DE2053378A1

DE2053378A1 - Verfahren und Anordnung zur Regenerierung von impulsförmigen Signalen

Info

Publication number: DE2053378A1
Application number: DE19702053378
Authority: DE
Inventors: A Becker; V Schmidt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1970-10-30
Filing date: 1970-10-30
Publication date: 1972-05-04
Also published as: DE2053378B2; SE375675B; NL163931C; AU3478771A; GB1373784A; AU463546B2; BE774708A; NL163931B; AT313371B; CH547579A; FR2113297A5; NL7114492A; DE2053378C3

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT München, den 3 0. OKI 1970 Berlin und München Witteisbacherplatz 2

70/6791

Verfahren und Anordnung zur Regenerierung von impulsformigen Signalen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regenerierung von impulsförmigen elektrischen Signalen, insbesondere binären oder quasiternären Signalan, vorzugsweise Pulscodemodulation-(PCM) Signalen. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf Schaltungen zur Durchführung dieses Verfahrens.

Impulsförtuige elektrische Signale, d.h. Signale, die beispielsweise als binäre Signale zwei verschiedene Zustände oder als quasiternäre Signale drei verschiedene Zustände annehmen, können beispielsweise leitungsgebunden über Kabel übertragen werden. Kabel haben bestimmte, einem Tiefpaß ähnelnde Übertragungseigenschaften, die die Impulse der zu übertragenden Signale verändern können. Zusätzlich können auf dem Übertragungsmediuro den zu übertragenden impulsförmigen Signalen Störimpulse und/oder Störgeräusche überlagert werden. Sollen impuleförmige Signale über große Strecken übertragen werden, so ist es notwendig, in bestimmten Abständen Regeneratoren in den Übertragungsweg einzubauen, die sowohl die zu übertragenden Nutzsignale von den auf dem Übertragungsweg überlagerten Störsignalen trennen, als auch die ursprüngliche Impulsform und Impulsamplitude wieder herstellen.

Die bisher üblichen Verfahren sehen eine "Amplitudenentscheidung" vor. Dazu werden die verzerrten Impulse der ankommenden Signale einen Schwellwert-Detektor, z.B. einer Schmitt-Triggerschaltung zugeführt, dei dann anspricht,

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BAD OKlGiNAL

2 0 98 VJ/C Ii VJ

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wenn die Amplitude des jeweils ankommenden verzerrten "ünzelimpulses einen vorgegebenen Mindestwert übernchreitet. Kine mögliche Schaltungsanordnung für die Realisierung- des beschriebenen Verfahrens zur Regeneration von bipolaren Signalen ist beispielsweise durch die DAS 1 264 502 bekanntgeworden. Dabei darf allerdings das Verhältnis von Nutzsignalamplitude zu Störsignalamplitude einen bestimmten Wert nicht überschreiten, damit die verzerrten Impulse des ankommender. Nutzsignals regeneriert werden können.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist es, eine Re£enerierung von gestörten Signalen auch dann zu ermöglichen, wenn das vorerwähnte Verhältnis von l·7utceignalam^clitude zu Störsignalamplitude einen kleireren Wert aufweist, als zur Regenerierung mit Hilfe der Amplitudenentscheidung notwendig wäre.

Ausgehend von einem Verfahren der einleitend geschilderten Art wird diese Aufgabe erfindungsgennß dadurch gelöst, daß die Signalenergie jeweils über die Zeit des Einzelzeichens (Impuls) integriert wird, und daß aus dem durch die Integration gewonnenen Wert das Kriterium für den Empfang eines Einzelzeichens abgeleitet wird.

Eine vorteilhafte Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgeiuäßen Verfahrens für die Zeichenentscheidung bei binärer Pulsmodulation, insbesondere binärer Pulscodemodulation ist dadurch gekennzeichnet, daß ein vorzugsweise als Widerotand-Kondensator-Glied ausgebildetes Integrierglied vergesehen ist, daß ein Schalter zur bittaktsynchronen Entladung des integrierenden Schaltungsteils, wie des Kondensators im Integrierglied vorgesehen ist, und daß ein an den integrierenden Schaltungsteil mit seinem Eingang angeschalteter Integralwertentscheider vorgesehen ist, an desaen Ausgang dann ein Signal anst°ht, wenn der Integralwert des in den integtierenden Schaltungsteil eingespeisten Nutzsignals einen vorgegebenen Wert überschreitet.

