DE2251467A1

DE2251467A1 - Pulslagenmoduliertes uebertragungssystem

Info

Publication number: DE2251467A1
Application number: DE2251467A
Authority: DE
Inventors: Mitsuo Kajitani; Yoshio Ohgushi; Yoshito Ueno
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1971-10-29
Filing date: 1972-10-20
Publication date: 1973-05-17
Also published as: US3899429A; JPS4852164A; JPS5329981B2

Description

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Patentanwalt Dr. Uwe Dreiss 7 Stuttgart 1 Alexanderstr. 88 . Tel.: (0711) 24 68 29

Anmelder;

Nippon Electric Co., Ltd.

7-15 Shiba Gochome

Minato-ku

Tokyo 108

Mein Zeichen: Ni - 275

Pulslagenmodulxertes Übertragungssystem

Die Erfindung betrifft ein pulslagenmodulxertes Übertragungssystem (PPM = Pulse Position Modulation).

Bei herkömmlichen Pulslagenmodulationssystemen Überträgt man das die Information tragende Analogsignal dadurch» daß man das Zeitintervall Ut. zwischen der tatsächlichen Lage des Übertragenen Signals und der Lage eines Bezugszeitpunktes R in Abhängigkeit des Pegels A. des zu übertragenden Analogsignales (abgetasteter Pegel des Analogsignales) verändert , wie das aus Figur 1 zu ersehen ist. Die Lage R des Bezugszeitpunktes wird in diesem Fall durch eine Folge von Impulsen vor-^ gegebener'Wiederholungsdauern.bestimmt, die von einem Taktimpulsgenerator erzeugt wird, der auf der Sendeseite vorgesehen ist. Das macht es notwendig, auch auf der Empfangsseite eine Folge von Taktimpulsen wiederzugewinnen, die das entsprechende Gegenstück der Erzeugung der Taktimpulse auf der

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Sendeseite ist, um für die Demodulation des pulslagenmodulierten übertragenen Signals den richtigen Bezugszeitpunkt zu gewinnen. ^s

Um dies zu erreichen, gibt es grundsätzlich bisher zwei
Lösungswege. Man kann erstens einen Synchronisierimpuls
zusammen mit den die Information enthaltenden Impulsen mitübertragen, so daß man.aus ihn auf der Empfangsseite die Taktimpulse wiedergewinnen kann, um die Bezugszeitpunkte darzustellen.Diese Lösungsmöglichkeit ist insofern vorteilhaft, als die Frequenzstabilität des zur Wiedergewinnung der Taktimpulse vorgesehenen Oszillators nicht sehr hoch sein muß. Auf der anderen Seite hat diese Lösung jedoch den Nachteil, daß ein Teil des Übertragungskanals,
der ansonsten für die Übertragung von Information enthaltenden Signalen zur Verfügung stände, immer durch den Synchronisierimpuls belegt ist. Das Ergebnis ist eine
gewisse Herabsetzung des Wirkungsgrades der Übertragung.

Zweitens kann man davon absehen, den Synchronisierimpuls tatsächlich zu übertragen. Man sorgt anstelle dessen dafür, daß die übertragene Impulsfolge eine Taktimpulskomponente enthält, die auf der Sendeseite wiedergewonnen wird, so daß man aus ihr den Bezugszeitpunkt darstellen kann.
Es ist dabei aber erforderlich, zur Rückgewinnüngder den Taktimpuls anzeigenden Komponente empfangsseitig ,eine'Schleife mit feststehender Phasenwiedergabe vorzusehen. Ferner muß man sowohl auf der Sende- wie auch auf der Empfangsseite hochgradig stabilisierte Oszillatoren vorsehen» frei von temparaturbedingten Frequenzveränderungen sind.

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Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu Überwinden, um ein pulslagenmoduliertes Übertragungssystem zur Übertragung von Analogsignalen zu schaffen, dessen Schaltaufbau einfach ist und das es ermöglicht, auf Generatoren zur Erzeugung von Taktimpulsen und und auf Schaltungen zur Wiedergewinnung der Taktimpulse zu verziehten und dadurch den Wirkungsgrad der Übertragung zu erhöhen.

