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"Asynchroner Deltamodulator Die Erfindung betrifft einen asynchronen
Deltamodulator zur adaptiven Digitalisieruag von analogen Signalen, bei dem das
Analogsignal s mit dem Signal y eines Prädiktors in einem gomparator verglichen
wird und bei dem das Ergebnis dieses Vergleichs als Kriterium für die Polarität
seines Aus gangssign als dient.
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Im Bestreben, analoge Signale wie Sprache bzw. Videosignale digital
zu verarbeiten, sind verschiedene Verfahren zur Umwandlung analoger Signale in eine
digitale Form entwickelt
worden. Das zu verarbeitende Analogsignal
läßt sich j jedoch prinzipiell bei allen Verfahren /nur mit begrenzter Genauigkeit
aus dem digitalisierten Signal zurückgewinnen.
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Das Ziel aller Digitalisierungsverfahren besteht nun darin, bei möglichst
geringem Schaltungsaufwand und geringer Bitrate am Ausgang eine bestmögliche Wiedergabequalität
zu erreichen.
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Unter den bekannten Verfahren benötigt die Delta-Modulation (IEEE
Spectrum, Okt. 1970, 5. 69 - 78) als einfache Art der Delta-Puls-Code-Modulation
(DPCM) einem besonders geringen Schaltungsaufwand, weshalb ihr eine relativ große
praktische Bedeutung zukommt.
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Nachteilig bei der Delta-Modulation ist jedoch die relativ hohe Bitrate,
die man vorzugsweise mit Kompandierungsverfahren (IEEE Trans. Com. 19, No. 4, Aug.
71, p. 570) bei gleichbleibender Wiedergabequalität zu verringern versucht.
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Aus der Literatur sind taktgesteuerte oder synchrone Deltamodulatoren
bekannt, die nur ein einziges Quantisierungsintervall
besitzen,
zum jeweiligen Taktzeitpunkt den Momentanwert des Eingangssignals abfragen und ihm
mit dem vorher übertragenen Signal vergleichen. Dabei verhindert der ständige Vergleich
des Eingangssignals mit dem jeweils vorher übertragenen Signal ein Anwachsen oder
eine Fortpflanzung eines ein mal gemachten Quantisierungsfehlers.
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Nachteilig bei dieser Delta-Nodulation ist die hohe Bitrate am Modulatorausgang
von ca. 56 k Bit/s bei einem Signal/Rauschverhältnis von S/N # 46 dB (Philips Technical
Review, 1970, Vol. 31, No. 11/12, pp. 335 - 353), weshalb an Stelle des relativ
einfachen linearen Prädiktors komplizierte Schaltungen mit Kompandierungseigenschaften
(Electronics fietters, April 1970, Vol. 6, No. 9, pp. 272 - 274) verwendet werden,
um bei gleichbleibender Wiedergabequalität die Bitrate zu verringern.
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Neben den getakteten Deltamodulatoren, die an ihrem Ausgang ein amplituden-
und zeitdiskretes Signal abgeben, sind auch asynchrone Deltamodulatoren bekannt
geworden, die an ihrem Aus gang ein amplitudendiskretes Signal liefern, aber mit
undefiniertem zeitlichen Wechsel in der Impulsfolge. Derartige Analog/Digital-Wandler
sind überall dort vorteilhaft einsetzbar, wo man auf eine zeitliche Quantisierung
des Signals verzichten kann.
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Aus der Zeitschrift Electronic and communication in Japan, 49, March
1966, pp. 34 - 42 ist ein asynchroner Deltamodulator bekannt. Er unterscheidet sich
von dem getakteten Deltamodulator vor allem in drei Punkten:
1.
Der asynchrone Deltamodulator benötigt keinen externen Takt. Die Steuerung der erzeugten
Ausgangsimpulse wird in Abhängigkeit vom Eingangs signal und dem vom Prädiktor erzeugten
Signal vorgenommen. An seinem Ausgang liefert er bipolare Impulse, deren Flanken
völlig unregelmäßig erscheinen.
