-
Verfahren und Schaltungen zur Deltamodulation Bei getakteter Deltamodulation
wird bekanntlich, vereinfacht ausgedrückt, ein analoges Signal unmittelbar in eine
Folge digitaler Impulse dadurch umgewandelt, dass aus den in zeitlich gleichen Abständen
aus dem analogen Signal gewonnenen Werten jeweils zwei unmittelbar aufeinander folgende
untereinander verglichen und dabei ein Kennzeichen für die Richtung der Änderung
des späteren gegenüber dem früheren Wert gewonnen und übertragen wird. In verwirklichten
Deltamodulatoren wird im allgemeinen der spätere Abtastwert nicht ununmittelbar
mit dem früheren, sondern mit einem diesem möglichst ähnlichen Wert aus einer Reihe
von Spannungsstufen verglichen.
-
Nach jedem Vergleich wird die Vergleichsspannung in Richtung der festgestellten
Änderung des Abtastwertes um eine Stufe
geändert. Bei einheitlich
gleichen Stufen der Vergleichsspannung spricht man von linearer Deltamodulation.
Gegeben durch die begrenzte Anzahl der Abtastwerte je Zeiteinheit und die mögliche
Anzahl und Grösse der Stufen der Vergleichsspannung ergibt sich dabei der Nachteil,
dass die Vergleichsspannung raschen und grösseren Änderungen der Abtastwerte nicht
schnell genug folgen kann und sich daher Verformungen, das bedeutet Verzerrungen
der übertragenen Analogsignale ergeben.
-
Es sind eine Reihe von Vorschlägen zum Beseitigen dieses Nachteils
gemacht worden. Neben dem nur begrenzt wirksamen Pressen der Dynamik des Analogsignals
vor dem Codieren und Dehnen nach dem Decodieren sind vor allem Verfahren vorgeschlagen
worden, bei denen die Stufen der Vergleichs spannung nichtlinear gestuft sind. Als
Beispiel eines solchen Verfahrens sei die flHigh Information Delta Modulation",
abgekürzt HIDM, genannt, bei der die Grösse der Stufen abhängig von Anzahl der aufeinander
folgenden Kennzeichen für eine gleichgerichtete Änderung des Abtastwertes gesteuert
wird. Hierbei kann eine Art Überschwingen der Vergleichsspannung, d.h. beispielsweise
eine Vergrösserung der Vergleichsspannung um mehrere Stufen, obwohl der nächste
Analogwert gegenüber dem vorhergehenden nur noch unwesentlich ansteigt, gleichbleibt
oder gar abfällt, ebenfalls mit der Folje des Verzerrens des übertragenen Signals
nicht vermieden werden.
-
Ursache dieser1 allen bekannten Verfahren zur getakteten Deltamodulation
eigenen
Nachteile ist die Rückwärtsregelung der Vergleichsspannung infolge eines Taktes
und damit einer Verzögerung oder Nachlaufabweichung der Vergleichsspannung gegenüber
dem ursprünglichen Signal.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und Schaltungen
zum Durchführen dieses Verfahrens anzugeben, durch die die genannte Nachlaufabweichung
verkleinert und damit die Übertragungsgüte von Deltamodulationssysteme*verbessert
wird.
-
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Deltamodulation von Analogsignalen
durch einen getakteten Deltamodulator, im wesentlichen bestehend aus einer den jeweiligen
Wert des Analogsignales mit dem Wert einer Vergleichsspannung vergleichenden Vergleichsschaltung
und einer abhängig vom Ausgangssignal der Vergleichsschaltung in Stufen umschaltbaren
Vergleichsspannungsquelle, ist dadurch gekennzeichnet, dass zu jedem Zeitpunkt von
den durch die Vergleichsschaltung zu vergleichenden Signalen das erste gleich ist
dem Augenblickswert des zeitlich um einen bestimmten Wert verzögerten Analogsignals
und das zweite gleich ist der Summe des Wertes des Ausgangssignals der Vergleichsspannungsquelle
mit einem dem Augenblickswert der zweiten Ableitung des unverzögerten Analogsignals
nach der Zeit verhältnisgleichen (Änderungs-) Wert.
