DE2460210A1

DE2460210A1 - Einrichtung zur umwandlung eines analogen eingangssignals in ein pulszahlmoduliertes ausgangssignal

Info

Publication number: DE2460210A1
Application number: DE19742460210
Authority: DE
Inventors: Gunnar Erik Willia Sparrendahl
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 1973-12-21
Filing date: 1974-12-19
Publication date: 1975-07-03
Also published as: GB1489367A; AU7611774A; IT1027921B; DK669574A; FI357274A; DK140776B; CA1037168A; NL188319B; NO744617L; BR7410610D0; FR2255752A1; NL188319C; NO136662B; NL7416423A; FI56292B; DK140776C; SE381786B; DE2460210B2; FR2255752B1; SE7317374L

Description

Telefonaktiebolaget L M Ericsson, St oc kiio Im/Schweden

Einrichtung zur Umwandlung eines analogen Eingangssignals in ein pulszahlmoduliertes Ausgangssignal

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Umwandlung eines analogen Eingangssignals in ein pulszahlmoduliertes (PCM) Ausgangssignal, mit einem DeItamodulationskodierer, in dem dem ersten Eingang einer Komparatorsehaltung das Eingangssignal zugeführt wird, die an einem digitalen Ausgang ein Delt.asignal liefert, dessen Taktfrequenz bedeutend höher ist als die obere Grenzfreguenz des Eingangssignals, und in dem ein Rückkopplungsfilter für das Deltasignal zwischen dem digitalen Ausgang und dem zweiten analogen Eingang der Komparatorschaltung liegt, und mit einem

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digitalen Deltamodulations-PCM-Umsetzer, in dem ein digitales Filter mit dem digitalen Ausgang der Komparatorschaltung im Deltamodulationskodierer verbunden und so angeordnet ist, daß ein Mittelwertsignal zum Deltasignal erzeugt wird, wobei ein FCM-Wort-Generator mit dem digitalen Filter eine Kaskade bildet und so angeordnet ist, daß das PCM-Ausgangssignal mit einer erheblich, unter der Taktfrequenz liegenden Abtastfrequenz erzeugt wird.

Eine Einrichtung dieser Art ist bekannt aus dem Aufsatz von Goodman, D. J. "The application of delta modulation to analog-to-PGM encoding, Bell System Technical Journal 48, Nr. 2, Februar 1969, Seiten 321 bis 343. Das Prinzip basiert auf einer idealen, einzigen Integration im Rückkopplungsfilter im Deltamodulationskodierer und auf der Erzeugung eines primären und eines sekundären Mittelwertsignals im digitalen Filter des Deltamodulations-PGM-Umsetzers entsprechend einer Integration und einer nachfolgenden Tiefpaßfilterung im Falle von analogen Filtern. Das Rückkopplungsfilter hat jedoch den Kachteil der komplizierten Ausführung, da Maßnahmen gegen das Rauschen und gegen Überlastung getroffen werden müssen (vergleiche hierzu z. B. Laane, R. R., Murphy, B. T. "Delta modulation codec for telephone transmission and switching applications, Bell System Technical Journal 49, Nr. 6, Juli-August 1970, Seiten 1013 bis 1031). Dazu kommt der Nachteil durch die Tatsache, daß das Spektrum des Deltamodulationscodierers eine solche Form aufweist, daß das sekundäre Mittelwertsignal des digitalen Filters nur dann auf einem niedrigen, linearen Verzerrungspegel gehalten werden kann, wenn es durch eine Anzahl von Abtastungen erzeugt wird, die klein ist im Verhältnis von Taktfrequenz des Deltamodulationskodierers und der Tastfrequenz des PCM-Wort-Generators. Das bedeutet, daß die Tiefpaßfilterung im digitalen Filter kaum zu einer scharfen Trennung des Außenbandrauschens des analogen Eingangssignals führen kann, das nach Abtastung des

