem Grunde steigt bei linearer Quantisierung, bei der der Aussteuerbereich in gleich große Stufen geteilt ist. mit abnehmender Signalspannung das Rauschen an. Demgegenüber ist bei nichtlinearer Quantisierung, bei der für die kleineren

so Amplitudenwerte eine größere Kennliniensteigung mit einer feineren Stufung vorgesehen ist. der Dynamikbereich zu den kleinen Amplitudenwerten hin ausgeweitet. Diese Erweiterung geschieht zwar auf Kosten einer Erhöhung des Klirrfaktors bei großen Amplitudenwerten, diese ist jedoch nicht schwerwiegend, weil dort die Verzerrungen vor dem Erreichen der Signalbegrenzung klein sind. Bei dieser Kennlinienforni wird wegen der Bevorzugung der klc'.nen Amplitudenwerte eine momentan wirkende Kompression erzielt. Auf der Empfangsseite hat dann für die Rückgewinnung des Signals die Decodierung der Slufenwerte an einer entgegengesetzt gekrümmten Kennlinie zu erfolgen, die eine momentan wirkende Expandierung bewirkt.

Der logarithmische Verlauf der Quantisierungskennlinie wurde als besonders günstig festgestellt, weil dabei das Verhältnis der Signalleistung zur Quanlisierungsgeräuschleistung konstant ist. so daß die unlere Grenze des Aussteuerbereiches durch das Grundgeräusch bestimmt ist. In einem Aufsatz von W. B I e i c k a r d t:

^o »Auswirkungen der Quantisierung it> PCM-Systemen« in den »Hasler-Mitteilungen«, 23. Jahrgang (!964). Heft 2, Seiten 41 bis 64, ist vorgeschlagen worden, eine unter Berücksichtigung des Quantisierungs- und Grundgeräusches günstige Annäherung an den logarithmisehen Verlauf durch »stückweise lineare Kompression« zu erreichen. Die hierbei erzielte Knickkennlinie wird aus vielen, im angegebenen Beispiel aus drei linearen Segmenten zusammengesetzt. Vorteilhafter ist jedoch eine aus einer größeren Anzahl von Segmenten zusammengesetzte llnickkennlinie. Für die Codierung von Sprachsignalen sind Kennlinien aus 13 Segmenten üblich geworden.

Durch die logarithmischen oder angenähert logarithmischen Quantisierungskennlinien erfolgt auf der Sendeseite eine momentan wirkende Kompression und auf der Empfangsseite eine momentan wirkende Expandicrung. Durch diese momentan wirkende Kompandierung wird demnach eine Vergrößerung des ausnut/baren Dynamikbereiches erzielt.

Übliche Codierer für die Puls-Code-Modulation arbeiten entweder nach dem Zählverfahren oder nach dem Wiegeverfahren.

Beim Zählverfahren wird jeder Abtastwert mit einer sich selbsttätig ändernden Vergleichssparinung vergll·

es chen, wobei die gemessene Zeit vom Beginn des Codiervorganges bis zur Gleichheit vori Ablastwcrl Und Vergleichsspannung die Grundlage für das zu übertra* gende PCM'Codewofl bildet. Als Vergleichsspannungs-