-
Beim erfindungsgemässen Verfahren ist die der Vergleichsschaltung
zugeführte
Vergleichsspannung nicht allein bestimmt durch die durch das Ausgangssignal der
Vergleichsschaltung bewirkte Änderung des Ausgangssignales der Vergleichsspannungsquelle
bekannter Art, sondern erfährt eine zusätzliche Änderung in Gegenrichtung der zukünftigen
Änderung des Analogsignales. Die nach bekanntem Verfahren durch eine Rückwärtsregelung
gesteuerte Änderung der Grösse des Ausgangssignales der Vergleichsspannungsquelle
mit der Folge von Verzerrungen durch den Deltamodulator und die erfindungsgemäss
durch eine Vorwärtsregelung gesteuerte zusätzliche Änderung der Vergleichsspannung
wirken in Bezug auf die Verzerrung in entgegengesetzter Richtung.
-
Durch geeignete Wahl erstens der Verzögerungszeit für das Analogsignal
und zweitens der Grösse des Wertes der zweiten Ableitung des Analogsignales im Vergleich
zum Wert des Analogsignales kann die Verzerrung der gesamten Anordnung zumindest
beträchtlich herabgesetzt werden.
-
Die Erfindung wird nachstehend an Hand von Zeichnungen näher erläutert.
Hierzu zeigen die Fig. 1 den Übersichtsschaltplan eines bekannten Deltamodulators,
Fig. 2 den Übersichtsschaltplan einer einfachsten Schaltung zum Durchführen des
Verfahrens bei Sinussig nalen, Fig. 3 den Übersichtsuchaltplan einer beispielhaften
Schaltung
zum Durchführen des Verfahrens nit zweimaliger Differentiation des Analogsignales,
Fig. 4 den Übersichtsschaltplan eines Ausführungsbeispieles einer Schaltung zum
Durchführen des Verfahrens mit zu verschiedenen Zeitpunkten dem Analogsignal entnommenen
Proben, bei dem die zweite Ableitung des Analogsignales durch Differenzmessungen
gewonnen wird, und Fig. 5 den Übersichtsschaltplan eines Ausführungsbeispieles einer
Schaltung zum Durchführen des Verfahrens mit zu verschiedenen Zeitpunkten dem Analogsignal
entnommenen Proben unter Verwendung eines Schieberegisters für Analogsignale.
-
Die bekannte Schaltung eines Deltamodulators nach Fig. 1 enthält als
wesentliche Bestandteile eine Vergleichsschaltung VS mit zwei Eingängen El bzw.
E2 und eine Vergleichsspannungsquelle VQ, deren Ausgangs-Gleichspannung gesteuert
in Stufen umschaltbar ist.
-
Die Vergleichsschaltung liefert beispielsweise ein Ausgangssignal,
wenn der Wert des ihr über ihren ersten Eingang E 1 zugeführten Analogsignales grösser
ist als der Wert der ihr über ihren zweiten Eingang E2 zugeführten, von der Vergleichsspannungsquelle
VQ gelieferten Vergleichsspannung. Die Vergleichsspannungsquelle wird abhängig vom
Ausgangssignal der Vergleichsschaltung VS bzw. des Modulators umgeschaltet. Im gezeigten
Beispiel ist das Umschalten der Vergleichsspannungsquelle weiterhin abhängig vom
Auftreten des Schrittaktes T, der ebenso wie das Ausgangssignal
des
Deltamodulators einer UND-Schaltung U zugeführt wird, deren Ausgangssignal das Umsteuersignal
darstellt.
-
Eine zwischen dem Ausgang der Vergleichsschaltung VS nachgeschaltete
bistabile Kippschaltung KS kann beispielsweise dynamische, d.h. kurze Ausgangssignale
der Vergleichsschaltung VS über längere Zeit halten und/oder stellt sicher, dass
die Signale am Ausgang A des Deltamodulators unabhängig von der Grösse des Ausgangssignales
der Vergleichsschaltung einheitliche Grössen 0 oder 1 oder auch +1 oder -1 haben.
-
Nachteile dieser Schaltung wurden eingangs genannt, Das eine solche
oder ähnliche Schaltung verbessernde erfindungsgemässe Verfahren greift ein in die
Verbindung zwischen dem Ausgang der Vergleichsspannungsquelle VQ und dem zweiten
Eingang E2 der Vergleichsschaltung VS und erniedrigt oder erhöht die der Vergleichsschaltung
VS zugeführte Vergleichsspannung abhängig von einem gegenüber dem jeweils am Eingang
El der Vergleichsschaltung VS liegenden Analogwert späteren Analogwert.