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POM-Signals in das Frequenzband des gleichen eingebettet ist (vergleiche hierzu Goodman, D. J., Greens'tein, L. J. "Quantizing noise of Λ M-POM encoders", Bell System Technical Journal 52, Nr. 2, Februar 1973, Seiten 183* bis

Durch die Erfindung wird ein Rückkopplungsfilter geschaffen, das im Vergleich zu den bekannten Rückkopplungsfiltern einfach ist und das gleichzeitig die Schwierigkeiten mit dem Rauschen und der Überlastung im Deltamodulationskodierer vermeidet und im Spektrum eine solche Form aufweist, daß im digitalen Filter im Deltamodulations-PCM-Umsetzer eine Tiefpaßfilterung einer großen Anzahl von Abtastungen gleich dem Verhältnis von Taktfrequenz des Deltamodulationskodierers und der Abtastfrequenz des PGM-Wort-Generators mit zu vernachlässigender, linearer Verzerrung ausführbar ist, wobei das Außenbandrauschen des Eingangssignals scharf abgetrennt werden kann. Infolgedessen kann die erfindungsgemäße Einrichtung eine bestimmte Genauigkeit des PGM-Signals gegenüber dem analogen Eingangssignal bei einer niedrigeren Taktfrequenz im Deltamodulationskodierer als bekannte Einrichtungen erzielen.

Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß das Rückkopplungsfilter als Tiefpaßfilter mit einem RC-lietzwerk zweiter Ordnung ausgeführt ist, das zwei Pole an der oberen Grenzfrequenz des Eingangssignals aufweist, und daß das digitale Filter so angeordnet ist, daß das Mittelwertsignal aus einer Anzahl von Abtastungen des Deltasignals mindestens gleich dem Verhältnis von Taktfrequenz und Abtastfrequenz erzeugt wird.

Die ausführlichere Erläuterung der Erfindung erfolgt unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Darin zeigt:

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Fig. 1 ein Blockschaltbild zum Prinzip der bekannten Einrichtung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform gemäß der Erfindung und

Fig. 3 ein Blockschaltbild zur Anwendung der Erfindung in einer Zeitmultiplexanordnung.

Man erkennt in Fig. 1 eine bekannte Einrichtung zur Umwandlung eines analogen Eingangssignals der Bandbreite W in ein FCM-Ausgangssignal mit der Abtastfrequenz 2W. Die Einrichtung enthält einen Deltamodulationskodierer 1, der an einem analogen ersten Eingang einer Komparatorschaltung 2 das analoge Eingangssignal aufnimmt und an einen digitalen Ausgang, gesteuert von einem Taktgenerator 3, ein Deitasignal mit einer Abtastfrequenz 2RW liefert, wobei E eine Zahl in

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der Größenordnung von 10 bis 10 ist, und in dem ein Rückkopplungsfilter 4 für das Deltasignal zwischen dem digitalen Ausgang und dem zweiten analogen Eingang der Komparatorschaltung 2 liegt. Die Komparatorschaltung 2 besteht aus einem Differenzverstärker 5 in Kaskadenschaltung mit einem Flipflop 6, getaktet durch den Taktgenerator 3. Das Rückkopplungsfilter 4 umfaßt einen Integrator 7» der von der Treiberstufe 8 einen Strom erhält, dessen absolute Amplitude eine Konstante I ist und dessen Richtung davon abhängt, ob das Deltasignal den binären Wert 1 oder 0 aufweist. Die Einrichtung umfaßt weiter einen digitalen Deltamodulations-POM-Umsetzer 9, in dem ein digitales Filter mit dem digitalen Ausgang der Komparatorschaltung 2 im Deltamodulationskodierer verbunden und so ausgeführt ist, daß ein Mittelwertsignal zum Deltasignal erzeugt wird. Ein PCM-Wort-Generator 11 liegt in Kaskade mit dem digitalen Filter 10 und wird gesteuert von einem Taktgenerator 12, der bei der Abtastfrequenz 2W das PGM-Ausgangssignal aus dem Mittelwertsignal bildet.

