DE2159575A1

DE2159575A1 - Deltamodulator

Info

Publication number: DE2159575A1
Application number: DE19712159575
Authority: DE
Inventors: Stuart Keene Long Branch N.J. Tewksbury (V.StA.)
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1970-12-02
Filing date: 1971-12-01
Publication date: 1972-06-15
Also published as: SE387797B; DE2159575C3; BE775961A; DE2159575B2; JPS5414467B1; US3706944A; FR2116474B1; GB1355543A; NL7116378A; FR2116474A1; IT943134B; CA941507A

Description

WESTERN ELECTRIC COMPANY Tewksbury 1

Incorporated

NEW YORK (N. Y.), 10007, USA Deltamodulator

Die Erfindung betrifft einen Deltamodulator zur Umwandlung eines analogen Eingangs signals in ein digitales Aus gangs signal mit ä

einem Vergleicher zum Vergleich des Analogsignals und eines . Rüekkoppelsignals und zur Erzeugung eines Aus gangs signals, das für die Amplitudendifferenz des analogen Eingangs signals und des Rückkoppelsignals kennzeichnend ist, mit einem Abtastimpulsgenerator zur Erzeugung von Abtastimpulsen mit einer Folgefrequenz f und mit einer Quantisierungsstufe, die auf die Ausgangs-

Signale des Vergleichers und des Abtastimpulsgenerators gemeinsam anspricht, um digitale Aus gangs signale zu erzeugen.

Bei einem nichtadaptionsfähigen Deltamodulator (DM) mit konstantem Amplitudensprung, d.h. mit einem Amplitudensprung mit einem einzigen festen Wert, wird das analoge Eingangssignal, das codiert und übertragen werden soll, mit einer Abtastfrequenz :

f abgetastet. Die Abtastwerte werden dann mit dem Ausgangs signal

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eines Integrators verglichen, der von den übertragenen positiven und negativen digitalen Impulsen gesteuert wird. Die übertragenen Impulse erhöhen oder vermindern das Aus gangs signal des Integrators um diskrete Amplitudensprtinge eines einzigen Wertes, die im folgenden als Stufen σ bezeichnet werden. Da die Stufen sozusagen einwertig sind, ist der konventionellen nichtadaptionsfähigen Deltamodulatoren inhärente Nachteil ihre Unfähigkeit, einem analogen Eingangssignal zu folgen, dessen Amplitudenänderung von einem Abtastzeitpunkt zu dem nächsten größer ist als die grundlegende Höhe der Stufe or des Systems. Diese Unfähigkeit, einem schnell variablen analogen Eingangssignal zu folgen, bewirkt eine Verzerrung durch eine Anstiegsüberlastung. Das Problem dieser Anstiegsüberlastungsverzerrung kann nicht in befriedigender Weise nur dadurch korrigiert werden, daß die grundlegende Höhe der Stufe vergrößert wird, da dann ein Ansteigen des Quantis ie rungs raus chens sich bei kleineren analogen Eingangs Signalamplituden ergeben würde. Daher behält der nichtadaptionsfähige Deltamodulator trotz seiner einfachen Schaltkreisstruktur den Nachteil, daß er hohe Abtastgeschwindigkeiten erfordert, die ihrerseits Kanäle mit

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großer Bandbreite benötigen.

Der diskrete adaptions fähige Deltamodulator überwindet die Beschränkungen des nichtadaptionsfähigen Deltamodulators dadurch, daß er automatisch auf sich ändernde Eingangs Signalparameter anspricht. Der diskrete adaptionsfähige Deltamodulator überwacht das digitale Ausgangssignal und verändert in Abhängigkeit hiervon die Stufenhöhe er des Integrators und damit die Amplitude des Rückkoppelsignals. Daher zwingt ein Anstieg des analogen Eingangssignals, der größer als o- f ist, wobei er die Grundstufenhöhe

Vl S U

des Rückkoppelintegrators und f die Abtastfrequenz ist, die

s ~

Schaltung in die Anstiegsüberlastung, woraufhin die Stufenhöhe er kontinuierlich vergrößert wird, bis das Rückkoppelsignal die Amplitude des analogen Eingangs signals erreicht oder bis die

maximale Stufenhöhe er erreicht wird. Im allgemeinen schwingt f

das Rückkoppelsignal, wenn es einmal den analogen Eingangspegel erreicht, um diesen Eingangspegel, während die Stufenhöhe CT kontinuierlich auf die Grundstufenhöhe er absinkt.

Obwohl der konventionelle diskrete adaptions fähige Deltamodulator im wesentlichen die Probleme der Anstiegsüberlastung

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und des Erfordernisses einer hohen Abtastgeschwindigkeit meistert, erfordert diese Art von diskreten adaptionsfähigen Deltamodulatoren komplexe analoge Rückkoppelschaltungen, die sehr schwer als integrierte Schaltungen realisiert werden können und die eine Vielzahl genauer Abgleiche erfordern. Die konventionellen diskreten adaptionsfähigen Deltamodulatoren besitzen also den Nachteil, daß sie eine sehr enge Toleranzsteuerung benötigen, um sicherzustellen, daß die verschiedenen

Stufenhöhen or ar . . . or sich im richtigen Verhältnis zuein-

. 0 κ η

ander befinden.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die genannten Nachteile der konventionellen diskreten adaptions fähigen Deltamodulatoren zu vermeiden und insbesondere einen solchen Deltamodulator anzugeben, der sich in integrierter Schaltkreistechnik ausführen läßt und nicht so viele präzise Abgleiche erfordert.