-
Die Schaltungsbeispiele nach Fig. 2 bis Fig. 3 zeigen jeweils in einem
strichpunktierten Rahmen die einen bekannten Deltamodulator ergänzenden Teile zum
Durchführen des erfindungsgemässen Verfahrens. Dabei sind vereinfachend nur die
wesentliehsten Teile, nämlich die Vergleichsschaltung VS und die VergleichJspannunggquelle
VQ dargestellt, wobei darauf hinzuweisen
ist, dass die Anwendung
des erfindungsgemässen Verfahrens nicht auf Deltamodulatoren der in Fig. l gezeigten
Art beschränkt ist. Baugruppen gleicher Art sind in allen Figuren gleich bezeichnet.
-
Vereinfachend sei zunächst angenommen, das Analogsignal sei eine reine
Sinusschwingung der Form y = sin x, mit der ersten Ableitung y' = cos x und der
zweiten Ableitung y" = - sin x. Daraus ergibt sich nach dem erfindungsgemässen Verfahren
für die von der Vergleichsspannungsquelle gelieferte Vergjeichsspannung Uv " sin
(x - b) ein Änderungswert - a (- sin x), und es wird der Vergleichsschaltung ein
Wert Uv' - Uv + a sin x = = sin (x-b) + a sin x zugeführt.
-
Das Ungefährzeichen für die von der Vergleichsspannungsquelle gelieferte
Spannung ergibt sich daraus, dass diese Spannungen in Stufen quantisiert sind. In
der genannten Formel ist a ein wählbarer konstanter Faktor für die Grösse des Änderungswertes
und b der durch die ebenfalls wählbare zeitliche Verzögerung des Analogsignals bewirkte
Phasenunterschied zwischen dem dem ersten Eingang der Vergleichsschaltung zugeführten
Analogsignal und dem die veränderliche Grösse des auf den zweiten Eingang der Vergleichsschaltung
wirkenden Änderungswertes bestimmenden Analogsignal.
-
Eine einfache Schaltung zum Durchführen des Verfahrens für den Fall
reiner Sinusschwingungen zeigt der Übersichtsschaltplan
nach Fig.
2. Die den Deltamodulator ergänzenden Teile sind hierin eine Verzögerungsleitung
b, ein erster Verstärker Vi mit einem Verstärkungsfaktor a und einem dem Eingangssignal
gleichphasigen Ausgangs signal und ein zweiter1 summierender Verstärker V2, beispielsweise
ein in bekannter Weise als Summenverstärker beschalteter Operationsverstärker.
-
Der Eingang E des ergänzten Deltamodulators ist verbunden erstens
über die Verzögerungsleitung b mit dem ersten Eingang Ei der Vergleichsschaltung
VS und zweitens über den ersten Verstärker Vi mit dem ersten Eingang El' des zweiten,
summierenden Verstärkers V2. Über den zweiten Eingang E2' des zweiten Verstärkers
V2 wird diesem die Ausgangsspannung der Vergleichsspannungsquelle VQ zugeführt.
Der Ausgang des zweiten Verstärkers V2 ist verbunden mit dem zweiten Eingang E2
der Vergleichsschaltung VS. Damit liegen an den Eingängen der Vergleichs schaltung
VS zu jedem Zeitpunkt ein früherer Wert des Analogsignales als zu codierende Grösse
und eine als Summe aus der von der Vergleichsspannungsquelle gelieferten Grösse
und einer aus einem späteren Wert des Analogsignales abgeleitetn den Grad der gewollten
Änderung der Vergleichsspannung bestimmenden Grösse.
-
Die Wirkungsweise dieser Schaltung versteht sich auf Grund der angegebenen
mathematischen Beziehungen von selbst und
bedarf daher keiner weiteren
Erläuterungen.
-
Zum Gewinnen von Anderungswerten für die Vergleichsspannung aus beliebigen,
also vor allem aus nicht rein sinusförmigen Analogsignalen können die dazu notwendigen
Werte der zweiten Ableitung des Analogsignals gewonnen werden entweder durch Auswerten
von zu verschiedenen, aufeinanderfolgenden Zeitpunkten dem Analogsignal entnommener
Proben oder durch eine zweimalige Differentiation des Analogsignals.
-
Durch die Schaltung nach dem Übersichtsschaltplan Fig. 3 wird der
Änderungswert für den von der Vergleichsspannungsquelle gelieferten Wert durch zweimalige
Differentiation des am Eingang E anliegenden Analogsignales gewonnen. Hierzu dienen
zwei in Reihe geschaltete Differenzierglieder Dl und D2, vorzugsweise als Differenzierglieder
beschaltete Operationsverstärker, zu denen ein weiterer Verstärker V3 in Reihe geschaltet
sein kann, durch den dem durch die Differenzierglieder gewonnenen Wert der zweiten
Ableitung des Analogsignales die für den Änderungswert gewünschte Grösse und Polarität
gegeben werden kann. Das Ausgangssignal der Reihenschaltung der Differenzierglieder
Dl, D2 und gegebenenfalls des Verstärkers V3 wird, wie in der Schaltung nach Fig.