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2. Die Information ist in den Flanken des digitalen Signales enthalten.
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3. Der Deltamodulator enthält einen zusätzlichen Izpulsgenerator.
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Das bekannte Verfahren weist jedoch einen relativ hohen Schaltungsaufwand
auf.
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Der Erfindung liegt die Angabe zugrunde, den Stand der Technik zu
verbessern, insbesondere soll der Schaltungsaufwand bei Erhaltung möglichst guter
Ubertragungseigenschaften reduziert werden. Diese Aufgabe wird bei einem asynchronen
Deltamodulator der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß im rückführenden Zweig
vom Komparatorausgang zum Prädiktoreingang ein Totzeitelement zwischengeschaltet
ist.
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Durch die erfindungsgemäße Lösung ist es nunmehr möglich, einen asynchronen-Deltamodulator
zu realisieren, der eine sehr gute Wiedergabequalität der empfangsseitig demodulierten
Signale gestattet und sich mit integrierten Bausteinen einfach und raunsparend aufbauen
läßt.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind
in den Unteransprüchen angegeben.
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Unter einem Totzeitelement wird hier ein Bauelement verstanden, das
ein Eingangssignal erst nach einer vorgegebenen Verzögerungszeit (Totzeit) weitergibt.
Es kann in einfacher Weise durch ein frequenzbandbegrenzendes Bauelement mit Tiefpaßeigenschaft
und einem nachgeschalteten Bauelement mit Eysterese realisiert werden.
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Eine sehr ökonomische Lösung besteht darin, das frequenzb2nãbegrenzende
Bauelement in den Komparator zu integrieren, sodaß die Anstiegsflanke des Ausgangssignals
des Komparators eine dem zu verarbeitenden Analogsignal entsprechende Flankensteilheit
aufweist.
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Werden lediglich gleichspannungsfreie Analogsignale verarbeitet, ist
es vorteilhaft, den Ausgang des Madulators und den Eingang des Komparators, dem
die Prädiktorsignale zugeführt werden, galvanisch voneinander zu trennen, beispielsweise
durch einen Kondensator.
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Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen: Figur 1 Prinzipschaltung des erfindungsgemäßen Deltamodulators Figur
2 Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Deltamodulators In Figur 1 ist die
Prinzipschaltung des Deltamodulators angegeben. Dem Eingang E des Modulators wird
das analoge Eingangssignal s zugeführt. Es gelangt zu dem einen Eingang E1 eines
hysteresefreien Komparators 1, an dessen anderem Eingang E2 das Prädiktorsignal
-y eines Prädiktors 2 zugeführt ist.
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Der Ausgang des Komparators ist über ein frequenzbandbegrenzendes
Bauelement 11 mit Tiefpaßeigenschaft mit einem Bauelement mit Hysterese, beispielsweise
einem Schmitt-Trigger 3 verbunden.
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Das binäre Ausgangssignal des Schmitt-Triggers ist das gewmnschte
binäre
Ausgangssignal k des Modulators, das der Ausgangsklemme A des Modulators zugeführt
ist. Der Ausgang des Schnitt-Triggers 3 und damit der Ausgang des Modulators ist
an den Eingang des Prädiktors 2 angeschlossen. Wie bei allen Regelkreisen, muß auch
hier das Vorzeichen des rückgeführten Signales negativ sein. Das wird durch den
invertierenden Schmitt-Trigger sichergestellt.
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Als Prädiktor kann beispielsweise ein Integrator, bestehend aus einen
durch einen Kondensator rückgekoppelten Operationsverstärker verwendet werden; oder
auch einfach eine geeignete RC-Lombination, wie sie beispielsweise weiter unten
beschrieben ist.