Ein pulslagenmoduliertes Übertragungssystem zur Übertragung von Signalen ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß auf der Sendeseite ein Sägezahngenerator vorgesehen ist, der eine Folge von Sägezahnimpulsen erzeugt, die,das zu übertragende Signal abtasten, und ferner ein Impulsgenerator vorgesehen ist, der das pulslagenmodulierte Signal zu dem Zeitpunkt erzeugt, in dem der Pegel des zu übertragenden Signals zu dem Pegel eines Sägezahnimpulses eine bestimmte Beziehung hat, und daß das auf Empfängerseite empfangene Signal einen weiteren Sägezahngenerator zur Abgabe von Sägezahnimpulsen anstößt, und daß ferner ein Tiefpaß vorgesehen ist, der an seinem Ausgang das zu übertragende Signal als Umhüllung der vom empfangsseitig vorgesehenen Sägezahngenerator abgegebenen Sägezahnimpulse wiedergewinnt.

Auf der . Sende seite wird also immer dann ein pulslagenmoduliertes Signal, das dann in einem Übertragungskanäl übertragen wird, gewonnen, wenn der Pegel eines von dem Sägezahngenerator abgegebenen Sägezahnimpulses zu dem Pegel des zu übertragenden Analogsignals eine bestimmte Beziehung.hat. Das bedeutet entweder, daß beide Pegel gleich sind öder daß der Unterschied zwischen beiden einen vorbestimmten Wert erreicht hat. In diesem Augenblick wird der Pegel des Sägezahnimpulses wieder auf den Wert null gebracht. Nach Ver-

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streichen eines bestimmten Zeitraumes, der auch gleich null sein kann, wird der nächste Sägezahnimpuls erzeugt, dessen Pegel (entsprechend der Definition des Sägezahnimpuls) in Zeitabhängigkeit linear ansteigt. In gleicher Weise wird auf der Empfangsseite nach Empfang des eingehenden pulslagenmodulierten Signals ein Sägezahnimpuls erzeugt und zwar ebenfalls entweder genau zum Zeitpunkt des Empfangs des übertragenen Signals oder einen bestimmten feststehenden Zeitraum später. Zu^vdem Zeitpunkt, an dem der darauffolgende

übertragene pulslagenmodulierte Impuls eintrifft, wird dann wieder der Pegel des empfangsseitig erzeugten Sägezahnimpulses auf null zurückgeführt. Auf diese Weise wird es möglich, ein pulslagenmoduliertes Modem (Modulation - Demodulation) - System aufzubauen, ohne daß es notwendig wird, in irgendeiner Form den Taktimpuls in die Folge von tatsächlich im Übertragungskanal übertragenen Impulsen einzubeziehen, da jeweils der einem Impuls unmittelbar vorhergehende Impuls den Bezugszeitpunkt definiert.

Bei der vorliegenden Erfindung ist es notwendig, Sägezahnimpulse zu erzeugen, es wird damit aber überflüssig, wie bei den seitherigen Systemen Generatoren zur Erzeugung von Taktimpulsen und auf der Empfangsseite eine Schaltung zur Wiedergewinnung der Taktimpulse vorzusehen.

Außerdem macht es die vorliegende Erfindung überflüssig, einen besonderen Kanal zur Übertragung der Takt'-(oder Synchronisier-) Impulse vorzusehen. Außerdem ist das demodulierte Signal auf der Empfangsseite weniger empfindlicher für Temperatureinflüße der Umgebung und weniger verzerrt wie das bei den seitherigen System^enJer FAIl ist, da ein Oszillator zur Erzeugung von Taktimpulsen nicht mehr notwendig ist.

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Eine weitere Besonderheit der vorliegenden Erfindung ist seine Eignung zur Verwendung im Zusammenhang mit Laserkommunikationssystemen, die sich infolge seiner Vereinfachten und miniätürisierungsfähigen Schaltungsstruktur ergibt, die sich wiederum daraus ergibt, daß weder ein
Taktimpulsgenerator auf der Sendeseite noch eine Schaltung zur Wiedergewinnung der Taktimpulse auf der Empfangsseite notwendig ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter gezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es stellen dar:

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Figur 1 zeigt die Beziehung zwischen einem Analogeneingangssignal und den Ausgangssignalimpulsen in einem herkömmlichen Pulslagenmodulationssystem zur Übertragung von Analogsignalen;

Figur 2 zeigt ein Blockschaltbild eines Pulslagenmodulationssysteias zur Signalübertragung gemäß der Erfindung;

Figur 3 zeigt den zeitlichen Ablauf des Betriebs dea PuIslagenraodulationssystems nachFigur 2;

Figur H ist ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels, das zeigt, wie die Erfindung in einem Halbleiter-Laserkommunikationssystem verwendet werden kann.