Für einen Deltamodulator zur Umwandlung eines analogen Eingangs signals in ein digitales Aus gangs signal mit einem

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Vergleicher zum Vergleich des Analogsignals und eines Rückkoppelsignals und zur Erzeugung eines Ausgangssignals, das für die Amplitudendifferenz des analogen Eingangssignals und des Bückkoppelsignals kennzeichnend ist, mit einem Abtastimpulsgenerator zur Erzeugung von Abtastimpulsen mit einer Folgefrequenz f und mit einer Qu antisie rungs stufe, die auf

die Aus gangs signale des Vergleichers und des Abtastimpulsgenerators gemeinsam anspricht, um digitale Ausgangssignale zu erzeugen, ist die Erfindung gekennzeichnet durch einen Impulsgenerator, der auf das digitale Ausgangs signal anspricht und Impulse mit einer Folgefrequenz f erzeugt, die größer oder gleich der Folgefrequenz des Abtastimpuls generators ist und durch einen Integrator, der auf das digitale Ausgangssignal und die Impulse des Generators mit der Folgefrequenz f

anspricht und das Rückkoppelsignal erzeugt. Weitere Merkmale, f

vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Gegenstandes der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die nun folgenden Ausführungen sollen die Vorteile des Gegenstandes der Erfindung deutlich machen.

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Gemäß der vorliegenden Erfindung besitzt der diskrete adaptionsfähige Deltamodulator einen Vergleicher, eine Quantis ie rungs stufe und einen analogen Rückkoppelintegrator, der Amplitudenstufen einer konstanten Höhe o· erzeugt, die integrale, d.h.

IC

ganzzahlige Bestandteile (Bausteine) der Grundstufenhöhe er des Integrators sind und durch das Verhältnis der Impulsfolgefrequenzen f und f des programmierbaren und des Abtast-

XS

Impulsgenerators bestimmt sind.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht der diskrete adaptionsfähige Deltamodulator im wesentlichen aus einem Vergleicher, einem Flip-Flop, einem Abtastimpulsgenerator, der mit einer Impulsfolgefrequenz f arbeitet,

ferner aus ersten und zweiten logischen Torschaltungen, aus einem Ladungsparzellierungs-Rückkoppelintegrator, einer Anpassungslogik, einem Zähler, einem Impulsfolgefrequenzselektor, der mit der Frequenz f arbeitet,und aus einer Hochgeschwindigkeitstaktimpulsquelle, die mit der Folgefrequenz f arbeitet. Die Anpassungslogik, die auf das digitale Ausgangssignal des Flip-Flops anspricht , steuert die Zählungen

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des Zählers. Der Zähler bestimmt, welche Unterfrequenz f der Hochgeschwindigkeitstaktimpulsquelle von dem Impulsfolgefrequenzselektor abgegeben wird. Die Logiktore, die gemeinsam auf die Ausgangssignale des Impulsfrequenzselektors mit der Frequenz f und des Komplementärausgangs des Flip-Flops milder Frequenz f ansprechen, liefern eine ganzzahlige

^ft

Anzahl von Impulsen, die durch das Verhältnis k = ~ ^

s gegeben ist, an den Ladungsparzellierungs-Rückkoppelgenerator. Dieser Ladungspar zellierungs-Rückkoppelintegrator erzeugt das Rückkoppelsignal, das zusammen mit dem analogen Eingangssignal dann zu dem Vergleicher übertragen wird. Schließlich betreiben das Ausgangssignal des Vergleichers und die Ausgangssignale des Abtastimpulsgenerators mit der Frequenz f die

Komplementäreingänge des Flip-Flops. Daher ist die Stufenhöhe

o- des Rückkoppelsignals durch das Produkt aus Integrator- ((

grundstufenhöhe er und der ganzzahligen Anzahl von Impulsen k bestimmt, die von den logischen Toren geliefert werden.

Der diskrete adaptionsfähige Deltamodulator kann ferner aus einem Vergleicher , einer Quantisierungsstufe, einem analogen

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Rückkoppelgenerator mit einer Einheitsstufenhöhe, aus einem variablen Abtastimpulsgenerator, der mit der Frequenz f

arbeitet, und schließlich aus einem programmierbaren Impulsgenerator bestehen, der bei der Impulsfolgefrequenz von f arbeitet. Der Abtastimpulsgenerator und der programmierbare Generator besitzen eine individuelle Anpassungslogik, einen Zähler, einen Impulsfolgefrequenzselektor und Taktimpulsquellen,

die jeweils mit den Impulsfolgefrequenzen f und f

^{r β} smax tmax

arbeiten. Die Anpassungslogikschaltungen, die auf das digitale Au s gangs signal der Quantisierungsstufe ansprechen, bestimmen, welche Unterfrequenzen f und f von den jeweiligen Impulsfolgefrequenzselektoren abgegeben werden. Der Rückkoppelintegrator, der gemeinsam auf den Impulsfolgefrequenzselektor, der bei der Frequenz f arbeitet und auf die Quantis ie rungs stufe anspricht, die bei der Frequenz f arbeitet und auf diese Weise eine ganzzahlige Anzahl von Impulsen empfängt, die durch das Verhältnis k = -