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Die Arbeitsweise der Schaltung ist folgende: Wenn die Spannungsdifferenz
zwischen dem Eingangs signal und dem Pradiktorsignal positiv ist, so weist der Komparator
an seinem Ausgang ebenfalls ein positives Signal auf. Ist die Spannungsdifferenz
negativ, so ist auch die Ausgangsspannung des Komparators negativ.
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Durch den nachgeschalteten TieSpaS steigt bei einem Spannnwagswechsel
der Ausgangsspannung des Komparators die Flanke entsprechend der Zeitkonstanten
des Tiefpasses mehr oder weniger langsam an.
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Der nachfolgenden Schmitt-Trigger spricht jedoch nur dann an, wenn
die Ausgangsspannung des Tiefpasses eine vorgegebene obere Schwelle überschreitet
oder eine zweite vorgegebene untere Schwelle unterschreitet. Dadurch ergibt sich
zwischen dem Ausgangssignal des Komparators und dem Ausgangs signal des Schmatt-Triggers
eine Totzeit. Am Ausgang des Schmitt-Triggers entsteht dadurch ein binäres Signal,
dessen Zeichenwechselfrequenz eine obere Frequenz grenze in vorteilhafter Weise
nicht überschreitet, die durch die Zeitkonstante des Tiefpasses, durch die Größe
der Hysterese und durch die Höhe der Versorgungsspannung vorgegeben ist Das binäre
Ausgangssignal des Schmitt-Triggers wird vom Prädiktor 2 zum Prädiktorsignal y aufsummiert
und dem anderen Eingang E2 des Komparators zum Vergleich mit dem Eingangssignal
zugeführt.
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Bei konstatem Verlauf der Eingangsspannung hat das Prädiktorsignal
y einen wellenförmigen Spannungsverlauf, so wie er auch bei synchronen Deltamodulatoren
bekannt ist. Die schaltungsbedingte Zeichenwechselfrequenz des binären Ausgangssignals
hängt
beir erfindungsgemäßen Deltamodulator vom Spannungshub des
Komparatorausgangssignals, von der Zeitkonstante des Teifpasses und von der Lage
der beiden Schwellen des Schmitt-Triggers ab.
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Durch die geeignete Wahl eines oder mehrerer dieser Parameter läßt
sich die Zeichenwechselfrequenz entsprechend dem vorgesehenen Einsatz des Nodulators
den jeweiligen Verhältnissen optimal anpassen.
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Figur 2 zeigt ein vorteilhaftes ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Deltamodulators. Gleiche Bauteile sind mit gleichen Ziffern gekennzeichnet. Der
Prädiktor besteht hier aus der Reihenschaltung der Widerstände 21, 22 und 23 und
des Kondensators 24, dessen freies Ende an das Bezugspotential gelegt ist L2G dem
Kondensator 25, der zwischen den Verbindugspunkt der Widerstände 21 und 22 und den
Bezugspotential geschaltet ist. Das freie Ende des Widerstandes 21 stellt den Eingang
des Prädiktors dar, der mit dem Ausgang des Schmitt-Triggers verbunden ist und der
Verbindungspunkt der Widerstände 22 und 23 bildet den Ausgang des Prädiktors, der
das Prädiktorsignal y an den Eingang ES des Komparators 1 abgibt. Diese in Figur
2 dargestellte RC-Kombination stellt einen aussteuerungsabhängigen Prädiktor dar,
der besonders
günstig zur Nachbildung sinusförmiger Eingangs spannungen
geeignet ist, da seine Ausgangsspannung bei niedrigen Prädiktorspannungspegeln eine
schnelle Änderung aufweist und bei hohen Ausgangspegeln eine langsame.
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Die in Figur 2 dargestellte Schaltung eignet sich besonders asyncnron
für die Umwandlung analoger Sprachsiganle in/deltamodulierte binäre Ausgangssignale.
