DE2212668C3

DE2212668C3 - Schaltungsanordnung für die Übertragung von Nachrichtensignalen mittels I mpuls- Deltamodulation

Info

Publication number: DE2212668C3
Application number: DE19722212668
Authority: DE
Inventors: Ekkehard Glitz; Heinz Dipl.-Ing. Wewerka
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Bosch Telecom GmbH
Priority date: 1972-03-16
Filing date: 1972-03-16
Publication date: 1975-02-13
Also published as: IT981077B; GB1394949A; DE2212668A1; NL7303008A; DE2212668B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für die Übertragung von Nachrichtensignalen mittels Impuls-Deltamodulation, bei der periodisch jeweils ein Impuls der einen oder der anderen Polarität ausgesendet wird je nachdem, ob der Momentanwert des Nachnchtensignals größer ist oder kleiner als der um eine Deltastufe veränderte, um eine Periode vorhergehende Wert des Nachrichtensignals und bei dem eine Kompandierungseinrichtung für das Nachrichtensignal vorgesehen ist, durch die eine exponentielle Abhängigkeit der Höhe der Deltastufen von dem in einem vorangegangenen Zeitraum abgelaufenen Nachrichtensignal bewirk bar ist.

In der deutschen Patentschrift 976 995 ist eine Einrichtung zum Übertragen von Nachrichtensignalen beschrieben, die durch periodische Impulse nachgebildet werden, wobei Impulse eines Vorzeichens ausgesendet werden, wenn sich der Momentanwert des Signals seit der letzten Abtastung in einer Richtung, und Impulse mit entgegengesetztem Vorzeichen, wenn sich der Momentanwert in der entgegengesetzten Richtung um einen Mindestbetrag geändert hat.

Bei dieser bekannten Deltamodulation mit periodischer Impulsaussendung hat jeder Impuls das gleiche Gewicht. Es kann an sich auch ein Impuls ausgesendet werden, wenn bei der Abtastung der Momentanwert des Signals um einen Mindestbetrag größer ist als der vorangegangene Wert, es fehlt dagegen ein Impuls, wenn der Wert kleiner ist, es hat dann der Empfänger das Gewicht eines Impulses abzuziehen. Findet jedoch keine Änderung des Nachrichtensignals statt, so wird eine Folge von Impulsen wechselnder Polarität bzw. eine Folge je eines vorhandenen und eines fehlenden Impulses ausgesendet.

Dieses bekannte Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß wegen der konstanten Quantisierungsstufenhöhe das Quantisierungsgeräusch bei kleinen Amplitudenwerten des Nachrichtensignals untragbar groß ist. Außerdem ist die erreichbare Dynamik der Übertragung von der Frequenz des zu übertragenden Nachrichtensignals abhängig und nimmt mit steigender Frequenz ab.

In der Zeitschrift »IEEE International Convention Record«, 11 (1963) Part 8, S. 260 bis 265, ist durch M. R. Winkler ein Deltamodulator beschrieben, bei dem der ausnutzbare Dynamikbereich beträchtlich erweitert ist durch exponentielle Steigerung der Quanitisierungsstufen von einem Grundwert an. Tritt nämliich eine Reihe gleichnamiger Impulse auf, so ist

inehmen daß der Signalanstieg steil ist, dann steife Stufen von Stufe zu Stufe um den Faktor 2, *Jiläet die Polarität der Impulse um, so ist jede Stufe μ noch halb so groß wie die vorhergehende. ⁿ Mit diesem bekannten Verfahren ist ein verhältnisäßiii großer Dynamikbereich auswertbar. Die Nach- ^Ue sind jedoch großes Überschwingen, verhältnisäßig großes Quantisierungsgeräusch und eine Vervielfachung von Übertragungsbitfehlern. Es ist auch ein Verfahren zur digitalen Übertragung η Sprachsigiialen bekannt (deutsche Auslegeschrift 1930927), bei dem nur die Struktur der Sprache • bertragen wird und bei dem sende- und empfangsseiriedie Quantisierungsstufenhöhe in Abhängigkeit von der jeweiligen Häufigkeit des Auftretens der die höchsten Abtastwerte in positiver bzw. negativer Richtung anzeigenden Codewörter der Hüllkurvenaaipiitude des Sprachsignals angepaßt ist.