• s

gegeben ist, erzeugt das Rückkoppelsignal. Das Rückkoppelsignal Und das analoge Eingangssignal werden dann zu dem Vergleicher übertragen. Schließlich betreiben die Ausgangs signale des Vergleichers und des Impulsfolgefrequenzselektors mit der Frequenz f_g

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die Quantisierungsstufe. Daher wird die Stufenhöhe er des Rückkoppelsignals durch das Produkt aus Integratorgrundstufenhöhe ο* und der ganzzahligen Anzahl von Impulsen k, die von dem Impulsfolgefrequenzselektor abgegeben wird, der bei der Frequenz f arbeitet, bestimmt.

Hieraus ist der Vorteil der Erfindung zu sehen, daß der Delta- \

modulator die Merkmale eines komplexen diskreten adaptionsfähigen Deltamodulators besitzt, während die Schaltkreisstruktur eines konventionellen nichtadaptionsfähigen Deltamodulators beibehalten wird.

Zu den Vorteilen des erfindungs ge mäßen Deltamodulators gehört ferner, daß er in integrierter Schaltkreisform realisiert

werden kann, da viele früher analoge Funktionen nun digital M

durchgeführt werden.

Es ist ferner vorteilhaft, daß er nur einen analogen Rückkoppelintegrator mit Einheitsstufenhöhe benötigt, anstelle eines komplexen Rückkoppelgenerators.

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Ferner erfordert er nur eine relativ langsame Abtastfrequenz und daher einen Übertragungskanal mit niedriger Bandbreite.

Zu den vorteilhaften Aspekten der vorliegenden Erfindung gehört ferner, daß die Stufenhöhen und die Zahl der unterschiedlichen Stufenhöhen leicht durch eine Modifikation eines programmierbaren Impuls generate rs verändert werden können.

Außerdem können die Stufenhöhe und die Abtastfrequenz in Abhängigkeit von einer beliebigen Charakteristik des analogen Eingangssignals variiert werden.

Es ist ferner ein vorteilhafter Aspekt der Erfindung, daß der analoge Rückkoppelintegrator mit Einheitsstufenhöhe mit Inapulsen beaufschlagt werden kann, deren Impulsfolgefrequenz größer oder gleich der Abtastfrequenz ist.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist auch darin zu sehen, daß die verschiedenen Stufenhöhen automatisch genau erzeugt werden.

ii 2 !' / 10 2

Schließlich ist ein weiterer vorteilhafter Aspekt der Erfindung in der Anzahl von unterschiedlichen Stufenhöhen zu sehen, die durch das Verhältnis der Integratorünpulsfolgefrequenz und der Abtastimpulsfolgefrequenz bestimmt ist»

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen zum Stand der Technik und anhand von zwei Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Fig. dargestellt sind, erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines nichtadaptionsfähigen Deltamodulators mit Einheitsstufenhöhe;

Fig. 2 die Darstellung eines analogen Eingangs signals

und des entsprechenden Rückkoppelsignals; |

Hg . 3 ein Blockschaltbild eines konventionellen diskreten adaptionsfähigen Deltamodulators;

Fig. 4 die Darstellung eines analogen Eingangs signals und des entsprechenden Rückkoppelsignals;

2 0 9 8 2 SJ 1 0 2 0

Fig. 5 ein Blockschaltbild eines diskreten adaptionsfähigen Deltamodulators gemäß der Erfindung;

Pig. 6 die Darstellung eines analogen Eingangs signals und des entsprechenden Rückkoppelsignals;

Fig. 7 ein ausführliches Blockschaltbild eines ersten

Ausführungsbeispieles eines diskreten adaptionsfähigen Deltamodulators gemäß der Erfindung; und

Fig. 8 ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels des diskreten adaptionsfähigen Deltamodulators gemäß der Erfindung mit einer variablen Abtästfrequenz.

Fig. 1 zeigt als Blockschaltbild einen nichtadaptionsfähigen Deltamodulator mit Einheitsstufenhöhe, der an sich bekannt ist und im wesentlichen aus einem Vergleicher 1, einer Quantis ie rungs stufe 2, aus einem Abtastimpulsgenerator 3 mit der Impulsfolgefrequenz f , aus einem Verstärker 4 und aus einem Rückkoppel-

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integrator 5 besteht. Die Kombination des Verstärkers 4 und des Integrators 5 kann als Analogintegrator mit Einheitsstufe angesehen werden· Zur Erläuterung wird nun angenommen, daß das analoge Eingangssignal die in Fig. 2 dargestellte sanfte Wellenform E aufweist. Der Abtastimpulsgenerator 3 liefert Abtastimpulse mit der Impulsfolgefrequenz f an die Quantisierungs stufe 2, die ihrer-

"■■. S - - ... ■ ■

seits einen positiven oder negativen Einheitsimpuls für jeden Impuls des Generators 3 liefert· Das digitale Ausgangs signal E der Quantisierungs stufe 2 wird in dem Verstärker 4 um einen festen Betrag <r verstärkt. Das verstärkte Signal E. wird dann zu dem Integrator 5 übertragen, dessen Ausgang E- mit dem negativen Ausgangsanschluß des Vergleichers 1 verbunden ist. Der Vergleicher 1 vergleicht die Signale E. , sowie E₅ miteinander und erzeugt ein Ausgangssignal Ej dessen Polarität durch ä

das Vorzeichen der Differenz E. - E- bestimmt ist. Das

in ο

Ausgangssignal E₁ des Vergleichers 1 wird zu der Quantisierungsstufe 2 übertragen, die einen positiven Einheitsimpuls erzeugt, wenn das Differenzsignal E. positiv ist,und einen negativen Einheitsimpuls erzeugt, wenn das Differenzsignal E₁ negativ ist.