Die Signale des Mikrofons 7 werden in einem ersten Verstärker 6 verstärkt und gelangen
über den Eoppelkondensator 53 auf den eigentlichen Deltamodulator. Die Widerstände
51 und 52 liefern den für die Eingangstransistoren des Komparators 1 nötigen Basisstron,
wobei die Kombination, bestehend aus dem Koppelkondensator 22 und dem Widerstand
52 gleichzeitig die untere Grenzfrequenz des zu verarbeitenden Eingangsignales bestimmt.
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Da das Sprachsinganl um Null Volt schwankt, andererseits aber der
Ausgang des Schmitt-Triggers 3 einen mittleren Gleichkann, in diesen Fällen spannungswert
aufweisen/bedarf es/einer Pegelverschiebung, damit der Gleichstrommittelwert des
Eingangssignales mit dem des Prädiktors übereinstimmt. In vorteilhafter Weise werden
daher der Ausgang des Modulators und der Eingang E2 des Komparators
voneinander
galvanisch getrennt. Im Ausführungsbeispiel erfolgt dies durch den Kondensator 4,
der zwischen dem Verbindungspunkt der Widerstände 22 und 23 des Prädiktors und dem
Eingang E2 des Komparators geschaltet ist.
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Es ist auch möglich, cen Trennkondenstor 4 zwischen dem Ausgang des
Schmitt-Triggers und dem Eingang des Prädiktors zu schalten. Jedoch sind bei der
Schaltung ces Trennkondensators gemäß Figur 2 die durch den Trennkondensator bedingten
Verzerrungen geringer.
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Der Trennkondensator 4 kann entfallen, wenn eine geeignete Referenzspannung
zur Verfügung steht. Die Elemente 2x, 25, 51 und 52 werden dann nicht auf Nullpotential
wie in Figur 2, sondern auf diese Referenzspannung gelegt.
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Die Schaltung gemäß Figur 2 läßt sich beispielsweise durch folgende
Bausteine realisieren: 1,6 integrierte Schaltung Typ SN 72747 N (Texas Instruments)
3 integrierte Schaltung Typ SN 7413 N (Texas Instruments) 21,22 = 1,5 k# 4 = 1 mF
+U = 5V 23 = 560 # 51,52 = 33 k# -U = -5V 24,25 = 33 nF
der verwendete
Schmitt-Trigger die Phase um 180° dreht, ist auf die richtige Polung des Komparators
1 zu achten.
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Die Schaltung hat den Vorteil, daß sie ohne zusätzlichen Tiefpaß 11
auskommt, da der verwendete Komparator von sich aus eine langsame Anstiegsflanke
seines Ausgangssignale aufweist und somit der Tiefpaß im Komparator durch dessen
nicht idealen Frequenzgang realisiert ist.
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Der Schmitt-Trigger erfüllt beim erfidungsgemäßen Deltamodulator zwei
Aufgaben, einmal dient er als Impulsformer, denn die Anstiegsflanke des Komparators
1, bzw. des Kompators 1 mit Tiefpaß 11 ist relativ langsam und sein Signal als Ausgangssignal
daher ungeeignet und zum anderen bildet die Hysteresespannung des Schmitt-Triggers
in Zusammenhang mit der langsamen Anstiegsflanke des Komparators das erfrder liche
Signalverzögerungselement.
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Der in Figur 2 dargestellte Deltamodulator besitzt eine relagestattet
tiv hohe Zeichenwechselfrequenz von etwa 18 kHz und/daher auch eine ausgezeichnete
Sprachqualität.
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Der Delatamodulator arbeitet optimal, wenn er ganz knapp betrieben
wird. terhalb der Übersteuerung / Es ist daher vorteilhaft, wenn ein Verstärker
6 (Figur 2) mit automatischer Aussteuerungs regelung vor den Deltamodulator geschaltet
wird, sodaß die Eingangssignale s für den Komparator 1 in ihrer Dynamik reduziert
sind,