Bei einer anderen bekannten Anordnung (deutsche Auslegeschrift 1951 055) ist die Höhe der Deltastufung abhängig von dem in einem vorangegangenen Zeitraum abgelaufenen Nachrichtensignal. Hierfür wird das Nachrichtensignal mit einem in einem Speicherkondensator gespeicherten, von den früheren Werten des Nachrichtensignals abhängigen Ladungswert verglichen. Es ist bei dieser bekannten Anordnung eine erste Bewertungsschaltung vorgesehen, die mit Hilfe der Vergleichseinrichtung Polaritätswechsel feststellt, sowie ein Aufwärts-Abwärtszähler, der bei jeder Impulsfolge aufwärts, nach doppelten Polaritätswechseln jedoch mit Doppelschritten abwärts zählt und der mittels seinen Zählstufen zugeordneter unterschiedlicher Widerstände die Zeitkonstante des Lade- bzw. Entladevorganges des Speicherkondensators bestimmt. Es ist außerdem eine zweite Bewertungsschaltung vorgesehen, die eine aus der Häufigkeit des Erreichens der Endstellung des Zählers abhängige Regelspannung erzeugt, die zusätzlich die Deltastufung vergrößert. Es wird durch diese erste Bewertungsschaltung eine sofort wirksame Beeinflussung, durch die zweite Bewertungsschaltung eine der Hüllkurve des Nachrichtensignals ähnliche Beinflussung der Stufung erzielt.

Bei diesen bekannten Anordnungen wird eine feinstufige Auflösung, also eine gute Verständlichkeit der Sprache sowie eine hohe Dynamik und ein günstiges Einschwingverhalten erreicht. Es ergeben sich jedoch Nachteile aus der Trägheit dieser Art der Kompandierung. Es können nämlich große Signalsteigungen nur nachgebildet werden, wenn auch ein entsprechend großer mittlerer Signalpegel über einen die Zeitkonstante übersteigenden Zeitraum erkennbar ist. Die für die Nachbildung von Sprachsignalen wichtige Kurzzeitdynamik ist insbesondere bei niedrigen Abtastfrequenzen von beispielsweise 20 kHz nicht groß genug. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem mit Sprachbandkompandierung versehenen Deltamodulator auch bei kleinen Abtastraten von beispielsweise 2OkHz einen verhältnismäßig großen ausnutzbaren Dynamikbereich bei niedrigem Quantisierungsgeräusch zu erreichen.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß in der Kompandierungseinrichtung sowohl ein Momentanwertkompander vorgesehen ist, dessen Anzahl der Deltastufen auf η beschränkt ist und dessen Deltastufenhöhen, wenn Impulse gleicher Polarität aufeinanderfolgend übertragen werden, von einem Grundwert an exponentiell steigen und nach Polaritätswechseln mit einem größeren Exponenten fallen, als auch ein verzögernder Silbenkompander, durch den dem durch den Momentanwertkompander gelieferten, die Stufenwerte steuernden Potential eine zusätzliche Steuerspannung überlagerbar ist, die alle Stufenwerte verhältnisgleich in zeitlicher Abhängigkeit von der Hüllkurve des Eingangssignals beaufschlagt.

In der technischen Ausbildung eines Deltamodulators nach der Erfindung ist für das exponentiell Steigungsmaß der Deltastufen des Momentanwertkompanders ein Wert g, für fallende Deltastufep.werte jedoch der Wert Hg gewählt. Der Silbenkompander besteht aus der Serienschaltung eines mit der Silbenzeitkonstante integrierenden Netzwerkes mit einem ¹S Verstärker, die zwischen den der höchsten Stufe des Momentanwertkompanders zugeordneten Ausgang des Decodiernetzwerkes und den Eingang eines Puls-Modulators geschaltet ist.