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Das digitale Filter 10 enthält einen Aufwärts-Abwärts-Zähler 13, der bei einer binären "1" des Deltasignals vorwärts zählt und bei einer binären "O" rückwärts zählt und dadurch eine digitale Version des analogen Bingangssignals am Deltamodulationskodierer 1 liefert. Ferner ist ein Mittelwertfilter 14- in Kaskade geschaltet mit dem Aufwärts-Abwärts-Zähler 13 und so ausgeführt, daß eine Tiefpaßfilterung durch N Abtastungen des Ausgangssignals des Aufwärts-Abwärts-Zählers 13 zustande kommt, wobei Ή eine Zahl der Größenordnung 10 ist. Zur ausführlicheren Erläuterung der bekannten Einrichtung und insbesondere des digitalen Filters 10 wird wieder auf die genannte Literaturstelle von Goodman, D. J. "The application of delta modulation to analog-to-PCM encoding", Bell System Technical Journal 4-8, Er. 2, Februar 1969, Seiten 321 bis 34-3, Bezug genommen.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform gemäß der Erfindung zur Umwandlung eines analogen Eingangssignals mit einer Bandbreite W in ein PCM-Ausgangssignal mit einer Abtastfrequenz 2W. Die erfindungsgemäße Einrichtung enthält einen Deltamodulationskodierer 15 mit; einer Komparator se haltung 16, die am ersten analogen Eingang das analoge Eingangssignal erhält "und die an einen digitalen Ausgang, gesteuert von einem Taktgenerator 17, ein Deltasignal mit einer Abtastfrequenz 2RW liefert, wobei R im Ausführungsbeispiel gleich 128 ist. Ein Rückkopplungsfilter 18 für das Deltasignal ist mit dem digitalen Ausgang und mit dem analogen zweiten Eingang der Komparatorschaltung 16 verbunden. Die Komparatorschaltung 16 besteht wie be°i der bekannten Einrichtung nach Fig. 1 aus einem Differenzverstärker 19, in Kaskadenschaltung mit einem vom Taktgenerator 17 getakteten Flipflop Das Rückkopplungsfilter 18 enthält dagegen ein Tiefpaßfilter 21, das von einer Treiberstufe 22 eine Spannung erhält, deren absolute Amplitude eine Konstante E ist und deren Polarität davon abhängt, ob das Deltasignal den binären Wert 1 oder 0 aufweist.

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Das Tiefpaßfilter 21 umfaßt ein EC-Netzwerk zweiter Ordnung, das aus zwei L-Gliedern in Kaskadenschaltung besteht, gebildet aus einem Widerstand R1, einem Kondensator C1, einem Widerstand R2 bzw. einem Kondensator 02. Der Kondensator C2 liegt in Beine mit einem Widerstand R3, der im Vergleich zum Widerstand E2 klein ist und zur Stabilisierung der Rückkopplung im Deltamodulationskodierer 15 dient. Das Netzwerk hat zwei Pole an der oberen Grenzfrequenz des Eingangssignals. Beim Ausführungsbeispiel trägt die obere Grenzfrequenz 3.4-00 Hz und die Pole liegen bei 2.567 bzw. 5«174· Hz. Geeignete Widerstands- bzw. Kapazitätswerte sind: R1 - 564 Ohm, R2 - 3.858 Ohm, R3 = 142 0hm, C1 = 100 nFd und C2 » 10 nFd. Die Stabilisierung der Rückkopplung im Deltamodulationskodierer 15 erfolgt dadurch, daß man bei 112 kHz eine 0 erhält.