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Daher bestimmt der Vergleicher 1 zu jedem Abtastzeitpunkt« das ist dann, wenn der Generator 3 einen Abtastimpuls liefert, ob der Einheitsimpuls , der von der Quantisierungsstufe 2 geliefert wird, positiv oder negativ ist, wobei diese Bestimmung von dem Rüqkkoppels^gn^E abhängig ist, das vom Integrator 5 geliefert wird.

Daher erfolgt die Abtastung des analogen Eingangs signals E, mit periodischen Intervallen, die durch die Impulse des Generators 3 bestimmt sind.

Fig. 2 zeigt das analoge Eingangssignal E. und das Rückkoppelsignal E . Entsprechend der obigen Beschreibung wird das Aus gangs signal E_ des Integrators für jeden positiven Einheitsimpuls, der von der Quantisierungsstufe 2 geliefert wird, um eine Stufenhöhe o*_n ^r vergrößert und für jeden negativen Impuls, der von, der Quantisierungsstufe 2 geliefert wird, um eine Stufenhöhe O^ verringert. Das Ausgangs signal E₅ ist daher eine stufenförmige Wellenform, die sich nur um eine Stufe σ in jedem Abtastintervall verändert.

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■-■ ,:; V

In der Schaltung nach Fig. 1 zeigt das digitale Ausgangs signal E nur die Richtung der Veränderung des analogen Eingangs signals E. zu jedem Abtastzeitpunkt an, anstelle der wirklichen Größe der Veränderung. Da sich das Rückkoppelsignal E je Abtastimpuls

nur um eine Stufe er verändern kann, kann das Rückkoppelsignal dem Eingangssignal E. nicht dicht folgen, wenn dieses Signal sich schnell verändert. Der gröfle Anstieg!E · t*) I» der ein solcher konventioneller nichtadaptionsfähiger Deltamodulator reproduzieren kann, ist ein solcher, der sich um eine Stufe o~ in jedem Abtastintervall verändern kann. Mit anderen Worten, die Anstiegsfähigkeit des Deltamodulators ist σ f , wobei o*

US vl

die grundlegende Stufenhöhe und f die Abtastfrequenz des Gene-

rators 3 ist. Diese Anstiegsfähigkeit muß größer oder gleich t in

I E . (t) j sein, wobei der Strich die Ableitung des analogen Eingangs signals bezüglich der Zeit darstellt. Ein Beispiel einer Anstiegsüberlastung ist in Fig. 2 dargestellt. Ein ernster Nachteil des konventionellen nichtadaptionsfähigen Deltamodulators liegt daher in der Unfähigkeit, raschen Änderungen des analogen Eingangssignals folgen zu können.

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Eine an sich bekannte Verfahrensweise besteht nun darin, die Übertragung des negativen Impulses zu verzögern, ohne den logischen Entwurf des Empfängers weiter zu beeinflussen,

Fig. 3 zeigt als Blockschaltbild die Darstellung eines diskreten adaptions fähigen Deltamodulators, der an sich bekannt ist und aus einem Vergleicher 6, einer Quantisierungsstufe 7, aus einem Abtastimpulsgenerator 8 mit der Abtastfrequenz f , aus einer Anpassungslogik 9, aus einem Schalter 10, aus Verstärkern 11 bis 11 und aus einem Integrator 12 besteht. Während der Vergleicher 6, die Quantisierungsstufe 7 und der Abtastimpulsgenerator 8 in der bereits im Zusammenhang mit Pig, I erläuterten Weise funktionieren, enthält die vorliegende Schaltung im wesentlichen eine analoge Rückkoppelstufe mit variabler Stufenhöhe, anstelle einer analogen Rückkoppelschaltung mit Einheitsstufe. In dieser Schaltung spricht die Anpassungslogik 9 auf das digitale Aus gangs signal E_ an und steuert den Schalter 10, Der Schalter 10 liefert ein digitales Ausgangssignal an den entsprechenden Verstärker 11, für eine . Verstärkung um den Faktor K^ Oq , Das Ausgangssignal

