DE2718229A1

DE2718229A1 - Digitale nachrichtenuebertragungsanlage

Info

Publication number: DE2718229A1
Application number: DE19772718229
Authority: DE
Inventors: James Charles Candy; Yau Chau Ching
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1976-04-23
Filing date: 1977-04-23
Publication date: 1977-11-10
Also published as: SE7704529L; NL7704369A; DE2718229C2; FR2349238A1; AU510152B2; BE853735A; JPS52130226A; FR2349238B1; AU2442377A; IT1072812B; SE417046B; CA1083260A; US4032914A; GB1527207A

Description

BLUMBACH · WESER · BERoEN · KRAMER ZWIRNER · HIRSCH · BREHM

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN 2718229

Patentconsult Radedcestrafle 43 8000 München 60 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsult Patentconsult Sonnenberger Straße 43 6700 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561993 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsult

WESTERN ELECTRIC COMPANY INCORPORATED Candy 21-7 NEW YORK, N.Y. 1ooo7 /USA

Digitale Nachrichtenübertragungsanlage.

Die Erfidnung betrifft eine digitale Nachrichtenübertragungsanlage mit einem Direktrückkopplungscodierer (19), der ein ein analoges Eingangssignal darstellendes, erste Codegruppen einer ersten Vielzahl von Bits enthaltendes Digitalsignal zeugt und eine Quantisiereinrichtung (13) für mehrere Stufen aufweist, und mit einem Umsetzer, der das Digitalsignal in ein pulscodemoduliertes Signal hoher Signalauflösung umwandelt, das zweite Codegruppen mit mehreren Bites aufweist. Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine digitale Signalverarbeitung und insbesondere auf eine Analog-Digitalumwandlung in digitalen Nachrichtenübertragungsanlagen, bei denen ein grob quantisiertes Digitalsignal in ein Digitalsignal hoher Auflösung umgewandelt wird, das Codegruppen mit mehreren Ziffernpositionen enthält.

Es ist eine Anzahl von bekannten Codierern für eine Analog-Digitalumwandlung entwickelt worden, die zum Ausgleich einer mangelhaften Genauigkeit in ihrer Betriebsweise eine Abtastung

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München: R. Kramer Dipl.-Ing. . W. Weser Oipl.-Phys. Dr. rer. na·. · P. Hirsch Dipl.-Ing. . H. P. Brehm Dipl.-Chem. Or. phil. nat. Wiesbaden: P. G. Blumbach Dip!.-Ing. · P. Bergen Dipl.-Ing. Dr. jar. · G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.

und Codierung hoher Geschwindigkeit mit einem vielfachen der Nyquist-Frequenz benutzen. Dadurch lässt sich der Umfang der Schaltungsanordnungen wesentlich verringern, der im anderen Fall bei einer direkten Analog-Digitalumwandlung Jedes analogen Abtastwertes in ein Codewort oder eine Codegruppe hoher Auflösung mit mehreren Ziffern erforderlich ist. Bei einer Anordnung wird eine Anzahl von Ziffern aus einem Deltamodulator hoher Geschwindigkeit mit Hilfe von digitalen Multiplizierern zur Erzeugung eines pulscodemodulierten (PCM)-Signals kombiniert. Ein Nachteil dieser Anordnung besteht darin, dass der Deltamodulator mit extrem hoher Geschwindigkeit arbeiten muss, um ein PCM-Signal hoher Auflösung zu liefern. Wenn ein langsamer arbeitender Mehrstufencodierer, der eine Vielzahl von codierten Ziffern liefert, anstelle eines Deltamodulators benutzt wird, so wären komplizierte und aufwendige digitale Multiplizierer anstelle einfacher Gatter erforderlich, um die bewertete Summe zu liefern, die das PCM-Signal hoher Auflösung darstellt. Ausserdem müssen - selbst wenn ein Deltamodulator benutzt wird - die statistischen Eigenschaften des analogen Eingangssignals bekannt sein, damit die günstigsten Koeffizienten der Multiplizierer gewählt werden können, um ein PCM-Signal hoher Auflösung durch Minimierung des kumulativen Einflusses des Quantisierungsrauschens zu liefern.

Bei einer anderen Anordnung wird über eine Anzahl von Codegruppen gemittelt, die durch einen schnellen Direktkopplungs-

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codierer mit mehreren Bits erzeugt v/erden. Die Mittelwertbildung nutzt eine Selbstauslöschung des Quantisierungsrauschens durch die Auslegung des Codierers aus. Dies beruht auf der Anordnung des Integrators im Vorwärtssignalweg des Quantisierers statt im Rückkopplungsweg des Subtrahierers. Diese Anordnung kann daher ein Signal mit verbesserter Auflösung ohne Verwendung von komplizierten digitalen Multiplizierern liefern.