Im folgenden wird die Betriebsweise des Pulslagenmodulations-

und Deittodulationssystems gemäß der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren 2 und 3 beschrieben.

Die Pegel eines Analogeneingangssignals e,(t) und einer Sägezahnspannung e₂(t), die von einem Sägezahngenerator 1 erzeugt wird, werden miteinander verglichen. Zum Zeitpunkt t* * zu dem der Pegel der Sägezahnspannung e„(t) gleich dem Pegel des Analogeneingangssignals e.(t) ist, erzeugt ein Impulsgenerator 1, der durch einen Verstärker und einen monostabilen Multivibrator gebildet wird, einen Ausgangsimpuls e^it). Der Ausgangsimpuls e₃(t) wird als Sendeausgangssignal-Impuls übertragen· Zum selben Zeitpunkt kippt der Impuls e,(t) den Sägezahngenerator 1 wieder um, so daß der Pegel der Sägezahnspannung, die zeitabhängig linear mit dem Winkel Θ. ansteigt, wieder auf den Wert null zurückgeführt wird.

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Der Pegel der Sägezahnspannung steigt nach Verstreichen eines vorbestimmten Zeitraumes T. wieder an, so daß der nächste Ausgangs-Impuls im Zeitpunkt t , in dem der Signalpegel und der Pegel des Sägezahns wieder gleich sind, erzeugt werden kann.

Wie aus der Kurve (a) in Figur 3 ersichtlich, ergibt sich der Abstand i^o"^"!^ ^^er> I^mP^u3-^{se w}^^e folgt:

e^t,)
^τ2

2 ^τ1 tan9₁ ^{+ 1}I -

Offensichtlich ist der Abstand Ct₃ - t ) dem Eingangssignal e^Ct) proportional. Man erhält also auf diese Weise eine Impulsfolge S₃Ct) (Fig. 3Cb)), die pulsladenmoduliert ist, wobei jeweils der unmittelbar vorhergehende'Impuls zur Definition des Bezugszeitpunktes dient.

Auf der Empfangsseite ist ein Sägezahngenerator 3 vorgesehen, der, wenn keine Folge von Eingangsimpulsen ^₃Ct) empfangen wird, ein Ausgangssignal mit konstantem Pegel abgibt. Der Sägezahngenerator 3 wird von der eingehenden Eingangsimpulsfolge e-(t) so angestoßen, daß der Pegel der Amplitude auf null zurückgeht. Nach Verstreichen eines vorbestimmten Zeitraumes T„ nimmt der Pegel zeitproportional linear zu, wo- ■ bei die Zunahme in Abhängigkeit von der Zeit durch den Winkel Θ« gekennzeichnet ist. Bei Eintreffen des nächsten Eingangsimpulses der Impulsfolge e~(t) wird der Pegel des Ausgangssignals des Sägezahngenerators 3 wieder auf null zurückgeführt.

Die auf der Empfangsseite von dem Sägezahngenerator 3 erzeugte Sägezahnspannung e^(t) steht, wie aus der Kurve (c)

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zu ersehen, mit dem Zeitintervall Ct - t₁) in folgender Beziehung:

_t - + r -2—£— + τ, (2)

l 1 _tanQ 2

Aus den Gleichungen (1) und (2) folgt:

e. Ct₀) = ί— e.(t_o) +

^ ² · XaTiB₁ ^{1 2} 'ic

(3)

Daraus folgt, daß die Umhüllung der auf derEmpfangsseite wieder gebildeten Sägezahnspannung proportional dem Eingangssignal e^(t) ist. Läßt man nun die Sägezahnspannung durch ein Filter-•4 mit Tiefpaßcharakteristik passieren und entfernt die Gleichspannungskomponente tanS^CT. - T_), so gewinnt man auf der Empfangsseite ein Analogsignal e,.(t),das in Figur 3 durch Kurve (d) dargestellt wird.