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des Verstärkers 11 wird zu dem Integrator 12 als Stufenhöhe K_ er übertragen, da das digitale Ausgangs signal aus positiven und negativen Einheitsimpulsen besteht. Schließlich wird das Ausgangs signals des Integrators 12 zu dem negativen Eingangsanschluß des Vergleichers 6 übertragen. Mit anderen Worten, diese Schaltung besitzt eine anpassungsfähige Anstiegs fähigkeit, ä

die durch K, σ i gegeben ist, wobei K,ar der spezielle Ver-

KUS J£ U -

Stärkungsfaktor ist, der von dem Schalter 10 ausgewählt wurde, & ist die Grundstufenhöhe, die der Rückkoppelschaltung zugeordnet ist, und f ist schließlich die Abtastfrequenz (Impulsfolgefrequenz der Abtastimpulse) des Generators 8, Im allgemeinen werden o~ und f als konstant angenommen. Die Anpassungs-

US

logik der hier beschriebenen Art ist an sich bekannt,

Bei dem diskreten adaptionsfähigen Deltamodulator gemäß Fig. 3 wählt der Schalter 10 in Wirklichkeit eine Verstärkung K, er , also einen Verstärkungsfaktor, mit dem das digitale Ausgangs signal E„ multipliziert werden soll. Die Auswahl der Verstärkung wird von der Anpassungslogik 9 vorgenommen und basiert auf einer Beobachtung der Folge von positiven

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und negativen Einhe its impuls en, aus denen das digitale Ausgangssignal E_ besteht. Wenn beispielsweise eine Anfangsanstiegsüberlastung, wie in Fig» 4 dargestellt ist; vorliegt, dann besteht das Aus gangs signal E_ aus einer Folge von positiven Einheitsimpulsen. In Abhängigkeit von dieser Folge positiver Einheitsimpulse wählt der Schalter 10 eine Verstärkung K <T , die größer als or ist, so daß die nun größere Stufenhöhe KL-OL ist. Wenn das digitale Ausgangs signal weiterhin aus positiven Einheitsimpulsen besteht, wird die Stufenhöhe durch laufenden Zuwachs mit der Abtastfrequenz f auf Ko* K ar usw.

S α υ ο U -

erhöht, bis der größte Wert K er erreicht wird. Die Stufenhöhe wird durch fortwährende Verminderung verkleinert, wenn die Polarität der Ausgangsimpulse das entgegengesetzte Vorzeichen aufweist. Es ist hieraus zu sehen, daß die Anstiegsüberlastung keine steuernde Verminderung ist, bis die Ableitung \e . i(t)| des analogen Eingangs signals E. größer ist als die maximale Anstiegsfähigkeit des Systems, die durch K σ- f gegeben ist. Trotz dieses Vorteils erfordern die konventionellen digitalen adaptionsfähigen Deltamodulatoren komplexe analoge Rückkoppelschaltungen, wie beispielsweise der Schalter 10 und die

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Verstärker 11 bis ti , Ferner müssen auch zur Veränderung der verfügbaren Stufenhöhen er = K^cr. , alle K, präzise abgeglichen sein, wodurch sie eine sehr enge Toleranzsteuerung erfordern, selbst dann, wenn eine gemeinsame Quelle für er

verwendet wird. Schließlich wurde festgestellt, daß bei den konventionellen diskreten adaptions fähigen Deltamodulatoren g

die Zahl verfügbarer Stufenhöhen ii durch die Komplexität der analogen Rückkoppelschaltung begrenzt ist.

Fig. 5 zeigt als Blockschaltbild einen diskreten adaptions fähigen, d.h. anpassungsfähigen Deltamodulator gemäß der vorliegenden Erfindung, der aus einem Vergleicher 13, einer Quantisierungsstufe 14, einem Abtastimpulsgenerator 15 mit der Impulsfolgefrequenz f , aus einem programmierbaren Impulsgenerator

mit einer Pulsfolgefrequenz f , einem Verstärker 17 und aus einem Integrator 18 besteht. Mehrere Komponenten dieser Schaltung besitzen im wesentlichen gleichen Aufbau und arbeiten im wesentlichen in der gleichen Weise wie die Komponenten des nichtadaptions fähigen Deltamodulators nach Fig, 1 und des konventionellen diskreten adaptionsfähigen Deltamodulators

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nach Fig. 3, mit der Ausnahme, daß der Integrator 18 mit Impulsen betrieben wird, die eine andere Folgefrequenz haben als f . Die Impulsfolgefrequenz, mit der die Impulse den Integrator 18 betreiben, wird als bistabile Frequenz f bezeichnet. Es sei hier noch einmal daran erinnert, daß die Quantisierungsstufe 2 in Fig. 1 ein digitales Aus gangs signal an den Integrator mit einer Impulsfolgefrequenz liefert, die von dem Abtastimpulsgenerator 3 bestimmt ist. Daher verändert sich das Ausgangssignal des Integrators 5, um die Grundstufenhöhe o*. nur einmal während jedes Abtastintervalls, In der Schaltung nach Fig. 5 jedoch, selbst dann, wenn die Quantisierungsstufe das di^tale Ausgangs signal an den Integrator 18 mit einer Impulsfolgefrequenz f liefert, ändert sich das Ausgangs signal des Integrators 18, welches das Rückkoppelsignal ist, k mal während ™ jedes Abtastintervalls um die Grundstufenhöhe o* .

Zur Erläuterung wird nun angenommen, daß die Abtastfrequenz f = 5OkHz ist und daß die bistabile Frequenz f so ist, daß

S X

'8**1**1 max =12,8 MHz ist.