Ein der Erfindung zugrundeliegendes Problem besteht darin, eine Anzahl von durch einen Direktrückkopplungscodierer erzeugten Codegruppen mit mehreren Bits zu kombinieren, um ein PCM-Signal mit höherer Auflösung aus bei Verwendung bekannter Verfahren zu liefern.

Ein weiteres Problem ist die Schaffung einer Anordnung, die eine bewährte Akkumulierung von Codegruppen mit mehreren Bits zur Erzeugung eines PCM-Signals hoher Auflösung ohne Verwendung komplizierter digitaler Multiplizierer erzeugt.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, diese Probleme zu überwinden. Zur Lösung der Aufgabe geht die Erfindung aus von einer digitalen Nachrichtenübertragungsanlage der eingangs genannten Art und ist dadurch gekennzeichnte, dass der Umsetzer eine erste Akkumuliereinrichtung zur Aufnahme jeder der ersten Codegruppen und Erzeugung eines Ausgangssignals aufweist, das eine laufende Summe einer vorbestimmten

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Zahl der aufgenommenen Codegruppen angibt, ferner eine zweite Akkumuliereinrichtung aufweist, die das Ausgangssignal aufnimmt und dessen negativen Wert für einen Teil der vorbestimmten Zahl addiert sowie dessen positiven Wert für einen anderen Teil der vorbestimmten Zahl addiert, um eine Gesamtsumme zu erzeugen, dass aufeinanderfolgende Ausgangssignale des Codierers während des einen Teils der vorbestimmten Zahl in der Gesamtsumme mit zunehmender Häufigkeit und aufeinanderfolgende Ausgangssignale des Codierers während des anderen Teils der vorbestimmten Zahl in der Gesamtsumme mit abnehmender Häufigkeit enthalten sind, und dass eine Ausgangseinrichtung an die zweite Akkumuliereinrichtung angeschaltet ist, und das impulscodemodulierte Signale erzeugt, in welchem jede zweite Codegruppe eine Gesamtsumme angibt, die durch eine vorbestimmte Zahl von aufgenommenen Codegruppen erzeugt wird.

Die Erfindung sieht daher entsprechend ihrer verschiedenen Aspekte einen Signalumsetzer vor, der die Verwendung von digitalen Multiplizierern durch eine Anordnung von zwei Akkumulatoren vermeidet, die eine Bewertung für eine Vielzahl von aufeinanderfolgenden, grob quantisierten Signalen vornehmen, von denen jedes durch eine Vielzahl von Ziffern dargestellt ist. Das Bewertungsverfahren im Signalumsetzer liefert ein digitalcodiertes Signal hoher Auflösung. Entsprechend eines speziellen Merkmals der Erfindung führt

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eine Änderung des Zeitintervalls, in welchem der Inhalt des ersten Akkumulators zum zweiten Akkumulator übertragen wird, zu einer unterschiedlichen Bewertungsfunktion und einer weiteren Verbesserung der Signalauflösung.

Entsprechend eines allgemeineren Merkmals sieht die Erfindung einen Umsetzer vor, der eine Vielzahl von Codegruppen von einem Direktrückkoppliingscodierer zur Lieferung eines Digitalsignals hoher Auflösung verarbeitet, das Codegruppen mit mehreren Bits enthält. Der Umsetzer v;eist einen ersten Akkumulator auf, der jede der Codegruppen aufnimmt und eine Ausgangssignal liefert, das eine laufende Summe eine vorbestimmten Zahl der Codegruppen angibt. Ausserdem v/eist der Umsetzer einen zweiten Akkumulator auf, der das Ausgangssignal des ersten Akkumulators aufnimmt, und dessen negativen Wert für einen Teil der vorbestimmten Zahl von Codegruppen addiert sowie deren positiven Wert für einen anderen Teil der vorbestimmten Zahl von Codegruppen addiert, um eine Gesamtsumme zu erzeugen. Die Gesamtsumme weist aufeinanderfolgende Ausgangssignale des Codierers während des einen Teils mit zunehmender Häufigkeit und aufeinanderfolgende Ausgangssignale des Codierers v/ährend des anderen Teils mit abnehmnerder Häufigkeit auf. Aus jeder Gesamtsumme wird eine zweite Codegruppe aus mehreren Bits erzeugt, die das impulscodemodulierte Signal bildet.

