DE2460210B2

DE2460210B2 - Anordnung zur umwandlung eines analogen eingangssignals in ein pulscodemoduliertes ausgangssignal

Info

Publication number: DE2460210B2
Application number: DE19742460210
Authority: DE
Inventors: Gunnar Erik William Dipl.-Ing. Händen Sparrendahl (Schweden)
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 1973-12-21
Filing date: 1974-12-19
Publication date: 1976-10-28
Also published as: US3962636A; FI56292B; IT1027921B; NL7416423A; SE7317374L; NL188319C; DK140776B; NO744617L; FR2255752B1; CA1037168A; AU7611774A; NO136662B; BR7410610D0; FR2255752A1; DK140776C; DE2460210A1; FI357274A; FI56292C; ES433188A1; DK669574A

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Umwandlung eines analogen Eingangssignals in ein pulscodemoduliertes (PCM) Ausgangssignal, mit einem Deltamodu-Iationskodierer, in dem dem ersten Eingang einer Komparatorschaltung das Eingangssignal zugeführt wird, die an einem digitalen Ausgang ein Deltasignal liefert, dessen Taktfrequenz bedeutend höher ist als die obere Grenzfrequenz des Eingangssignals, und in dem ein Rückkopplungsfilter für das Dcltasignal 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 Kompiiratorschaltung im Deltamodulationskodierer verbunden und so angeordnet ist, daß ein Mittelwertsignal zum Deltasignal erzeugt wird, wobei ein PCM-Wort-Generator mit dem digitalen Filter eine Kaskade bildet und so angeordnet ist, daß das PCM-Ausgangssi-' gnal mit einer erheblich unter der Taktfrequenz liegenden Abtastfrequenz erzeugt wird.

Eine Anordnung dieser Art ist bekannt aus dem Aufsatz von Goodman, D. J. »The application of delta modulation to analog-to-PCM encoding. Bell System Technical Journal 48, Nr. 2, Februar 1969, Seiten 321 bis 343. Das Prinzip basiert auf einer idealen, einzigen Integration im Rikkkopplungsfilter im Deltamodulationskodierer und auf der Erzeugung eines primären und eines sekundären Mittelwertsignals im digitalen Filter des Deltamodulations-PCM-Umsetzers entsprechend einer Integration und einer nachfolgenden Tiefpaßfilterung im Falle von analogen Filtern. Das Rückkopplungsfilter hat jedoch den Nachteil der komplizierten Ausführung, da Maßnahmen gegen das Rauschen und gegen Überlastung getroffen werden müssen (vergleiche hierzu z. B. La a η e , R. R., Murphy, R. T. »Delta modi'.lation 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 PCM-Signals in das Frequenzband des gleichen eingebettet ist (vergleiche hierzu Good-Hi₁IIi. I). |„ Ci'■ c L^-η s ι c i η , L]. »Ouanii/iiiü noise öl A M-Pt M encoders«. Hell S>siem Technical lounuil >2. Nr. 2. rebnur 147 3. Seilen 18 3 bis 204).

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 Deitamodulationskodierer 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 PCM-Wort-Generators mit zu vernachlässigender, linearer Verzerrung ausführbar ist, wobei das Außenbandrsuschen des Eingangssignals scharf abgetrennt werden kann. Infolgedessen kann die erfindungsgemäße Anordnung eine bestimmte Genauigkeit des PCM-Signals gegenüber dem analogen Eingangssignal bei einer niedrigeren Taktfrequenz im Deitamodulationskodierer als bekannte Einrichtungen erzielen.

Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß das Rückkopplungsfilter als Tiefpaßfilter mit einem /?C Net/werk /weiter 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

F i g. 1 ein Blockschaltbild zum Prinzip der bekannten Anordnung,

F i g. 2 ein Blockschaltbild einer Ausführungsl'orm gemäß der Erfindung und

F i g. 3 ein Blockschaltbild zur Anwendung der Erfindung in einer Zcitmultiplexanordnung.

Man erkennt in Fig. 1 eine bekannte Anordnung zur Umwandlung eines analogen Eingangssignal der Bandbreite W in ein PCM-Ausgangssignal mit der Abtastfrequenz 2 IV. Die Einrichtung enthält einen Deitamodulationskodierer 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 Deltasignal mit einer Abtastfrequenz 2 RW liefert, wobei /?eine Zahl in der Größenordnung von 10² bis 10* ist, und in dem ein Rückkopplungsfiltcr 4 für das Dcllasignal zwischen dem digitalen Ausgang und dem /weiten 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

40 Richtung davon abhängt, ob das Deltasignal den binären Wert 1 oder 0 aufweist Die Anordnung umfaßt weiter einen digitalen Deltamodulations-PCM-Umsetzer 9, in dem ein digitales Filter mit dem digitalen Ausgang der Komparatorschaltung 2 im Deitamodulationskodierer 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 2 W das PCM-Ausgangssignal aus dem Mittelwertsignal bildet.