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. f
Wenn λ = J=S. ist, dann ist λ = 256. Daher liegt die Zahl

k von Taktimpulsen des Generators 16, die während jeder

. ■ ■ 1. . . . ■

Abtastperiode -— zu dem Integrator 18 übertragen werden

s
können, zwischen 1 und 256, In Fig. 6, die das Rückkoppelsignal E₁₃ zeigt, ist leicht zu erkennen, daß der Integrator 18 mit einem positiven Impuls einmal während des Intervalls 1, zweimal

während des Intervalls 2, viermal während des Intervalls 3 "

und achtmal während des Intervalls 4 beaufschlagt wurde. Daher ist in diesem Pail der Anstieg des Rückkoppelsignals während der Intervalle 1 bis 4 mit lö"_n, 2or , 4cr und 8o* jeweils binär gewichtet. In Wirklichkeit sind 256 mögliche Stufenhöhen Oi im vorliegenden diskreten adaptionsfähigen Deltamodulator verfügbar, verglichen mit einer viel kleineren Zahl, die bei konventionellen diskreten adaptions fähigen Deltamodulatoren

zur Verfügung steht. Die Zahl der Taktimpulse, die dem Inte- ä

grator 18 wahrend jeder Abtastperiode von dem programmierbaren Impulsgenerator 16 zur Verfügung gestellt werden, kann von dem digitalen Aus gangs signal E₁ . und der speziellen Schaltung bestimmt werden, die zur Verfolgung des Signals E-. .verwendet wird.

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Der programmierbare Impulsgenerator 16 in Fig. 5 kann gleichzeitig von mehreren diskreten adaptions fähigen Deltamodulatoren benutzt werden, um die korrekte Anzahl von Impulsen an ihre jeweiligen Rückkoppelintegratoren zu liefern. Einfache Torschaltungen , die auf entsprechende digitale Ausgangs signale ansprechen, können hier verwendet werden, so daß die Komplexität je Kanal um ein bestimmtes Maß verringert wird.

Fig. 7 zeigt nun ein ausführliches Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels des diskreten ädaptionsfähigen Deltamodulators gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Flip-Flop 20 spricht auf die Quantis ie rungs stufe 14 an. Die Tore 22 und 23 und der integrator 28 sprechen in Kombination auf den Integrator 18 und den Verstärker 17 an. Auch die Anpassungslogik 24, der Zähler 25, der Impulsfolgefrequenzselektor 26 und die Taktimpulsquelle 27 mit der Impulsfolgefrequenz von f reagiert in Kombination auf den program- ^ t max ⁶

mierbaren Impulsgenerator 16. Der Flip-Flop 20 führt die Abtastfunktion aus und die Tore 22 und 23 betreiben den

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Integrator 28* Es ist hier zu sehen, daß die Tore 22 und 23 nicht ausschließlich vom Ausgang des Abtastimpuls generators 21 über den Flip-Flop 20 betrieben werden. Der Vergleicher verstärkt das aus der Differenz E, - E gebildete Ausgangs-

Ul au

signal, das dann von dem Flip-Flop 20 abgetastet wird, um das

digitale Aus gangs signal E abzugeben, eine Folge von positiven M

und negativen Einhe its impuls en, die mit "ψ" bezeichnet sind.

Das Tor 23 liefert einen positiven Einheitsimpuls an den Integrator 28, wenn ΛίΓ = +1 ist, und das Tor 22 liefert einen

negativen Einheitsimpuls an den Integrator 28, wenn γ = -1 ist. Diese Integrationstechnik, die in eine Abgabe einer Ladungsmenge

an den Integrations kondensator C- resultiert, ist als Ladungs-Parzellierungsintegration bekannt. Wenn γ =+1 oder -1 ist, wird eine bestimmte gesteuerte Ladungsmenge unabhängig von

E zu dem Ihtegrationskondensator C_T hinzugefügt oder aus 28 1

diesem entnommen. Der Ladungstransport erfolgt innerhalb weniger Nanosekunden und die Veränderung E „ ist daher unabhängig von den Impulsbreiten der Ausgangssignale der Tore 22 und 23. Die Verwendung der Ladungsparzellierungs-

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integrations-Technik vermeidet Stuf enhöhenve ränderungen als Folge von Zeitsteuerschwankungen in der Schaltung. Das Rückkoppelsignal E besitzt daher einen in Fig. 6 dargestellten treppenförmigen Verlauf.

Es sei an dieser Stelle noch einmal erwähnt, daß der Flip-Flop 20 das Differenzsignal E des Vergleichers abtastet,

j- y

um die Folge ψ zu erzeugen. Wenn das analoge Eingangssignal

E. einen Anstieg besitzt, der größer ist als σ ί ; wobei xn . \j s

er die Grundstufenhöhe und f die Abtastimpulsfolgefrequenz

U S

des Generators 21 ist, dann erfüllt die Folge ψ die folgende Beziehung·^ =\f_nl =ψ_η2 =γ_η3 = ... .(Folge A). Ein solches ψ -Muster kennzeichnet das Auftreten einer Anstiegsüberlastung, und die Länge der Folge A kann als Maß für die Schwere der Anstiegsüberlastung dienen. Wenn sich jedoch das analoge Eingangssignal E. nur sehr langsam ändert, dann hat die Folget die Tendenz zu alternieren und sie besitzt dabei folgenden Aufbau:¹^ = -ty ι ⁼ψ ο ⁼^η-3 * *" (Folge B).