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Entsprechend eines speziellen Merkmals der Erfindung werden Ausgangssignale eines Zeitgebers benutzt, um den einen und den anderen Teil der vorbestimmten Zahl von Codegruppen zu definieren und die beiden Akkumulatoren auf Null zurückzustellen. Der Zeitgeber defininiert ausserdem einen dritten Teil der vorbestimmten Zahl und gibt diesen dem zweiten Akkumulator an. Der zweite Akkumulator bleibt während des dritten Teils frei und sperrt das Ausgangssignal des ersten Akkumulators gegen Änderungen seines Inhalts. Es werden zwei Ausführungsbeispiele unter Anwendung einer bewerteten Akkumulierung offenbart. Bei einem Ausführungsbeispiel findet eine dreieckförmige Bewertung und beim anderen Ausführungsbeispiel eine trapezförmige Bewertung statt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen :

Fig. 1 das Blockschaltbild einer Anordnung nach der Erfindung;

Fig. 2 ein Kurvenformdiagramm zur Erläuterung der Anordnung nach Fig. 1 ;

Fig. 3 eine Tabelle mit den Signalen, die den verschiedenen Bauteilen in Fig. 1 zugeordnet sindj

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Fig. 4 eine grafische Darstellung der dreieickförmig bewerteten Akkumulierung, die zur Erzeugung des PCM-Ausgangssignals hoher Auflösung in Fig. 1 benutzt \/ird;

Fig. 5 das Blockschaltbild einer modifizierten Anordnung, bei der eine andere bewertete Akkumulierung durchgeführt wird;

Fig. 6 ein Kurvenform-Diagramm zur Erläuterung der Betriebsweise in Verbindung mit der Anordnung nach Fig. 5;

Fig. 7 eine Tabelle von Signalen, die der Tabelle gemäss Fig. 3 ähnlich ist und die Signale angibt, die von den Bauteilen der Anordnung nach Fig. 5 erzeugt werden;

Fig. 8 die trapezförmig bewertete Akkumulierung, die von der Anordnung gemäss Fig. 5 vorgenommen wird!

Gemäss Fig. 1 wird ein in digitale Form zu codierendes Analog· signal an einen Subtrahierer 11 angeleget. Dessen Ausgangssignal gelangt zu einem Integrator 12, der wiederum sein Ausgangssignal an einen Klassifizierer 13 mit sechszehn Schwellenwerten gibt. Der Klassifizierer 13 besitzt 16 Ausgänge, die Über eine Sammelleitung 14 an den anderen

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Eingang des Subtrahierers 11 rückgekoppelt und ausserdem mit einem binären Umsetzer 17 verbunden sind. Der Klassifizierer 13 tastet das Ausgangssignal des Integrators 12 in Abhängigkeit von Impulsen ab, die von einem Taktgeber 18 geliefert werden. Das Ausgangssignal des Klassifizierers 13 gibt dann auf der Sammelleitung 14 eine von 17 groben Quantisierungsstufen an. Der Pegel des analogen Eingangssignals steht so zu den Quantisierungsstufen in Beziehung, dass diese das Ausgangssignal des Integrators 12 umfassen. Wenn das Ausgangssignal des Integrators 12 den höchsten negativen Wert hat, so wird der Spannungspegel Null an allen sechszehn Ausgängen des Klassifizierers 13 erzeugt, während die höchste positive Ausgangsspannung vom Klassifizierer durch einen vorbestimmten Spannungsv/ert an allen seinen sechsze hn Ausgängen dargestellt v.drd. Das Fehlen einer Spannung an irgend einem Ausgang des Klassifizieres 13 gibt an, dass die Spannung am Eingang des Klassifizierers kleiner ist als der Quantisierungsschwellenwert, der diesem Ausgang entspricht. Demgemäss liefert der Klassifizierer 13 eine Ansammlung von Spannungswerten an den zweiten Eingang des Subtrahierers 11, die eine bestimmte Quantisierungsstufe im Klassifizierer angeben. Der Ausgang des Subtrahierers 11 liefert ein Eingangssignal an den Integrator 12, das die Differenz zwischen dem analogen Eingangssignal und der durch den Klassifizierer 13 angegebenen Quantisierungsstufe ist. Der Umsetzer 17 wandelt die Information auf der Sammelleitung 14 in digitale Form um (beispielsweise Digitalwörter

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mit fünf Bits).

Der Codierer 19, der die bis hierher beschriebenen Schaltungen umfasst, ist auf übliche Weise ausgebildet. Eine solche Anordnung stellt einen vielstufigen Sigma-Modulator dar, und zwar wegen der Stelle, an der sich der Integrator 12 befindet, der nicht nur als analoger Akkumulator wirkt, sondern ausserdem das analoge Eingangssignal integriert. Wie oben erwähnt, wird dieser Codierertyp auch einfach als Direktrückkopplungscodierer bezeichnet. Ein socher Codierer ist in der US-Patentschrift 3,82o,111 (25. Juni 1974) beschrieben. Es sei betont, dass die vorteilhafte Betriebsweise der weiteren Schaltungen in Fig. 1,die nachfolgend beschrieben werden sollen, in erster Linie von dem allgemeinen Codierverfahren der direkten Rückkopplung abhängen und dass diese Betriebsweise leicht zur Lieferung vorteilhafter Ergebnisse angepasst werden kann, wenn irgend eine der besonderen Eigenschaften des Codierers verändert wird.