Bleibt, auf der Sende- und auf der Empfangeseite betrachtet, das Zeitintervall Ct„ - t-) unverändert, dann können sowohl die Anstiegsraten, die durch die Gradienten Θ* und e„ angegeben werden, als auch die vorbestimmten Zeiträume T₁ und T₂ so ausgelegt werden, daß sie voneinander abweichen, Sind jedoch sowohl G₁ und θ₂, als auch T^ und T„ gleich, dann ist das auf der Empfangsseite wiedergewonnene Signal e_& (t) das Eingangssignal e*(t) selbst. Sowohl T^ als auch T₂ können null sein. ,

Auf diese Weise wird auf der Sendeseite jedesmal dann ein Impuls erzeugt, wenn der Pegel der Sägezahnspannung gleich dem Pegel des Analogsignals ist. Es ist jedoch offensichtlich, daß das im vorgehenden beschriebene Ausführungsbeispiel dahin-

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gehend modifiziert werden kann, daß jedesmal dann, wenn die Differenz beider Pegel einen vorbestimmten Wert erreicht, ein Impuls erzeugt wird.

Die beiden Sägezahngeneratoren, die auf der Sende- bzw. Empfangsseite vorgesehen sind, sollten so ausgelegt sein,daß der Pegel der von ihnen abgegebenen Spannung jeweils solange linear zunimmt, bis der Pegel des Sägezahns und der des Signals gleich, sind.Sie sollten ferner, wie bereits erwähnt, so arbeiten, daß im Sättigungsbereicn^ßonstanter Pegel abgegeben wird, wenn der Pegel des Sägezahns einen bestimmten Wert überschreitet, der beispielsweise gleich dem höchsten Wert des Eingangssignals sein kann.

Bei der Verwendung des beschriebenen Pulslagenmodulationssystems im Zusammenhang mit einem (insbesondere einem Nicht-Multiplex-) Einkanal-fibertragungssystem, das durch ein Halbleiter-Laserkommunikationssystem gebildet wird,-ergeben sich weitere technische Vorteile.' Ein Anwendungsbeispiel hierfür ist in Figur 4 dargestellt. In Figur M viivd der Pegel eines Analogeneingangssignals e*(t) mit der von einem Sägezahngenerator 1 abgegebenen Sägezahnspannung verglichen. Am Ausgang des Impulsgenerators 2 entsteht demgemäß eine Folge von Impulsen, deren Lage proportional zur Amplitude des Analogeneingangssignals jeweils verschoben ist. Wie im Falle des BEispiels nach Figur 2 stimmt die Lage eines Impulses mit dem Zeitpunkt überein, irv dem beide Pegel einander gleich sind. Die Impulsfolge wird der Lasertreibschaltung 5 zugeleitet, in der sie in Impulse großer Amplitude umgeformt wird, die zum Antrieb der Laserdiode 6 geeignet sind. Eine Folge von Lichtimpulsen, die dann von der Laserdiode abgegeben wird, wird dann durch die Sendelinse 7 übertragen. Die Folge von Lichtimpulsen, die von einer Empfangslinse 8 empfangen wird, wird mit Hilfe einer photoelektrischen Diode 9 in eine Folge

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elektrischer Impulse umgewandelt. Die Folge elektrischer Impulse wird dann von einem Eingangs-Impulsverstärker 10 verstärkt und dann dazu verwendet, einen Sägezahngenerator anzustoßen, der eine Sägezahnspannung erzeugt, deren Umhüllung dem Analogeneingangssignal entspricht. Die Sägezahnspannung wird dann, nach Passieren des Filtere H mit „Tiefpaßcharakteristik, in ein wiedergewonneneέ Signal umgesetzt, das mit dem Analogeneingangssignal identisch ist.

Der maximale Tastfaktor einer üblicherweise als Laserdiode verwendeten Diode liegt in der Größenordnung von 0,1 %. Demgemäß ist eH^öglich, die Pulsbreite auf einen Wert zu vergrößern, der größer als ein Tausendstel der durchschnittlichen Impulsperiodendauer ist. Daher muß man die Pulsbreite verringerndem zu einer Erhöhung der Impulsfrequenz zu kommen. Aus diesem Grunde entstehen bei den herkömmlichen PuIsladenmodulationssystemen bei der Anwendung im Zusammenhang mit einem Einkanäl-Halbleiter-Laserkommunikationssystem erhebliche Schwierigkeiten. Bei einem herkömmlichen Pulalagenmodulationssystem sieht die einfachste Schaltung vor, daß ein Paar von Synchronisationsimpulsen in jedem Pulsrahmen vorgesehen. Wird ein derartiges System bei einem Einkanal-Halbleiter-Laserkommunikationssystem verwendet, dann benötigt man für einen Signalimpuls zwei Synchronisierimpulse. Das macht es notwendig, die durchschnittliche Impulswiederholungsdauer auf ein Drittel dessen zu reduzieren, was fUr ein System möglich ist, das von Synchronisierimpulsen frei ist. Das bedeutet, daß die Impulsbreite auf ein Drittel reduziert werden muß, um eine entsprechende Reduzierung des Tastverhältnisses zu erreichen. Daraus folgt, daß die Bandbreite sowohl der Lasertreibschaltung als auch des auf der Sendebzw, auf der Empfangsseite vorgesehenen Impulsverstärkers, —-bezogen-auf eine bestimmte Impulsbreite,«dreimal so groß