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Daher erkennt die Anpassungslogik 24 in dem diskreten adaptionsfähigen Deltamodulator nach Fig. 7 die Folgen A und B und erhöht oder vermindert bei ihrer Feststellung den Inhalt des Zählers 25, Die Anpassungslogik 24 ist an sich bekannt und wurde auch im Zusammenhang mit Fig. 3 bereits erläutert* Es sei noch einmal erwähnt, daß die Anpassungslogik 9 in Fig. 2 auf das digitale Ausgangssignal E₇ an- .-.-sprichtMind die Auswahl der Stufenhöhe KL_or mit Hilfe des Schalters 10 steuert.

Die Anpassungslogik 24 spricht jedoch auf das digitale Ausgangssignal E _ an, um den Inhalt des Zählers 25 zu steuern. Das Ausgangssignal des Zählers dient dann zur Auswahl der Zahl der Impulse von der Taktimpulsquelle 27, die mit der

Frequenz f arbeitet, die von dem Impulsfolgeselektor ([

26 mit einer Impulsfolgefrequenz f. während der Abtastperiode -γ~ abgegeben werden soll. Die Anpassungslogik 24 gibt daher

s ·

dem Zähler 25 an, welches die nächste Stufenhöhe o~_fe sein soll, d.h. die Impuls zahl k, die von dem Impulsfolgefrequenzselektor 26 an den Integrator 28 geliefert werden soll.

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Die Tore 22 und 23 sprechen auf die Ausgangssignale des Impulsfolgefrequenzselektors 26 an und bewirken die kontinuierliche Aufladung, Entladung oder alternierende Aufladung und Entladung einer ganzzahligen Anzahl von solchen Vorgängen während jeder Abtastperiode —" des Integrators 28,

s entsprechend dem Auftreten entweder der Folge A oder B» Daher kann der diskrete adaptionsfähige Deltamodulator nach Fig. 7 rasch veränderliche analoge Eingangssignale verfolgen und trotzdem noch eine hohe Codierungsauflösung langsam veränderlicher Analogeingangssignale vornehmen. Auch die Zahl η und die Werte verschiedener Stufenhöhen fr kann gewöhnlich noch modifiziert werden, ohne Änderungen des Vergleichers 19, des Flip-Flops 20, der Tore 22 und und des Integrators 28.

Die Schaltung nach Fig. 7 kann auf verschiedene Weise implementiert werden, wobei eine solche Implementierung von den individuellen Erfordernissen abhängig gemacht werden kann. Um beispielsweise Synchronisationsprobleme zu verringern, kann das Ausgangssignal der Taktimpulsquelle 27

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mit der Taktfrequenz f. in einem. Frequenzteiler he runter-

^ t max ^

geteilt werden, der einen entsprechenden Teiler aufweist, um die Abtastfrequenz f zu erzeugen. Daher ist ein getrennter Abtastimpulsgenercttor 21 nicht erforderlich. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann das Ausgangssignal des Abtastimpulsgenerators mit der Abtastfrequenz f in einem Frequenz-

Vervielfacher, der einen geeigneten Multiplikationsfaktor '

besitzt, so vervielfacht werden, daß sich die Taktimpulsfrequenz f ergibt. Ih diesem Falle ist eine getrennte Taktimpuls-

quelle 27 entbehrlich. Auch der Impulsfolgefrequenzselektor könnte ein binärer Frequenz vervielfacher sein, in welchem Falle die Zahl k von Taktimpulsen, die von ihm während jeder Abtastperiode -— erzeugt wird, eine beliebige Zahl von 1 bis λ

f s-

t max sein "könnte, wobei f, die Arbeitsfre.quenz

= — t max ■ ⁿ

der Taktimpulsquelle 27 ist. Im allgemeinen wird f, von

^r . . ⁶ t max

der maximalen bistabilen Frequenz { Kipp- oder Umschaltfrequenz) des Integrators 28 bestimmt. Daher könnten die möglichen Stufenhöhen er - kcr sein, wobei 1 ik3£ Λ ist. Binärfrequenzvervielfacher, wie sie oben erwähnt wurden, sind an sich bekannt. Darüberhinaus kann der Zähler 25 ein Binärzähler sein derart, daß die Zahl k von Taktimpulsen,, die von dem Impulsfolge-

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frequenzselektor 26 während jeder Abtastperiode -^ geliefe.pt

werden, in Potenzen van 2 bis f auftreten. Daher sind

t max '"'" * ' "

die mögliehen Stufenhohen m = 2 or , wobei OSLkIIlQg% ist. Wenn die letzte Rpihe von Stufenhöhen verwendet wird, erfolgt eine exponentielle Anpassung, Schließlieb könnte ₉ obwöfel es nicht generell angewendet wird, eine NuIl^ §tufenhöhe Q öl in beiden der oben genannten Gruppen C£ eingefügt w< um das Quantisierungsrauschen eines nichtbelegten Kanals zu verringern,.