In vorteilhafter Weise wird durch die Anwendung sowohl einer Momentanwertkompandierung als auch einer verzögerten Silbenkompandierung die optimale Anpassung der Kompandierungskennlinie an Sprachsignale erreicht. Es vergrößert an sich die Momentanwertkompandierung die absolute Höhe der Deltastufen von eirem Grundwert α an mit einem Faktor g, beispielsweise V2 pro Stufe, wenn aufeinanderfolgende Delta-Impulse gleiche Polarität haben, dagegen werden, sobald zwei aufeinanderfolgende Polwechsel der Impulse festgestellt werden, die Deltastufen von hohen Werten zum Grundwert mit dem Faktor l/g¹, wobei ρ einen festen Wert, beispielsweise 2 hat verringert Das Anwachsen der Stufenwerte ist durch die Beschränkung der Stufenzahl auf η begrenzt so daß das Anwachsen der Leitungsstörimpulse verhindert ist. Da die hohen Stufenwerte in Abhängigkeit von der Hüllkurve des Signals mehr oder weniger hautig auftreten, wird in vorteilhafter Weise der Momentanwertkompander gleichzeitig für die Steuerung der i»U-benkompandierung ausgenutzt. Es wird die Ausgangsspannung der höchsten Stufe des Momentanwertkompanders über ein mit der Silben-Zeitkonstanten integrierendes Netzwerk dem De tastufen-Steuerpotential überlagert, so daß dieser Silbenkompander die absolute Höhe aller Stufen des Momentanwertkompanders proportional als Funktion der Anzahl des Auftretens des höchsten Stufenwertes mit der Silben-Zeitkonstanten vergrößert. Beim hehlen des Auftretens des höchsten Stufenwertes knngt der Einfluß des Silbenkompanders zeitlich verzögert wieso der ab. ..„ . „ Die Arbeitsweise eines Dcltamodulators gemäß der Erfindung wird an Zeichnungen erläutert.

In Fig 1 ist das Blockschaltbild eines Deltamodulators mit einer achtstufigen Momentanwert- und SiI-benkompandierung dargestellt;

Die Fi g. 2 zeigt die Kennlinien dieses Deltamodu-

^a !^Fig 1 ist das Eingangssignal E über ein Bandpaßfilter 11 einem Vergleicher 12 zugeführt der mit

6o seiner Ausgangsspannung einen hier zur vereintachung des Verständnisses als mechanischen Umscnaiter dargestellten Polaritätsschalter 13 steuert. Der Folaritätsschalter 13 schaltet je nach der steigenden oder fallenden Tendenz des Eingangssignals die positiven

65 oder die negativen Impulse des Taktgebers 14 ein. Diese Impulse werden durch zwei taktgesteuerte bistabile Kippschaltungen 15, 16 verzögert und dann über die Leitung 17 ausgesendet.

Die auf Grund der Impulssteuerung durch den Polaritätsschalter 13 auftretenden Schaltzustände der Kippschaltungen 15, 16 werden im Momentanwertkompander Kl für die Steuerung der Deltastufung ausgenutzt. Bei jeweils gleichzeitigem Auftreten des Schaltzustandes L oder des Zustandes O in den Kippschaltungen 15 und 16 entsteht mittels der logischen Schaltanordnung 18 ein Zählimpuls g, durch den der bei diesem Ausführungsbeispiel aus den drei Binärstufen 91,92,93 bestehende Zähler 19 um eine Zählstufe weitergeschaltet wird.

Über das an die Ausgänge der Binärstufen angeschaltete Decodier-Netzwerk 20 wird dann einer der Widerstände 1. . 8 des Widerstandsnetzwerks 21 an ein Bezugspotential geschaltet, und zwar unterscheiden sich die in der Reihenfolge nächstfolgenden Widerstände jeweils um den Faktor V2 = 1,41.