BAD ORIGINAL V ha <)/4 v/i w 20 98 1fl/f)«vn ■

Eine weitere vorteilhafte Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens für die Zeichenentscheidung bei quasiternärer PCM ist dadurch gekennzeichnet, daß ein vorzugsweise als integrierender Verstärker ausgebildetes Integrierglied und ein Integralwertentscheider mit zwei Eingängen und einem Ausgang vorgesehen sind, daß ein Eingang des Integralwertentscheiders mit dem den Integralwert abgebenden Anschluß des Integriergliedes und der andere Eingang des Integralwertentscheiders mit einer Vorspannungsquelle verbunden is*, und daß die Vorspannung für den zweiten Eingang des Integralwertentscheiders derart gewählt ist, dεß der Integralwertentscheider je nach den Ursprungszeichen an seinem Ausgang entsprechende Zeichen abgibt.

Zweckmäßig ist es, wenn dem Integralwertentscheider eine verzogsrnde bistabile Kippstufe nachgeschaltet ist, die im Rnythnms des Bittaktes derart seitverzögert ausgelöst wird, daß dir Ausgangsiropulsfolge die vorgegebene Bittaktfrequenz hat.

Weiterhin empfiehlt es sich für die erwähnten erfindungsgemäßen Schaltungen der bistabilen Kippstufe einen Pulsformer nachzuscnalten.

Vorteilhaft iat es, wenn die Verbindung zwischen Kippstufe und Pulsformer für zu übertragende Signale gleichspannungsfrei ist.

In der der Erläuterung der Erfindung dienenden Zeichnung zeigen

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines Blockschaltbildes einer Schaltungsanordnung für die Zeichenentscheidung bei binärer PCM,

BAD OWGlNAL.

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Fig. 2a bis f Pulspläne zur Erläuterung der Wirkungsweise

des Blockschaltbildes in Fig. 1 ,

Fig. 3a u. 3b ein typisches Zeitdiagra.mm von binären bzw.

quasiternären Nutzsignalen,

Fig. 4 die Abhängigkeit der Amplitude der maximal

zulässigen Störsignalspannung von der normierten Frequenz >:,

Fig. 5 Störspannungsspektren von binären und quasiternären PCM-Systemen,

Fig. 6 Nutzspannungsspektren von binären und quasiternären PCM-Systemen,

Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel eines Blockschaltbildes einer Schaltungsanordnung zur Zeichenentscheidung bei pseudoternärer PCM und

Fig. 8 Puispläne zur Erläuterung der Wirkungsweise

der Schaltungsanordnung nach Fig. 7.

In Fig. 1 ist eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgecäßen Verfahrens für die Zeichenentscheidung bei binarer Pulscodemodulation dargestellt. Sie enthält ein Widerstand-Kondensator-Integrierglied, bestehend aus dem Widerstand R und dem Kondensator C, einem Schalter K, der den Kondensator C jeweila bei Anliegrn der Taktiupulse b kurzschließt. Weiter ist ein Integraiwertentsoheider W vorgesehen, dessen Eingänge mit den Kondensatorklemmen verbunden sind, und dessen Ausgang mit den beiden Eingängen einer verzögernden bistabilen Kippstufe verbunden ist, die mit Hilfe des an der Auslösung L anliegenden Impulsfolge e ausgelöst werden kann.

