DE2409574C2 - Asynchroner Deltamodulator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen asynchronen Deltamodulator zur adaptiven Digitalisierung von analogen 4> Signalen, bei dem das Analogsignal s mit dem Signal y eines Prädikators in einem Komoarator verglichen wird und bei dem das Ergebnis dieses Vergleichs als Kriterium für die Polarität seines Ausgangssignals dient.

Im Bestreben, analoge Signale wie Sprache bzw. -,0 Videosignale digital zu verarbeiten, sind verschiedene Verfahren zur Umwandlung analoger Signale in eine digitale Form entwickelt worden. Das zu verarbeitende Analogsignal läßt sich jedoch prinzipiell bei allen Verfahren nur mit begrenzter Genauigkeit aus dem digitalisierten Signal zurückgewinnen.

Das Ziel aller Digitalisierungsverfahren besteht nun darin, bei möglichst geringem Schaltungsaufwand und geringer Bitrate am Ausgang eine bestmögliche Wiedergabequalität zu erreichen. bo

Unter den bekannten Verfahren benötigt die Delta-Modulation (IEEE Spectrum, Okt. 1970, S. 69-78) als einfache Art der Delta-Puls-Code-Modulation (DPCM) einen besonders geringen Schaltungsaufwand, weshalb ihr eine relativ große praktische b5 Bedeutung zukommt.

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

Aus der Literatur sind taktgesteuerte oder synchrone Deltamodulatoren bekannt, die nur ein einziges Quantisierungsintervall besitzen, zum jeweiligen Yaktzeitpunkt 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 einmal gemachten Quantisierungsfehlers.

Nachteilig bei dieser Delta-Modulation 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 Steile des relativ einfachen linearen Prädikators komplizierte Schaltungen mit Kompandierungseigenschaften (Electronics Letters, April 1970, Vol. 6, No. 9, pp. 272—274) verwendet werden, um bei gleichbleibender Wiedergabequalität die Bitrate zu verringern.

Neben den getakteten Deltamodulatoren, die an ihrem Ausgang ein amplituden- und zeitdiskretes Signal abgeben, sind auch asynchrone Deltamodulatoren bekanntgeworden, die an ihrem Ausgang 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.

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 Deltamodulalor vor allem in drei Punkten:

1. Der asynchrone Deltamodulator benötigt keinen externen Takt. Die Steuerung der erzeugten Ausgangsimpulse wird in Abhängigkeit vom Eingangssignal und dem vom Prädikator erzeugten Signal vorgenommen. An seinem Ausgang liefert er bipolare Impulse, deren Flanken völlig unregelmäßig erscheinen.

2. Die Information ist in den Flanken des digitalen Signals enthalten.

3. Der Deltamodulator enthält einen zusätzlichen Impulsgenerator.

Das bekannte Verfahren weist jedoch einen relativ hohen Schaltungsaufwand auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Stand der Technik zu verbessern, insbesondere soll der Schaltungsaufwand bei Erhaltung möglichst guter Übertragungseigenschaften reduziert werden. Diese Aufgabe wird bei einem asynchronen Deltamodulator der eingangs genannton Art durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

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 raumsparend aufbauen läßt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Unter einem Verzögerungselement 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 Tiefpaßei-

genschaft und einem nachgeschalteten Bauelement mit Hysterese realisiert werden.

Eine sehr ökonomische Lösung besteht darin, das frequenzbandbegrenzende Bauelement in den Komparator zu integrieren, so daß die Anstiegsflanke des Ausgangssignals des !Comparators eine dem zu verarbeitenden Analogsignal entsprechende Flankensteilheit aufweist

Werden lediglich gleichspannungsfreie Analogsignale verarbeitet, ist es vorteilhaft, den Ausgang des Modulators und den Eingang des !Comparators, dem die Prädikatorsignale zugeführt werden, galvanisch voneinander zu trennen, beispielsweise durch einen Kondensator.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 Prinzipschaltung des erfindungsgemäßen Deltamodulators,

F i g. 2 Ausführungsbeispiel eines erfirdungsgemäßen Deltamodulators.

In F i g. 1 ist die Prinzipschaltung des Deltamodulators angegeben. Dem Eingang E des Modulators wird das analoge Eingangssignal s zugeführt. Es gelangt zu dem einen Eingang £1 eines hysteresefreien Komparators 1, an dessen anderem Eingang £2 das Prädikatorsignal y eines Prädikators 2 zugeführt ist.