Fig, 8 zeigt das Blocksehaltbild eines zweiten Ausführungsheispieles, des diskreten adaptiansfähigen BeltamQdulatorS: gemäß der Erfindung, der aus eimern ¥ergleichfer |% Quantisierungsstufe 3 Q, einem Verstärker 35$ einem 3@_f einem AbtastiEiapuls,generator 41 und ims. einenj pragrammierbar^m lEnpulsgenerator 42S besteht, ©iese Sehaltuilg ist; mit ^er in Fig», 2 dargestellteri ähnlich^ jedoch mit der Ausnahm^ daß die effektive Afetas;timpulsfrequenz_? ebenso wie die binäre Impulsfrequenz (tling^haltfrequenz) adaptionsfähigi 4«h% anpassungsfähig geHi§.eht ist, Bafee^r liefert die

40, die bei einer Frequenz von f arbeitet, Impulse an

s max f ■

den Impulsfolgefrequenzselektor 39, anstatt direkt an die Quantisierungs stufe 30, Die ganzzahlige Anzahl von Impulsen, " die von dem Jxap\usiolg^ix-ej^m^&z>SMh&ktQrv39 xrtit der* PrequeiEZ '?^r f abgegeben wirdj wird;dann von der.Anpassungslogik 37 und dem Zähler.38 gesteuert, in Abhängigkeit von dem digitalen-Au s gangs signal E ,wobei die Art und Weise, in der dieses ™

geschieht, der bereits erläuterten, ahnlich ist. Daher kann : diese Schaltung als ein diskreter adaptions fähiger Deltamodulator mit einem anpassungsfähigen Abtasttakt bezeichnet werden, da die Abtastfrequenz f , bei der Impulsfolgefrequenzselektor 39 arbeitet, von dem digitalen Aus gangs signal bestimmt wird« Es sei hier lioch erwähnt, daß die meisten konventionellen Deltamoxiulationsschaltungen mit einer konstanten Abtastgeschwindigkeit f arbeiten. Es geht ferner aus der Fig. £ , ^ hervor, daß die Quantisierungs stufe 30 einen Flip-Flop 20 enthalten könnte, und daß der Verstärker 35 und der Integrator 36 die Kombination von Toren 22 und 23 und den tadungsparzellierungsintegrator 28 nach Fig. 7 enthalten könnten. Schließlich könnte auch der Impulsfolgefrequenz-

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selektor 39 einen Binärfrequenzvervielfaeher enthalten.

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Claims

. 1_? ) Beltamadulatqr zur Umwandlung ein§s analogen Eingangssignals in ein digitales Ausgangs signal mit einem Yer gleicher zum Vergleich djes Analogsignals und eines Ilucklsgppelr signals und zur grzeugung eines Aus gangs signals, das fö die Arnglitudendifferenz des analogen Eingangs signals und des Rücjc^qppelsignals kennzeichnend ist, mit einem Abtastimpuls generator zur Erzeugung von Abtastimpulsen mit einer· Folgeftequenz f und mit einer Quantisierungsstufe, die auf die Ausgangssignale des Vergleiehers und des Ahtastimpulsgenerators gemeinsam ansprieht_f um digitale Aus gangs signale zu erzeugen,

gekennzeic^iiet durch einen impulsgenerator |16j Fig. 5|* λ

der auf das digitale Ausgangssignal anspricht und Inipyl^e mit einer Folgefrequenz (f.) erzeug die größer oder gleich der Folgefrequenz (f \ des AbtastimE\*lsg«nerat©rs ist und durch einen Ba.tegrato.r_t der auf das digitale Aus^ gangs signal und die Impulse 4^s, ßen^rato.rs (16) init der Folgefrequenz Jf^ anspricht und da% Bii erzeugt.
2. Deltamodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ferner der Integrator ein Analogintegrator mit Einzelstufenhöhe ist, der eine Grundstufenhöhe *(o- ) besitzt und bei dem Amplitudenänderungen .{er ) im Rückkoppel-

K!

signal während jedes Äbtastintervalls jf-ψ-*) gegeben sind

s durch das Produkt der Grundstufenhöhe und der Zahl .(k) von Impulsen, die mit der Folgefrequenz ,(f ) des Impuls generators (16) an den Integrator abgegeben werden.
3. Deltamodulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsgenerator ferner aus folgendem besteht: einem Zähler (25), einer Anpassungslogik (24), die auf das digitale Ausgangs signal anspricht,um den Inhalt des Zählers zu steuern, einer Taktimpulsquelle (27) zur Erzeugung von Impulsen mit der konstanten Folgefrequenz f , die größer oder gleich der Folgefrequenz (f )

X XXl clX X

des Impuls generate rs Jl 6) ist, und einem Jmpulsfolgefrequenzselektor (26), der auf die Taktimpulsquelle und den Zähler anspricht, um mit einer Impulsfolgefrequenz (f ) eine Zahl .(k), die numerisch gleich dem

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Inhalt des Zählers ist, von Impulsen abzugeben.
4. Deltamodulator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ferner der Impulsfolge selektor ein binärer Frequenzvervielfacher ist, der während eines Intervalls '(— ) eine Anzahl |k) im Bereich von 1 bis -?—— von Impulsen

s A

erzeugt.

5» Deltamodulator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ferner der Zähler ein Binärzähler ist, dessen Inhalt

sich von 1 bis ■ in Potenzen von 2 verändert, s

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