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Anhaad der Pig. 2a bis f sei die Wirkungsweise der "beschriebenen Schaltungsanordnung näher erläutert. Dem Eingang des Integriergliedes wird ein binäres PCM-Signal, das beispielsweise das ZeitdiagraiDTD nach Fig. 2a habe, zugeführt, wodurch an dessen Ausgang nach jeweils einem PCM-Zeichen dessen Integralwert gemäß Fig. 2c auftritt. Mit Hilfe des Integralwertentscheiders W wird festgestellt, ob dieser Integralwert jeweils den Schwellwert 0 über- oder unterschreitet (Pig. 2d). Das Ausgangssignal des Integralwertentscheiders wird zu den Zeitpunkten des Taktes nach Fig. 2e abgefragt und der abgefragte Wert in die verzögernde bistabile Kippstufe übernommen. Sofort anschließend wird mit Hilfe des Schalters K gemäß dem bitsynchronen Takt nach Fig. 2b jeweils der am RC-Glied anstehende Integralwert auf Null zurückgestellt und damit das RC-Glied für die Integration des nächsten Zeichens freigemacht. Am Ausgang der verzögernden bistabilen Kippstufe erhält man das Signal nach Fig. 2f, das zusätzlich noch über einen der bistabilen Kippstufe nachgeschalteten Impulsformer geschickt werden kann, so daß Zeichen mit beispielsweise sinusförmigen Übergängen erhalten werden. Für die Zeitkonstante des Integriergliedes in Fig. 1 ist etwa die dreifache Zeichendauer ausreichend; deshalb genügt hier zur Integration ein einfaches Widerstandskondenaator-Integrierglied, an dessen Stelle jedoch auch ein integrierender Verstärker treten kann.

Anhand der Fig. 3 bis 7 seien im folgenden die Grundlagen des erfindungsgemäßen Verfahrens näher erläutert.

Eine fohlerfreie Zeichenerkennung bei Amplitudenentscheidung ist möglich, wenn unabhängig von der Frequenz einer Störspannung die Amplitude der Störspannung bei der Binärübertragung von PCM-Signalen etwas kleiner als die Nutzspannungsamplitude ist. Bei Quasiternärübertragung muß die Störspannungs-

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amplitude entsprechend etwas kleiner als die halbe Nutzspannungsamplitude sein. Dies« Bedingungen ändern sich, wenn man zur Zeichenentscheidurg über dia Sumne aus Nutz- und Störspannungen während der Dauer jeweils eines Zeichens integriert. Ein Zeichen ist gerade dann noch zu erkennen, wenn gilt:

ζ ,-

dt

(1)

Dabei bedeuten V= f · t die auf die Bitrate normierte Zeit, Ü_NA die Nutzspannung, Uj^ die Störspannung und ζ die Zeichendauer. S ist ein Schwellwert, der den Mittelwert der Integral werte über die Nutzspannung, die dem binären Zeichen "1" und die, die dem binären Zeichen "0" entspricht, darstellt.

Beispielsweise werden bei Binär- oder Pseudoternärübertragung Signale, deren positive und negative Spitzenwerte gleich gro3 seien, mit sinusförmigen Obergängen zwischen den einzelnen Zeichen verwendet.

Fig. 3a zeigt ein typisches Zeitdiagramm von binären Nutzsignalen, wobei bezüglich des relativen Flächeninhalts drei

verschiedene Zeichen

bzw. F. und

zu unterscheiden

sind. Bei der Zeichenentscheidung mit Hilfe einer Integration ist die Zeichenform ?^ am störanfälligsten, da das zwischen invertierten Zeichen eingeschlossene einzelne Zeichen die kleinste Fläche besitzt. Der Schwellwert S hat bei der Binärübortragung den Wert O, da die binären Eireen im Mittel dieselbe Fläche besitzen wie die binären Nullen, jedoch mit umgekehrten Vorzeichen. Bei den quasiternären Nutzsignalen, für die ein typisches Zeitdiagramm in Fig. 3b abgebildet ist, gibt es, sie^t man von Verschleifungen an den Übergängen zwischen den Zeichen ab, bezüglich des relativen Flächeninhaltes nur zwei verschiedene Zeichenforroen: Die Zeichen ¹¹I" und die Zeichen "0". Die Zeichen "1" besitzen jeweils die, Fläche einer Sinuahalbwelle (F₆, Γ_?, F₈), während die Zeichen "0"

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— ι —

im Idealfall die Fläche O besitzen (F5)- Der Schwellwert S

ist in diesem F; Sinushalbwelle.