Das digitale Filter 10 enthält einen Aufwärts-Abwärts-Zähler 13, der bei einer binären »I« des Deltasignals vorwärts zählt und bei einer binären »0« rückwärts zählt und dadurch eine digitale Version des analogen Eingangssignals am Deitamodulationskodierer 1 liefert. Ferner ist ein Mittelwertfilter 14 in Kaskade geschaltet mit dem Aufwärts-Abwärts-Zähler 13 und so ausgeführt, daß eine Tiefpaßfilterung durch NAbtastungen des Ausgangssignals des Aufwärts-Abwärts-Zählers 13 zustande kommt, wobei Λ/eine Zahl der Größenordnung 10 ist. Zur ausführlicheren Erläuterung der bekannten Anordnung 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 48, Nr. 2. Februar 1969. Seiten 321 bis 343. Bezug genommen.

F i g. 2 zeigt eine Ausführungsform gemäß der Erfindung zur Umwandlung eines analogen Eingangssignals mit einer Bandbreite Win ein PCM-Ausgangssignal mit einer Abtastfrequenz 2 W. Die erfindungsgemäße Anordnung enthält einen Deitamodulationskodierer 15 mit einer Komparatorschaltung 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 2 RW liefert, wobei R im Ausführungsbeispiel gleich 128 ist. Ein Rückkopplungsfilicr 18 für das Deltasignal ist mit dem digitalen Ausgang und mit dem analogen zweiten Eingang der Komparatorschaltung 16 verbunden. Die Komparatorschaltung 16 besteht wie bei der bekannten Anordnung nach F i g. 1 aus einem Differenzverstärker 19, in Kaskadenschaltung mit einem vom Taktgenerator 17 getakteten Flipflop 20. 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.

Das Tiefpaßfilter 21 umfaßt ein ftC-Netzwerk zweiter Ordnung, das aus zwei /--Gliedern in Kaskadenschaltung besteht, gebildet aus einem Widerstand R 1, einem Kondensator Cl, einem Widerstand R 2 bzw. einem Kondensator C2. Der Kondensator C2 liegt in Reihe mit einem Widerstand R 3, der im Vergleich zum Widerstand R 2 klein ist und zur Stabilisierung der Rückkopplung im Deitamodulationskodierer 15 dient. Das Netzwerk hat zwei Pole an der oberen Grenzfrequenz des Eingangssignal. Beim Ausführungsbeispiel beträgt die obere Grenzfrequenz 3400 Hz, und die Pole liegen bei 2567 bzw. 5174 Hz. Geeignete Widerstandsbzw. Kapazitätswerte sind: R 1=564 Ohm, /?2 = 3858 Ohm, «3=142 Ohm. Cl = IOOnFd und C2=10nFd. Die Stabilisierung der Rückkopplung im Deitamodulationskodierer 15 erfolgt dadurch, daß man bei 112 kHz eine 0 erhält.

Die erfindungsgemäße Anordnung enthält ferner

einen digitalen Deltamodulations-PCM-Umsetzer 23 mit einem digitalen Filter 24 am digitalen Ausgang der Komparatorschaltung 16 im Deltamodulalionskodicrer, unterteilt in einen ersten Filterblock 25 zur Erzeugung eines Mittelwertsignals zum Deltasignal und in einen s zweiten Filterblock 26 zur scharfen Trennung des Mittelwertsignals vom Pulsmodulalions- und Auf3enbandrauschen, und außerdem zur Bildung einer Gleichstromsperrschaluing. Ein PCM-Worl-Gcneralor 27 liegt in Kaskadenschaltung mit dem digitalen Filter ι ο 24, gesteuert von einem Taktgenerator 28, zur Erzeugung des PCM-Ausgangssignals aus dem gefilterten Mittelwertsignal mit der Abtastfrequenz 2 IV. Der Filterblock 25 ist unterteilt in eine erste Filterschaltung

29 zur Erzeugung eines primären Mittelwertsignals aus is einer Anzahl von Abtastungen des Deltasignals gleich der Anzahl R, d. h. dem Verhältnis der Taktfrequenz des Dcltamodulationskodiercis 15 und der Abtastfrequenz des PCM-Worl-Gcnerators 27. Im Ausführungsbeispiel beträgt das Verhältnis 128. Eine /weite Filterschaltung ^o

30 liefert ein sekundäres Mittclwertsignal aus M Abtastungen des primären Mittelwcrtsignals, wobei M im Ausführungsbeispiel gleich 16 ist.

Die Filterschaltung 29 enthält ein Schieberegister, das vom digitalen Ausgang der Komparatorschaltung 16 :s das Deltasignal erhält und am Ausgang ein Ausgangssignal, bestehend aus dem gleichen Deltasignal, liefert, verzögert um R Perioden der Taktfrequenz des Dcltamodulationskodicrers 15. zu welchem Zweck das Schieberegister 31 im Ausführungsbeispiel 128 Stufen yo aufweist. Der binäre Wert des verzögerten Deltasignals wird vom binären Wert 'es dem Schieberegister 31 /ugcfiihrten Deltasignals durch eine 1 - Bit-Arithmetikeinheit 32 abgezogen. Die resultierende Differenz geht zu einer 8-Bit-Arithmctikeinheit 33, die sie zu der akkumulierten binären Summe eines 8-Bit-Registers 34 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-Arithmetikeinheil 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-Gatlcr 37 in das Register 36. Die akkumulierte Summe, die von der Arithmetikeinheit 35 nach M Summicrungen geliefert wird, wobei Mim Ausführungsbeispiel gleich 16 ist, geht ferner vom Filterblock 25 zum Filtcrblock 26, über einen Abtastkontakt 38, gesteuert durch einen Taktgenerator 39 mit der Taktfrequenz. 2 RWIM. 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.