Der Ausgang des Komparators ist über ein frequenzbandbegrenzendes Bauelement 11 mit Tiefpaßeigenschaft mit einem Bauelement mit Hysterese, beispielsweise einem Schmitt-Trigger 3, verbunden. Das jo binäre Ausgangssignal des Schmitt-Triggers ist das gewünschte binäre Ausgangssignal Jt des Modulators, das der Ausgangsklemme A des Modulators zugeführt ist. Der Ausgang des Schmitt-Triggers 3 und damit der Ausgang des Modulators ist an den Eingang des j-j Prädikators 2 angeschlossen. Wie bei allen Regelkreisen, muß auch hier das Vorzeichen des rückgeführten Signals negativ sein. Das wird durch den invertierenden Schmitt-Trigger sichergestellt.

Als Prädikator kann beispielsweise ein Integrator, bestehend aus einem durch einen Kondensator rückgekoppelten Operationsverstärker, verwendet werden oder auch einfach eine geeignete /?C-Kombination, wie sie beispielsweise weiter unten beschrieben ist.

Die Arbeitsweise der Schaltung ist folgende: Wenn die Spannungsdifferenz zwischen dem Eingangssignal und dem Prädikatorsignal positiv ist, so weist der Komparator i.n seinem Ausgang ebenfalls ein positives Signal auf. Ist die Spannungsdifferenz negativ, so ist auch die Ausgangsspannung des Komparators negativ.

Durch den nachgeschalteten Tiefpaß steigt bei einem Spannungswechsel der Ausgangsspannung des Komparators die Flanke entsprechend der Zeitkenstanten des Tiefpasses mehr oder weniger langsam an.

Der nachfolgende 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 Ausgangssignal des Schmitt- t>o Triggers eine Totzeit. Am Ausgang des Schmitt-Triggers entsteht dadurch ein binäres Signal, dessen Zeichenwechselfrequenz eine obere Frequenzgrenze 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 Prädikator 2 zum Prädikatorsignal y aufsummiert und dem anderen Eingang £2 des Komparators zum Vergleich mit dem Eingangssignal zugeführL

Bei konstantem Verlauf der Eingangsspannung hat das Prädikatorsignal y einen wellenförmigen Spannungsverlauf, so wie er auch bei synchronen Deltamodulatoren bekannt ist. Die schaltungsbedingte Zeichenwechselfrequenz des binären Ausgangssignals hängt beim erfindungsgemäßen Deltamodulator vom Spannungshub des Komparatorausgangssignals, von der Zeitkonstante des Tiefpasses und von der Lage der beiden Schwellen des Schmitt-Triggers ab. Durch die geeignete Wahl eines oder mehrerer dieser Parameter läßt sich die Zeichenwechselfrequenz entsprechend dem vorgesehenen Einsatz des Modulators den jeweiligen Verhältnissen optimal anpassen.

F i g. 2 zeigt ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Deltamodulators. Gleiche Bauteile sind mit gleichen Ziffern gekennzeichnet. Der Prädikator besteht hier aus der Reihenschaltung der Widerstände 21, 22 und 23 und des Kondensators 24, dessen freies Ende an das Bezugspotential gelegt ist, und dem Kondensator 25, der zwischen dem Verbindungspunkt der Widerstände 21 und 22 und dem Bezugspotential geschaltet ist. Das freie Ende des Widerstandes 21 stellt den Eingang des Prädikators dar, der mit dem Ausgang des Schmitt-Triggers verbunden ist und der Verbindungspunkt der Widerstände 22 und 23 bildet den Ausgang des Prädikators, der das Prädikatorsignal y an den Eingang Ei des Komparators 1 abgibt. Diese in Fig.2 dargestellte /fC-Kombination stellt einen aussteuerungsabhängigen Prädikator der, der besonders günstig zur Nachbildung sinusförmiger Eingangsspannungen geeignet is'., da seine Ausgangsspannung bei niedrigen Prädikatorspannungspegeln eine schnelle Änderung aufweist und bei hohen Ausgangspegeln eine langsame.

Die in Fig. 2 dargestellte Schaltung eignet sich besonders für die Umwandlung analoger Sprachsignale in asynchron deltamodulierte binäre Ausgangssignale. Die Signale des Mikrofons 7 werden in einem ersten Verstärker 6 verstärkt und gelangen über den Koppelkondensator 53 auf den eigentlichen Deltamodulator. Die Widerstände 51 und 52 liefern den für die Eingangstransistoren des Komparators 1 nötigen Basisstrom, wobei die Kombination, bestehend aus dem Koppelkondensator 53 und dem Widerstand 52, gleichzeitig die untere Grenzfrequenz des zu verarbeitenden Eingangssignals bestimmt.