ist in diesem Fall gleich dem ^r fachen der Amplitude der

Sowohl bei der Binär- als auch bei der Pseudoternärübertragung von PCM-Signslen treten, wie angenommen, als Nutzspannungen Sinushalbwellen auf. Diese werden dann am meisten gestört, wenn die als ebenfalls sinusförmig angenommenen Störspannungen bei gegebener Amplitude bezüglich ihrer Phasenlage zur Nutzspannung so liegen, daß der Integralwert über die Störspannung bei gegebener Frequenz und Amplitude den Integralwert über die Nutzspannung naxinral verhindert. Dies ist dann der Fall, wenn bei Frequenzen der Störspannung zwischen der Frequenz O und der Bitrate das Maximum der Störspannung gegenphasig zum betrachteten Maximum der Nutzspannung liegt, während es oberhalb der Bitrate bis zu deren doppelten Wert dann der Fall ist, wenn ein Maximac der Storspannung mit dem betreffenden Maximum der Nutzspannu^g in Phase ist.

Unter Berücksichtigung dieser Erkenntnis wird aus Gl. (1):

4 4 / cos/τ r dr - /

a(x) 2OS 2 7Tx rdT

0 für binär

— für pseudoternär

a(x) bedeutet hierbei die Amplitude der Störsignalspannung und χ die aaf die doppelte Frequenz der angeführten Cosinus-Halbwel?e, d.h. auf die Bitrate normierte Frequenz der Störsignal spannung. Löst man 61. (2) auf, so erhält man die Funktion

^a< ^fl"^{lr fcinäre b?w}- a'<4 ^für P^seud°-

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Signale. Die in Pig. 4 dargestellte Punktion a(x), also die Abhängigkeit der Amplitude der Störsignalspannung von der normierten Frequenz χ gibt an, una wieviel eine Störspannung bei gleicher Störwirksamkeit abhängig von ihrer Frequenz größer sein darf oder kleiner sein muß als bei der reinen Amplitudenentsoheidung. Bei dieser gilt für «alle Frequenzen der Störspannung die Bedingung, daß die Amplitude einer Störspannung etwas kleiner sein muß als die bzw. die halte Nutzspannungsamplitude. Eine Verbesserung, also eine Verringerung des Greiäuschabstandes bei gleicher Fehlerrate gegenüber der reinen Amplitudenentscheidung erhält man, wie aus der Funktion a(x) zu entnehmen ist, nur bei Frequenzen, die oberhalb der halben Bitrate liegen. Fig. 5 zeigt nun, daß der überwiegende Anteil der Störenergie, die der Fläche des Störspannungsspektrums proportional ist, oberhalb der halben Bitrate liegt und zwar bei binären und quasiternären PCM-Systemen. Dies geht auch aus "Signalarten und Signalformen bei der Übertragung von PCM-Signalen auf symmetrischen Fernsprechkabeln" von R. Kersten, veröffentlicht im "Archiv der elektrischen Übertragung", Band 22, Heft 10, hervor. Der Vollständigkeit halber sind in Fig. 6 die auftretenden Nutzspannungsspektren ^on binären (gestrichelt) und pseudoternären (durchgezogen) PCM-Systemen in Abhängigkeit von der normierten Frequenz χ aufgetragen.

Die Integration von einzelnen Zeichen von verzerrt ankommenden Signalen auf binären oder pseudoternären PCM-Übertragungsstrecken ermöglicht es also, den Regeneratorabatand bei gleichbleibender Fehlerrate zu erhöhen.

Fig. 7 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Zeichenentscheidung bei quasiternärer Pulscodemodulation, die im wesentlichen aus einem integrierenden Verstärker IV, einen; Integralwertentscheider W, einer bistabilen Kippstufe F¹ und einer durch

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Kq^denjatpren angekoppelten Pulsformersch3.1tung P beie $upb,£jtabe^ g pip m kenstlicb, gedjy Schaltung kqrrespondieren pit den,

uryen?Ugen. Dem Ein,gan,g W^{ird dai3} quaaiteriiärs

vrodurch an seine^

fli lltpptiMg^te li§P^ flg. an diepes Sign,flf J§5 |^pa^ert9Wi?|<?^gider ¥· ptellt fest, ob d|.e,pe. ZQ-$,fgf%.!%%■£■$φ den Spl?isrellyer-(; S übergehreiten; das airj ^ifPf #f| i^lif^flWeTt^Pts^eid⁶¹¹? W auftretende S||ii]|l %&\0 ffyt ii. ?ur Ze^ 4es ?akteo n,ach Pig. 8k, der belfnif^sfeigf aus Glep PCIi-SignfLl gewonnen werden d^.e |j.p|^ufe I" ^as af ^.^agang des