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

Der Filtcrblock 26 trennt die digitale Version des analogen Eingangssignals am Deltamodulationskodicrer 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 entsprechend dem Deltamodulationskodierer 15 in Fig. 2, sind im Ausführungsbeispiel für 32 Telefoneingangskanäle ausgeführt und über einen entsprechenden Serien-Parallel-Umsetzer 42 mit einem digitalen Zeitmultiplexfiller 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-Worlgenerator 49 verbunden ist, der, gesteuert von einem Taktgenerator 50, mit einer Ablaslfrequenz 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 Gatterschaltungcn verbunden sind, die durch eine (nicht gezeigte) Steuereinheit im Zeitmultiplexverfahren gesteuert werden. Eine Taktfrequenz von 1024 kHz für die Deltamodulationskodierer 41 führt zu einer Übertragungsfrequenz von 8192 kHz zwischen diesen und dem digitalen Filter 43.

Der Filterblock 44 im digitalen Filter 43 stimmt mit dem Filtcrblock 25 in Fig. 2 überein, während die Filterblöcke 45, 46 und 47 zusammen mit dem Filterblock 26 übereinstimmen, der im Ausführungsbeispiel so unterteilt ist, daß die erforderliche Anzahl der Arithmetikoperationen reduziert wird. Die Filterblöcke 44, 45, 46 und 47 arbeiten im Ausführungsbeispiel mit den Abtastfrequenzen 1024 kHz, 64 kHz, 16 kHz und 8 kHz. Ihre Übertragungsfunktion lautet:

H = H₁ H₂ -H₃ H₁. wobei:

W,- [(I - r"¹²⁸V(I - r'¹)]
[(I - ζ '"),'(1 - ζ ')],

H₂= (1 + ζ~^λ?{\ +Z-²Pd + ζ'*).

H₃ = Α,,ζ ⁸ + ζ ⁸ Σ A₁(Z⁺' + ζ ^j)

i = I

Η_Λ = (1 - z-

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Umwandlung eines analogen Eingangssignals in ein pulscodemoduliertes (PCM) s 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 _!0 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 Deltamoduiations-PCM-Umsetzer, in dem ein digitales Filter mit dem digitalen Ausgang der Komparatorschaltung im Deltamodulaüonskodierer verbunden und so angeordnet ist, daß ein Mittelwertsignal zum Deltasignal erzeugt wird, wobei ein PCM-Wortgenerator ^₀ 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 ΛΓ-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 Abtastun- ^o gen des Deltasignals mindestens gleich dem Verhältnis (R) von Taktfrequenz (2 RW) und Abtastfrequenz (2 W) erzeugt wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das digitale Filter einen ersten Filterblock (25) enthält, der mit einer Schreib- oder Eingabefrequenz gleich der Taktfrequenz (2 RW) und einer Lesefrequenz arbeitet, gleich dieser geteilt durch eine ausgewählte, ganzzahlige Potenz von 2 (M), und unterteilt ist in eine erste Filterschaltung (29) zur Erzeugung eines primären Mittelwertsignals zum Deltasigna¹, 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. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Filterschaltung ein Schieberegister (31) umfaßt, mit einer Anzahl von Stufen gleich dem Verhältnis (R)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 tatsächli- (.0 chen Deltasignals, und eine Akkumulatoreinheii (33, 34). mit der Arithmetikeinheit verbunden, zur Akkumulation der resultierenden Differenz aus der Arithmetikeinheit nach der Subtraktion.

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekenn- <is zeichnet, daß das digitale Filter einen zweiten Filterblock (26) umfaßt, in Kaskadenschaltung mit dem ersten Filterblock und zur scharfen Abtrennung des zweiten Mittelwertsignals vom Pulsmodulationsund Außenbandrauschen, bestehend aus einer Gleichstromsperrschaltung vor dem PCM-Wortgenerator (27).

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Filterblock in eine Reihe von Filterblöcken (45, 46 und 47) unterteilt ist, in Kaskadenschaltung verbunden und so angeordnet, daß sie mit aufeinanderfolgend reduzierten Abtastfrequenzen bezogen auf die Abtastfrequenz des PCM-Ausgangssignals als ganzzahlige Potenz von 2 arbeiten.

6. Anwendung der Anordnung nach den vorhergehenden Ansprüchen in einer Zeitmultiplexanordnung, mit einer Anzahl von Deltamodulationskodierern (41) und einem digitalen Zeitmultiplexfilter (43). dadurch gekennzeichnet, daß jeder Deltamodulaüonskodierer 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 Zeitmuliiplexanordnung gesteuert.