2, dem ersten Eingang E1' des summierenden Verstärkers V2 zugeführt.
-
Ein erstes Ausführungsbeispiel einer Schaltung zum Durchführen des
Verfahrens mit zu verschiedenen Zeitpunkten dem Analogsignal
entnommenen
Proben zeigt der Übersichtsschaltplan ier Fig. 4. Darin tritt anstelle der einfachen
Verzögerungsleitung b in Fig. 3 eine Verzögerungsleitung mit zumindest einem Abgriff
oder eine Kette von zumindest zwei hintereinander geschalteten Verzögerungsleitungen
bn, bl und anstelle der zwei in Reihe geschalteten Differenziergliedern eine Schaltung,
die zum Bilden einer der zweiten Ableitung des Analogsignales gleichen oder gleichwertigen
Grösse eine zweimalige Differenzmessung zwischen verschiedenen Augenblickswerten
des Analogsignals durchführt. Hierzu dienen drei Differenzverstärker D3, D4 und
D5. Der erste Differenzverstärker D3 liegt mit seinen zwei Eingängen an zwei verschiedenen,
näher dem Ausgang liegenden Abgriffen der Verzögerungsleitung oder, wie dargestellt,
am Eingang und Ausgang eines Gliedes bl oder mehrerer aufeinanderfolgender Glieder
näher dem Ende einer Kette von Verzögerungsleitungen und liefert ein dem Spannungsunterschied
zwischen dem zu codierenden oder einen kurz darauffolgenden und einem zeitlich späteren
Wert des Analogsignals verhältnisgleiches Ausgangssignal. Der zweite Differenzverstärker
D4 ist mit seinen zwei Eingängen verbunden mit je einem von zwei näher dem Eingang
liegenden Abgriffen der Verzögerungsleitung oder, wie dargestellt, mit dem Eingang
bzw. dem Ausgang eines Gliedes bn oder mehreren aufeinanderfolgenden Gliedern näher
dem Anfang einer Kette von Verzögerungsleitungen und liefert ein dem Spannungsunterschied
zwischen zwei zu verschiedenen, gegenüber
dem zu codierenden Wert
noch später dem Analogsignal entnommenen Werten verhältnisgleiches Ausgangssignal.
Die Ausgänge des ersten und zweiten Differenzverstärkers D3 bzw.
-
D4 sind verbunden mit je einem der zwei Eingänge des dritten Differenzverstärkers
D5, dessen Ausgangssignal verhältnisgleich ist der Differenz der Ausgangssignale
des ersten und des zweiten Differenzverstärkers D3 und D4 und zugleich den dem summierenden
Verstärker V2 zugeführten Änderungswert für die Vergleichsspannung bildet.
-
Bei abnehmender Steigung des Analogsignals liefert der dritte Differenzverstärker
D5 ein Ausgangssignal derselben Polarität, bei zunehmender Steigung dagegen ein
Ausgangssignal entgegengesetzter Polarität wie der zu codierende Wert des Analogsignals
am Eingang Ei der Vergleichsschaltung. Der Verstärkungsgrad eines oder mehrerer
der Differenzverstärker kann einstell- oder regelbar sein.
-
Ein zweites Ausführungsbeispiel einer Schaltung zum Durchführen des
Verfahrens mit zu verschiedenen Zeitpunkten dem Analogsignal entnoinmenen Proben
zeigt der Übersichtsschaltplan der Fig. 5. In dieser Schaltung wird anstelle einer
Verzögerungsleitung mit Abgriffen oder einer Kette von Verzögerungsleitungen wie
in der Schaltung nach Fig. 4 ein getak'-tetes Schieberegister für Analogsignale,
vielfach auch als Sarple/Hold-Schaltungsfolge oder als Eimerkettenschaltung
bezeichnet,
verwendet. Ein solches Schieberegister besteht aus einer Kette von Analog-Speicherelementen,
beispielsweise Kondensatoren Cl...Cn, mit je einem gesteuerten Schalter am Anfang
und zwischen den Gliedern der Kette. Die Schalter werden nacheinander periodisch
derart geschlossen und geöffnet, dass in einem ersten Zeitabschnitt der Periode
das letzte, am ersten Eingang El der Vergleichsschaltung VS liegende Speicherelement
Cl der Kette durch die Ladung des vorletzten Speicherelementes C2 neu geladen wird,
dass in einem zweiten Zeitabschnitt die Ladung des drittletzten auf das vorletzte
Speicherelement übertragen wird usw., bis während des letzten Zeitabschnittes das
erste Speicherelement Cn der Kette durch den Augenblickswert des Analogsignales
aufgeladen wird. Dabei wird das Analogsignal in bekannter Weise zeitquantisiert.