Da das Sprachsignal um null Volt schwankt, andererseits aber der Ausgang des Schmitt-Triggers 3 einen mittleren Gleichspannungswert aufweisen kann, bedarf es in diesen Fällen einer Pegelverschiebung, damit der Gleichstrommittelwert des Eingangssignals mit dem des Prädikators übereinstimmt. In vorteilhafter Weise werden daher der Ausgang des Modulators und der Eingang £2 des Komparators voneinander galvanisch getrennt. Im Ausführungsbeispiel erfolgt dies durch den Kondensator 4, der zwischen dem Verbindungspunkt der Widerstände 22 und 23 des Prädikators und dem Eingang £2 des Komparators geschaltet ist.

Es ist auch möglich, den Trennkondensator 4 zwischen dem Ausgang des Schmitt-Triggers und dem Eingang des Prädikators zu schallen. Jedoch sind bei der Schaltung des Trennkondensators gemäß Fig. 2 die durch den Trennkondensator bedingten Verzerrungen geringer.

Der Trennkondensator 4 kann entfallen, wenn eine

geeignete Referenzspannung zur Verfügung steht. Die Elemente 24, 25, 51 und 52 werden dann nicht auf Nullpotential wie in F i g. 2, sondern auf diese Referenzspannung gelegt.

Die Schaltung gemäß Fig. 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 kli 4=1 mF

23 =560 U 51,52 = 33 kti

24,25 = 33 nF

+ U = 5V
-U = -5V

Da der verwendete Schmitt-Trigger die Phase um 180° dreht, ist auf die richtige Polung des Komparators 1 zu achten.

Die Schaltung hat den Vorteil, daß sie ohne zusätzlichen Tiefpaß 11 auskommt, da der verwendete Komparator von sich aus eine langsame Anstiegsflanke seines Ausgangssignals aufweist und somit der Tiefpaß im Komparator durch dessen nicht idealen Frequenzgang realisiert ist.

Der Schmitt-Trigger erfüllt beim erfindungsgemäßen Deltamodulator zwei Aufgaben, einmal dient er als Impulsformer, denn die Anstiegsflanke des Komparators 1 bzw. des Komparators 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 erforderliche Signa! Verzögerungselement.

Der in Fig. 2 dargestellte Deltamodulator besitzt eine relativ hohe Zeichenwechselfrequenz von etwa 18 kHz und gestattet daher auch eine ausgezeichnete Sprachqualität.

Der Deltamodulator arbeitet optimal, wenn er ganz knapp unterhalb der Übersteuerung betrieben wird. Es ist daher vorteilhaft, wenn ein Verstärker 6 (F i g. 2) mit automatischer Aussteuerungsregelung vor den Deltarrjodulator geschaltet wird, so daß die Eingangssignale s für den Komparator 1 in ihrer Dynamik reduziert sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Asynchroner Deltamodulator zur adaptiven Digitalisierung von analogen Signalen, bei dem das Analogsignal (s)mit dem Signal (feines Prädikators (2) in einem Komparator (1) verglichen wird und bei dem das Ergebnis dieses Vergleichs als Kriterium für die Polarität seines Ausgangssignals (k) dient, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltzeitpunkte im Ausgangssignal durch die Anordnung selbst in unregelmäßigen zeitlichen Abständen generiert werden, wobei die maximale Zeichenwechselfrequenz eine obere Frequenzgrenze nicht überschreitet, d. h. die kürzeste Zeichendauer eine bestimmte Zeit nicht unterschreitet, und daß die maximale Zeichenwechselfrequenz durch die Laufzeit eines Verzögerungselementes im Zweig vom Komparatorausgang zum Prädikatoreingang vorgegeben ist M

2. Modulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verzögerungselement durch die Serienschaltung eines frequenzbandbegrenzenden Bauelements (11) mit Tiefpaßeigenschaft mit einem mit Hysterese behafteten Bauelement (3) realisiert ist.

3. Modulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das frequenzbandbegrenzende Bauelement im Komparator integriert ist.

4. Modulator nach Anspruch 1, für den Fall der 3» Verarbeitung gleichspannungsfreier Analogsignale, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Modulators und der dem Prädikatorsignal zugeordnete Eingang (E₂) des Komparators voneinander galvanisch getrennt sind. ι >

5. Verfahren zur asynchronen Deltamodulation unter Verwendung eines Modulators nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Analogsignal (s)vor der Einspeisung in den Komparator in seiner Dynamik reduziert wird.