Am Netzwerk 21 wird auf der Gegenseite das Steuerpotential 26 aus dem Silbenkompander Kl angelegt, so daß über die Leitung 22 dem Puls-Modulator 25 zugleich mit den Ausgangsimpulsen des Polaritätsschalters 13 das Produkt aus Stufenspannung und Silbenspannung zugeführt wird. Die Ausgangsimpulse des Puls-Modulators 25 bewirken in dem Integrator 27 die quantisierte Aufladung des Kondensators Cl, dessen Ladespannung im Vergleicher 12 als Kriterium für die Bestimmung der steigenden oder fallenden Tendenz des Eingangssignals E ausgenutzt wird. Als Pulsmodulator 25 kann ein Puls-Amplituden-Modulator oder ein Pulsdauermodulator oder ein Pulscode modulator oder ein in Abhängigkeit vom Steuerpotential eine bestimmte Anzahl Impulse abgebender Pulsgenerator dienen.

Das unterschiedliche Auftreten der Schaltzustände L und O in den beiden Kippschaltungen 15, 16 zeigt stattgefundene Polaritätswechsel der von dem Polaritätsschalter 13 abgegebenen Impulse an. Nach jeweils zwei aufeinanderfolgenden Zustandswechseln gibt die logische Schaltanordnung 18 zwei Zählimpulse k ab, die den Zähler 19 gleich um zwei Zählstufen rückwärts schalten. Hierdurch wird über das Decodier-Netzwerk 20 ein jeweils um zwei Indexwerte niedrigerer Widerstand 1... 8 mit einem um zwei Stufenwerte niedrigeren Steuerpotential für den Puls-Amplituden-Modulator 25 beaufschlagt, so daß die Deltastufenhöhe um den Faktor V₂ verringert wird.

Im Falle eines verhältnismäßig schnellen Anwachsens der Eingangssignalspannung, erreicht der Zähler 19 von seiner Ausgangsstellung an nach acht aufeinanderfolgenden Zählimpulsen g seine Endstellung, in welcher der Widerstand 8 mit der der achten Momentankompandierungsstufe entsprechenden Ausgangsspannung des Decodierers 20 beaufschlagt ist. In diesem Schaltzustand unterliegt das über die Leitung 22 zum Pulsmodulator 25 übertragene Steuerpotential einer über das Integrationsnetzwerk 23 und den Verstärker 24 bewirkten zeitabhängigen Erhöhung. Wegen der integrierenden Wirkung des Netzwerkes 23 ergeben sich insbesondere nach mehrfachem Erreichen der achten Stufe des Momentanwertkompanders Kl für alle Stufen in Zeitabhängigkeit zueinander proportionale Erhöhungen. Entspricht die Zeitkonstante des Netzwerkes 23 der für eine Silbenkompan-

'5 dierung geeigneten Verzögerung, so wird zusätzlich zu der durch den Decodierer eingestellten Stuf ung des Momentanwertkompanders eine zusätzliche proportionale Silbenkompandierung erreicht. Dabei entspricht der zeitliche Verlauf des Steuerpotentials am Ausgang des Integrators 23 angenähert der Hüllkurve des Eingangssignals E. Die Erhöhung des Steuerpotentials mittels des Netzwerkes 23 und des Verstärkers 24 gibt die Möglichkeit, die zeitabhängige Erhöhung der Deltastufenwerte um erhebliche Beträge, beispielsweise um den Faktor 5, zu bewirken.

Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung eines Deltamodulators, der einen Momentanwertkompander Kl und einen Silbenkompander K2 enthält, ist in gleicher Weise als Delta-Demodulator ausnutzbar. Es ist das Ausgangssignal A über den Bandpaß 28 dem Ausgang des integrierenden Netzwerks 27 entnehmbar.

Fig. 2 zeigt das Kennlinienfeld eines Deltamodulators mit kombinierter Momentanwert- und Silbenkompandierung. Durch die Momentankompandierung alleine wird die sich für die Summe der einzelnen Deltastufen 1 bis 8 ergebende Stufensignalspannung öU durch die im Koordinatenursprung beginnende Treppenkurve bestimmt. Es wird dabei jeweils von

einem Grundwert α ausgehend jede folgende Treppenstufe a ·g erreicht bis zur maximalen Treppenstufe ag (.1-1).