Das Steuern der Schalter im Analogschieberegister erfolgt mit einer Taktimpulsfolge
mit derselben Folgefrequenz wie die der den Deltamodulator steuernde Taktfolge T.
Die Takte T werden durch eine Kette von Verzögerungsgliedern tl...tn verzögert und
an Abgriffen nach einzelnen Gliedern dieser Kette die zeitlich verschobenen Taktimpulse
zum Steuern der Schalter vor den einzelnen Gliedern des Analog-Schieberegisters
gewonnen. Die Laufzeiten der Proben des Analogsignals innerhalb des Analogschieberegisters
von Abgriff zu Abgriff bzw. zum Ausgang sind ganzzahlige Vielfache der Taktperiodeç
Dazu kann das Schieberegister. eine grössere Anzahl von Speicherelementen C und
die Kette von
Verzögerungsgliedern eine grössere Anzahl von Gliedern
enthalten als vereinfachend dargestellt. Die mit ihren Eingängen mit ausgewählten
Speicherelementen des Analog-Schieberegisters verbundenen Differenzverstärker D3
und D4 und der diesem nachgeschaltete Differenzverstärker D5 entsprechen in ihrer
Zusammenschaltung und ihrer Wirkungsweise den gleichbezeichneten Differenzverstärkern
der Schaltung nach Fig. 4.
-
Die Erfindung erlaubt selbstverständlich auch andere Kombinationen
der in den beispielhaften Schaltungen nach Fig. 2 bis Fig. 5 enthaltenen Baugruppen.
-
In den gegebenen Schaltungsbeispielen ist zum leichteren Verständnis
jeweils ein das Ausgangssignal der Vergleichsspannungsquelle und den Änderungswert
summierender Verstärker V2 vorgesehen, dessen Ausgangssignal der Vergleicherschaltung
VS zugeführt wird. Die Aufgabe des summierenden Verstärkers kann auch von einer
Vergleichsschaltung, dann mit drei Eingängen übernommen werden, so dass der summierende
Verstärker V2 entfallen kann. Es werden dann der Vergleichsschaltung die zu codierenden,
verzögerten Analogsignale, die von der Vergleichsspannungsquelle gelieferten Werte
und die der zweiten Ableitung des unverzögerten Analogsignales verhältnisgleichen
Änderungswerte getrennt zugeführt.
-
Das erfindungsgemässe Verfahren ist selbstverständlich auch
anwendbar
in Deltamodulatoren mit nichtlinearer Stufung der Vergleichsspannung und es können
mit den beschriebenen Schaltungen zum Durchführen des Verfahrens die Verzerrungen
und auch das als nachteilig bei der Deltamodulation mit nichtlinearer Stufung genannte
Uberschwingen herabgesetzt werden.
-
Eine beträchtlich bessere Wirkung und damit noch geringere Verzerrungen
in Verbindung mit Deltamodulatoren mit nichtlinearer Stufung der Vergleichsspannung
ergeben sich durch die Verwendung weiterentwickelter Schaltungen zum Durchführen
des Verfahrens.
-
Bei diesen Schaltungen kann in Weiterentwicklung der Erfindung die
Grösse des dem ersten Eingang El' des summierenden, zweiten Verstärkers V2 bzw.
dem zweiten oder dritten Eingang der Vergleichsschaltung VS zugeführten Wertes und/oder
der zeitliche Abstand der dem Analogsignal entnommenen Proben durch Umschalten auf
andere Abgriffe der Verzögerungsleitung b in den Schaltungen nach Fig. 2, Fig. 3
und Fig. 4 oder des Analog-Schieberegisters in der Schaltung nach Fig. 5 abhängig
von der Grösse der zuletzt geschalteten Stufe der Vergleichsspannung im Deltamodulator
steuerbar sein. Die hierfür erforderlichen Steuersignale können von der Steuereinrichtung
für die Vergleichsspannung im Deltamodulator geliefert werden. In dieser Verbindung
bleiben die an sich bekannten Vorteile des Deltamodulators erhalten, während dessen
genannter Nachteil des nÜberschwingens" weitgehend behoben werden kann.