Die erfindungsgemäße Einrichtung enthält ferner einen digitalen Deltamodulations-äPCM-Umsetzer 23 mit einem digitalen Filter 24 am digitalen Ausgang der Komparatorschaltung 16 im Deltamodulationskodierer, unterteilt in einen ersten Filterblock 25 zur Erzeugung eines Mittelwertsignals zum Deltasignal und in einen zweiten Filterblock 26 zur scharfen Trennung des Mittelwertsignals vom Pulsmodulations- und Außenbandrauschen, und außerdem zur Bildung einer Gleichstromsperrschaltung. Ein PCM-Wort-Generator 27 liegt in Kaskadenschaltung mit dem digitalen Filter 24, gesteuert von einem Taktgenerator 28, zur Erzeugung des PClt-Ausgangssignals aus dem gefilterten Mittelwertsignal mit der Abtastfrequenz 2W. Der Filterblock 25 ist unterteilt in eine erste Filterschaltung 29 zur Erzeugung eines primären Mittelwertsignals aus einer Anzahl von Abtastungen des Deltasignals gleich der Anzahl R, d. h. dem "Verhältnis der Taktfrequenz des Deltamodulationskodierers 15 und der Abtastfrequenz des PGM-Wort-Generators 27. Im Ausführungsbeispiel beträgt das Verhältnis 128. Eine zweite Filterschaltung 30 liefert ein sekundäres Mittelwertsignal aus M Abtastungen

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des primären Mittelwertsignals, wobei M im Ausführungsbeispiel gleich 16 ist.

Die FiIterschaltung 29 enthält ein Schieberegister, das vom digitalen Ausgang der Komparatorsehaltung 16 das Deltasignal erhält und am Ausgang ein Ausgangssignal, bestehend aus dem gleichen Deltasignal, liefert, verzögert um R Perioden der Taktfrequenz des Deltamodulationskodierers 15, zu welchem Zweck das Schieberegister 31 im Ausführungsbeispiel 128 Stufen aufweist. Der binäre Wert des verzögerten Deltasignals wird vom binären Wert des dem Schieberegister 31 zugeführten Deltasignals durch eine 1-Bit-Arithmetikeinheit. 32 abgezogen. Die resultierende Differenz geht zu einer 8-Bit-Arithmetikeinheit 33, die sie zu der akkumulierten binären Summe eines 8-Bit-Registers 3^- hinzuaddiert und dann in das Register 34- eine neu akkumulierte, binäre Summe eingibt, die der Filterschaltung 30 zusätzlich zugeführt wird.

In der Filterschaltung 30 fügt eine 12-Bit-Arithmetikeinheit 35 kontinuierlich die akkumulierte, binäre Summe aus der Filterschaltung 29 einer in einem Register 36 akkumulierten, binären, zweiten Summe hinzu und gibt dann eine neu akkumulierte Summe über ein Und-Gatter 37 in das Register 36. Die akkumulierte Summe, die von der Arithmetikeinheit 35 nach M Summierungen geliefert wird, wobei M im Ausführungsbeispiel gleich 16 ist, geht ferner vom Filterblock 25 zum Filterblock 26, über einen Abtastkontakt 38, gesteuert durch einen Taktgenerator 39 mit der Taktfrequenz 2RW/M. Das Register 36 wird gleichzeitig zurückgestellt, indem die Eingabe in dieses aus der Arithmetikeinheit 35 über einen Sperrkontakt 40 gesperrt wird, der mit einem Steuereingang des Und-Gatters 37 verbunden ist und vom Taktgenerator 39 synchron mit dem Abtastkontakt 38 gesteuert wird.

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Die von der Filterschaltung 29 gelieferte, akkumulierte und binäre Summe besteht aus dem genannten primären Mittelwertsignal, während die akkumulierte, binäre Summe aus der Filterschaltung 30 aus dem sekundären Mittelwertsignal besteht. Beide sind eine Digitalversion des analogen Eingangssignals zum Deltamodulationskodierer 15 und bilden ein Mittelwertsignal zum Deltasignal der Komparatorschaltung 16.