Durch die Erhöhung des Steuerpotentials der Leitung 26 als Folge der Silbenkompandierung werden die Stufen zu höheren Werten verschoben. Ah höchste Lage beginnt die Stufentreppe bei dem beschriebenen Deltamodulator bei dem Steuerpotential Vsmax. Die Stufung der Stufensignalspannung ÖL nimmt dabei den gezeigten maximalen Verlauf an.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung für die Übertragung von Nachrichtensignalen mittels Impuls-Deltamodulation, bei der periodisch jeweils ein Impuls der einen oder der anderen Polarität ausgesendet wird je nachdem, ob der Momentanwert des Nachrichtensignals größer ist oder kleiner als der um eine Deltasiufe veränderte, um eine Periode vorhergehende Wert des Nachrichtensignals und bei dem eine Kompandierungseinrichtung für das Nachrichtensignal vorgesehen ist, durch die eine exponentielle Abhängigkeit der Höhe der Deltastufen von dem in einem vorangegangenen Zeit- ¹S raum abgelaufenen Nachrichtensignal bewirkbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kompandierungseinrichtung sowohl ein Momentanwertkompander (Kl) vorgesehen ist, dessen Anzahl der Deltastufen auf η (1... 8) beschränkt ist und dessen Deltastufenhöhen, wenn Impulse gleicher Polarität aufeinanderfolgend übertragen werden, von einem Grundwert an exponentiell steigen und nach Polaritätswechseln mit einem größeren Exponenten fallen, als auch ein verzögernder (23) Silbenkompander (Kl), durch den dem durch den Momentanwertkompander (Kl) gelieferten, die Stufenwerte steuernden Potential (22) eine zusätzliche Steuerspannung (26) überlagerbar ist, die alle Stufenwerte (1... 8) verhältnisgleich in zeitlicher Abhängigkeit von der Hüllkurve des Eingangssignals (E) beaufschlagt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für das exponentielle Steigungsmaß der Deltastufen (1...8) des Momentanwertkompanders (Kl) der Wert g, für fallende Deltastufenwerte jedoch der Wert l/g' gewählt ist.

3. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Silbenkompander (KZ) aus der Serienschaltung eines mit der Zeitkonstanten τ, integrierendem und der Zeitkonstanten T₂ verzögerndem Netzwerk (23) mit einem Verstärker (24) besteht.

4. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Silbenkompander (Kl) die Steuerspannung (26) aus der Häufigkeit des Erreichens der höheren Stufenwerte des Momentankompanders, vorzugsweise der höchsten Stufe (8) gewinnt. 5< >

5. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Silbenkompander (Kl) die Steuerspannung (26) aus der Häufigkeit der Polaritätswechsel des Sendesignals gewinnt.

6. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Silbenkompander (Kl) die Steuerspannung (26) aus der Hüllkurve des im Integrator (27) zurückgewonnenen Analogsignals ableitet.

7. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3 und einem der Ansprüche 4, 5, 6, dadurch gekennzeichnet, daß das die Stufenwerte steuernde Potential (22) einen Puls-Amplituden-Modulator (25) steuert.

8. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3 und einem der Ansprüche 4, 5, 6, dadurch gekennzeichnet, daß das die Stufenwerte steuernde Potential (22) einen Pulsdauer-Modulator steuert.

9. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3 und einem der Ansprüche 4, 5, 6, dadurch gekennzeichnet, daß das die Stufenwerte steuernde Potential (22) einen Pulscode-Modulator steuert. ...

10. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3 und einem der Ansprüche 4, 5, 6, dadurch gekennzeichnet, daß das die Stufenwerte steuernde Potential (22) einen Pulsgenerator steuert, der in Abhängigkeit des Steuerpotentials (22) eine bestimmte Anzahl von Einheitsimpulsen abgibt.