f¹ ^fgepdf Signal, woraufhin aus ihrem Aus- V&9& ?^g· ^l rait Hilfe des Pulsformers P das he PC^-Signal pach Pig. 8g wiedergewonnen wird. P4e Zeitkp|ift§ntf dfs integrierenden Verstärkers IV maß bei d,i§s.gr Sp^^tunigi-por^Tiung groß sein gegen die Dauer der pagiijjfl jpr|cq^fnden binären Zeichen "O" !zwischen binären Zeichen H" Yerschiedener Polarität, was aber oit iiilfe 4es int^grl-erendep Verstärkers IV leicht zu bewerkstelligen ifj?. ^.^i geeigneter piniep^ionierung kann der

IV avich durch ein einfaches Wider-

ersetzt werden. Als PuIs-P k^n #fr 4pp^attbertr^ger des Regenerators

>fer_;^en_? dea eiiie definierte Streuung gegeben der durph KpQder-|atoren zu einem Tiefpaß ergänzt

P^e mit 4?r Erfindvipg erzielbaren Vorteile bestehen insbes,ppdere $%rixi, daß wegen des größeren zulässigen Verhältii|6gej yqn 3tör^i^§I§m_;pl^.tude zu fiutzsignalamplitude bei "Integralen1;§phe^^n.g^ itp (Jegen^atz zur Amplitudenentscheiduptg die Abjtäiide ypn Regeperfitoren bei gleichbleibender

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RAD

i f

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Claims

- 11 Patentansprüche

Iy Verfahren zur Regenerierung von impulsförmigen elektrischen Signalen, insbesondere binären oder quasiternären Signalen, vorzugsweise PCM-Signalen, dadurch gekennzeichnet , daß die Signalenergie jeweils über die Zeit des Einze]zeichens (Impuls) integriert wild, und daß aus dem durch die Integration gewonnenen Wert das Kriterium für den Empfang eines Einzelzeichens abgeleitet wird.
2. Schaltung zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch für die Zeichenentscheidung bei binärer Pulsmodulation, insbesondere binärer Pulscodemodulation, dadurch gekennzeichnet , daß ein vorzugsweise als Widerstand-Eondensator-Glied ausgebildetes Integrierglied vorgesehen ist, daß ein Schalter zur bittaktsynchronen Entladung des integrierenden Schaltungsteils wie der Kondensators im Integrierglied vorgesehen ist, und daß ein an den integrierenden Schaltungsteil mit seinem Eingang angeschalteter Integralwertentscheider vorgesehen ist, an dessen Ausgang dann ein Signal ansteht, wenn der Integralwert des in den integrierenden Schaltungsteil eingespeisten Nutzsignals einen vorgegebenen Wert überschreitet.
3. Schaltungsanordnung zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1 für die Zeichenentscheidung bei quasiternärer PCM, dadurch gekennzeichnet, daß ein vorzugsweise als integrierender Verstärker (IV) ausgebildetes Integrierglied und ein Integralwertentscheider mit zwei Eingängen und einem Ausgang vorgesehen sind, daß ein Eingang des Integralwert-

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ertscheiders mit dea den Integralvrert abgebenden Anschluß des Integriergliedes und der andere Eingang ies Integralwertentscheiders mit einer Vorspannungsquelle verbunden ist, und daß die Vorspannung für den zweiten Eingang des Integralwertentscneiders derart gewählt ist, daß der Integralwertentscheider je nach den Ursprungszeichen an seinem Ausgang entsprechende Zeichen abgibt.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß dem Integralvrertentscheider eine verzögernde bistabile Kippstufe (P) nachgeaoha.ltet ist, die im Rhythmus des Bittaktes derart zeitverzögert ausgelöst wird, daß die Ausgangsimpulsfolge die vorgegebene Bittaktfrequenz hat.
5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der bistabilen Zippstufe ein Pulsformer (P) nachgeschaltet ist.
6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche ? bi3 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen Kippstufe und Pulsforaer für zu übertragende Signale gleichspannungsfrei ist.

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