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-Ilsein muß wie bei Verwendung von Information übertragenden Impulsen ohne Synchronisierimpulse. Das macht wiederum eine Lasertreibschaltung notwendig, die Impulse sehr großer Amplitude (gewöhnlich mehrere Ampere) abgibt. Das ist jedoch sehr schwierig. Ein weiteres Problem, das 'dabei gelöst werden muß, ist die Verstärkung des Rauschens in der Empfangsschaltung und die Verminderung der Zuverlässigkeit des Kanals des Laserübertragungssystems. Um diese Schwierigkeiten zu überwinden,,kann man nun ein System verwenden, bei dem keine oder lediglich eine begrenzte Anzahl von Synchronisierimpulsen eingespeist werden, beispielsweise dadurch, daß nur für jeweils mehrere Pulsrahmen ein Synchronisierimpuls verwendet wird. Es ist jedoch auch dabei nach wie vor unumgänglich, daß, wie bereits erwähnt, eine Schaltung vorgesehen wird, die aus der empfangenen Impulsfolge den Taktimpuls gewinnt (Taktimpuls-Extraktionsschaltung).. Alternativ dazu ist₉ wie bereits erwähnt, ein hochgradig stabilisierter Taktimpulsgenerator unentbehrlich.

Im Gegensatz dazu macht es das PulslagenmodulationBsystem gemäß vorliegender Erfindung, das die Übertragung von Taktimpulsen entbehrlich macht, möglich, auf einen Taktimpulsgenerator oder eine Extraktionsschaltung zu verzichten.

Da außerdem kein Synchronisierungsimpuls übertragen wird, kann sowohl die Impulswiederholungsdauer als auch die Impulsbreite erhöht werden. Das erleichtert die Herstellung einer Lasertreibschaltung und ermöglicht es, das Rauschen zu verringern, das sonst in der Empfangsschaltung auftreten würde. Ferner wird die Zuverlässigkeit des Übertragungskanals erhöht. Die Verwendung der Erfindung ermöglicht ferner einen weiteren Schritt auf die Miniaturisierung - der· sowohl auf SEnde- als auch auf Empfangsseite vorgesehenen , Geräte.

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Patentansprüche:

Claims

Patentanwalt Dr. Uwe Dreine
7 Stuttgart 1
Alexanderstr. 88
Tel.: (0711) 24 68 29

Anmelder: Mein Zeichen:

Nippon Electric Co., Ltd. Ni - 275

7-15 Shiba Gochome

Minato-ku

Tokyo 108

Patentanspruch

Pulslagenmoduliertes Übertragungssystem zur Übertragung von Signalen, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Sehdeseite ein Sägezahngenerator (1) vorgesehen ist, der eine Folge von Sägezahnimpulsen (e„(t)) erzeugt, die das zu übertragende Signal (e.(t)) abtasten, und daß ferner ein Impulsgenerator (2) vorgesehen ist, der das pulslagenmoduliertes Signal (e₃(t)) zu dem Zeitpunkt erzeugt, in dem der Pegel des zu übertragenden Signals (e.(t)) zu dem Pegel des Sägezahnimpulses (e₂(t)) eine bestimmte Beziehung hat, und daß das auf Empfängerseite empfangene pulslagenmodulierte Signal (e~(t)) einen weiteren Sägezahngenerator (3) zur Abgabe von Sägezahnimpulsen (e^(t)) anstößt und daß ferner ein Tiefpaß (¹O vorgesehen ist, der an seinem Ausgang das zu übertragende Signal (e.(t)) als Umhüllung Ce₁. (t)) der vom empfangsseitig vorgesehene Sägezahngenerator (3) abgegebenen Sägezahnimpulse (e^it)) wiedergewinnt.

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