Der Filterblock 26 trennt die digitale Version des analogen Eingangssignals am Deltamodulationskodierer 15 scharf von dem Pulsmodulations- und Ausgangsrauschen, das aus dem Filterblock 25 aufgenommen wird, und bildet außerdem eine Gleichstromsperrschaltung vor dem PCM-Wortgenerator 27. Ein Ausführungsbeispiel wird beim Filterblock 26 noch erläutert.

Das Blockschaltbild nach Fig. 3 ist eine Zeitmultiplexanordnung, in der die Erfindung angewendet ist. Einzelne Deltamodulationskodierer 41 entSprechern dem Deltamodulationskodierer 15 in Fig. 2, sind im Ausführungsbeispiel für 32 Telefoneingangskanäle ausgeführt und über einen entsprechenden Serien-Parallel-Umsetzer 42 mit einem digitalen Zeitmultiplexfilter 43 verbunden, das in vier Filterblöcke 44, 45, 46 und 47 unterteilt ist und das über einen digitalen Kompressor 48 zur Umwandlung eines linearen Codes aus dem digitalen Filter 43 in einen komprimierten Code, geeignet zur PCM-Übertragung, mit einem PCM-Wortgenerator 49 verbunden ist, der, gesteuert von einem Taktgenerator 50, mit einer Abtastfrequenz von 8 kHz ein 8-Bit-PCM-Wort pro Telefoneingangskanal liefert. Im Ausführungsbeispiel besteht der Serien-Parallel-Umsetzer 42 aus einem vierstufigen Schieberegister, dessen einzelne Stufen parallel mit dem digitalen Filter 43 über vier Gatterschaltungen verbunden sind, die durch eine (nicht gezeigte) Steuereinheit im Zeitmultiplexverfahren gesteuert werden. Eine Taktfrequenz von 1.024 kHz für die Deltamodulationskodierer 41 führt zu

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einer Übertragungsfrequenz von 8.192 kHz zwischen diesen und dem digitalen Filter 4-3.

Der Filterblock 44 im digitalen Filter 4-3 stimmt mit. dem Filterblock 25 in Fig. 2 überein, während die Filterblöcke 45, 4-6 und 47 zusammen mit dem Filterblock 26 übereinstimmen, der im Ausführungsbeispiel so unterteiit ist, daß die erforderiiche Anzahl· der Arithmetikoperationen reduziert wird. Die Fiiterb^cke 44-, 45, 46 und 47 arbeiten im Ausführungsbeispiel· mit den Abtastfrequenzen 1.024 kHz, 64 kHz, 16 kHz und 8 kHz. Ihre Übertragungsfunktion iautet:

H = H₁ · H₂ · H^ · H₄, wobei:

H₁ = ((1 - z~¹²⁸) / (1 - ζ'¹)) ((1 - z"¹⁶) / (1 - z"¹)), H₂ » (1 + z"¹)² (1 + z~²)³ (1 + z"⁴),

O Q O ,J J

H= Δ T 4- <7 Τ⁰ Δ ( <7■ J , ^~O\ _1rnfl

■7 ^a Π · f> fc ·**■-! \ ^ ~r Δ ) UHU.

IL«(1- ζ"¹) / (1 - K ζ"¹).

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Claims

Patentansprüche

Einrichtung zur Umwandlung eines analogen Eingangesignals in ein pulszahlmoduliertes (PCM) Ausgangssignal mit einem Deltamodulationskodierer, in dem dem ersten Eingang einer Komparatorschaltung das Eingangssignal zugeführt wird, die an einen digitalen Ausgang ein Deltasignal liefert, dessen Taktfrequenz bedeutend höher ist als die obere Grenzfrequenz des Eingangssignals, und in dem ein Rückkopplungsfilter für das Deltasignal zwischen dem digitalen Ausgang und dem zweiten analogen Eingang der Komparatorschaltung liegt, und mit einem digitalen Deltamodulations-PCM-Umsetzer, in dem ein digitales Filter mit dem digitalen Ausgang der Komparatorschaltung im Deltamodulationskodierer verbunden und so angeordnet ist, daß ein Mittelwertsignal zum Deltasignal erzeugt wird, wobei ein PCM-Wortgenerator mit dem digitalen Filter eine Kaskade bildet und so angeordnet ist, daß das PCM-Ausgangssignal mit einer erheblich unter der Taktfrequenz liegenden Abtastfrequenz erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückkopplungsfilter (18) als Tiefpaßfilter mit einem RC-Netzwerk (21) zweiter Ordnung ausgeführt ist, das zwei Pole an der oberen Grenzfrequenz des Eingangssignals aufweist, und daß das digitale Filter (24) so angeordnet ist, daß das Mittelwertsignal aus einer Anzahl von Abtastungen des Deltasignals mindestens gleich dem Verhältnis (R) von Taktfrequenz (2RW) und Abtastfrequenz (2W) erzeugt wird.

Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das digitale Filter einen ersten Filterblock (25) enthält, der mit einer Schreib- oder Eingabefrequenz gleich der Taktfrequenz (2RW) und einer Lesefrequenz arbeitet, gleich dieser geteilt durch eine ausgewählte, ganzzahlige Potenz von 2 (M), und unterteilt ist in eine erste

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Filterschaltung (29) zur Erzeugung eines primären Mittelwert signals zum Deltasignal, aus einer Anzahl von Abtastungen mindestens gleich dieser ganzzahligen Potenz von 2, und eine zweite Filterschaltung (30), in Kaskadenschaltung mit der ersten Filterschaltung, zur Erzeugung eines sekundären Mittelwertsignals zum Deltasignal aus einer Anzahl von Abtastungen (N) des primären Mittelwertsignals gleich der ganzzahligen Potenz von 2.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Filterschaltung ein Schieberegister (31) umfaßt, mit einer Anzahl von Stufen gleich dem Verhältnis (E) und mit einem Eingang für das Deltasignal und einem Ausgang zur Lieferung eines Deltasignals, verzögert um eine Anzahl von Perioden der Taktfrequenz gleich dem Verhältnis, eine Arithmetikeinheit (32), verbunden mit dem Eingang und dem Ausgang des Schieberegisters, zur Subtraktion des binären Wertes des verzögerten Deltasignals von dem binären Wert des tatsächlichen Deltasignals, und eine Akkumulatoreinheit (33, 34), mit der Arithmetikeinheit verbunden, zur Akkumulation der resultierenden Differenz aus der Arithmetikeinheit nach der Subtraktion.

4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das digitale Filter einen zweiten Filterblock (26) umfaßt, in Kaskadenschaltung mit dem ersten Filterblock und zur scharfen Abtrennung des zweiten Mittelwertsignals vom Pulsmodulations- und Außenbandrauschen, bestehend aus einer Gleichstromsperrschaltung vor dem POM-Wortgenerator (27).

5. Einrichtung nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß . der zweite Filterblock in eine Reihe von Filterblöcken (4-5, 46 und 47) unterteilt ist, in Kaskadenschaltung verbunden und so angeordnet, daß sie mit aufeinander-

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folgend reduzierten Abtastfrecjuenzen bezogen auf die Abtastfrequenz des FCM-Ausgangssignals als ganzzahlige Potenz von 2 arbeiten.

6. Anwendung der Einrichtung nach den vorhergehenden Ansprüchen in einer Zeitmultiplexanordnung, mit einer Anzahl von Deltamodulationskodierern (41) und einem digitalen Zeitmultiplexfilter (43), dadurch gekennzeichnet, daß jeder Deltamodulationskodierer mit einem Serien-Parallel-Umsetzer (42) versehen ist, der ein Schieberegister umfaßt, das seriell mit dem Deltasignal gespeist wird und dieses parallel zum digitalen Zeitmultiplexfilter über Gatterschaltungen weitergibt, von einer Steuereinheit in der Zeitmultiplexanordnung gesteuert.

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