In der vorgenannten US-Patentschrift wird ausserdem ein Umsetzer beschrieben, der an den Ausgang eines Direktrückkopplungscodierers angeschaltet ist und ein PCM-Signal von Digitalwörtern mit acht Bit-TS liefert. Dieser Umsetzer soll jetzt erläutert v/erden, damit die restlichen Schaltungen in Fig. 1 klar verständlich werden. Bei dem beschriebenen Umsetzer wird eine Mittelwertbildung von 1.6 grob quantisierten Digitalv/örtern zur Bildung eines digitalen Ausgangswor-

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tes mit acht Bits benutzt. Mathematisch wird die Auflösung des digitalen Ausgangssignals gegenüber dem Eigangssignal des Umsetzers um den Faktor N/ /2 (N = 16) verbessert.

Die Verbesserung beruht auf der Eigenschaft des Fehlers oder Rauschens $eder grob quantisierten Stufe bei der Annäherung des zu codierenden Analogsignals dahingehend, dass einige Fehler positiv und andere negativ sind, so dass sich bei der Hittelwertbildung eine Auslöschung ergibt. Die grundlegende und vernünftige Annahme geht dahin, dass das an den Integrator gelieferte Quantisierungsrauschen weisses Rauschen ist, das zufällige oder unkorrelierte Eigenschaften besitzt, so dass die Kombination einer Anzahl von grob quantisierten Stufen mit Hilfe einer digitalen Verarbeitung zu einer Selbstauslöschung dieses Rauschens führt.

Die restlichen Schaltungen in Fig. 1, die ebenfalls einen Umsetzer darstellen, arbeiten auf der Grundlage der obenangegebenen Annahme. Durch die beiden Akkumulatoren wird jedoch eine dreieckförmige Bewertungsfunktion vorgenommen. Diese Bewertungsfunktion führt zu einer gleichmässigen Bewertung der Quantisierungsfehler vom ersten bis zum letzten grob quantisierten Wert, die zu dem PCM-Ausgangswort mit mehreren Ziffernpositionen beitragen. Dieser Vorgang verbessert die Selbstauslöschung der Fehler oder des Rauschens. Die dreieckförmige Bewertung verbessert die

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Auflösung des Ausgangssignals gegenüber dem Eingangssignal des Umsetzers um ~v— , wobei N die Anzahl der grob quantisierten Werte ist, die zur Erzeugung eines PCM-Ausgangswortes benutzt werden. Im Hinblick auf diese Beziehung zur Verbesserung der Auflösung ergibt sich, dass ein grosser Wert für N bei der Bewertung zu einer wesentlichen Verbesserung der Auflösung gegenüber der üblichen Mittelwertbildung führt. Es wurden für jedes Ausführungsbeispiel besondere Auslegungsparameter gewählt, um ein PCM-Signal hoher Auflösung zu liefern, bei dem jedes digitale Ausgangswort vierzehn Bits hat.

Das Ausgangssignal des Codierers 19 wird an den Umsetzerabschnitt in Fig. 1 gegeben. Ein digitaler Addierer 21 und Register 22 dienen als erster Akkumulator, in dem jedes neue, vom Codierer 19 erzeugte Digita3.wort zum vorhergehenden Inhalt des Registers 22 addiert wird. Abhängig vonimpulsen aus dem Taktgeber 18 liest und speichert das Register 22 das Ausgangssignal des digitalen Addierers 21. Auf diese Weise stellt der Inhalt des Registers 22 eine laufende Akkumulierung oder Summe der vom Codierer 19 erzeugten Digitalwörter dar. Dieser Vorgang setzt sich für die vorbestimmte Gruppe aller DigitalWörter fort, die zu jedem, gegebenenfalls von der Anordnung in Fig. 1 erzeugten PCM-Ausgangswort beitragen. Am Ende jeder Akkumulierung der vorbestimmten Gruppe von Codewörtern vom Codierer 19 schaltet

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der Ausgangεzustand der internen Stufen des Zählers 24 den Ausgang eines UND-Gatters 26 unter Erzeugung eines Übertragsimpulses um. Der Übertragsimpuls stellt das Register 22 auf Null zurück, so dass der Akkumul ie rung svorgang für das nächste PCM-Ausgangswort wiederholt v/erden kann.

Das laufende Akkumulierungssignal des Registers 22 auf der Sammelleitung 23 wird einem digitalenKombinierer 27 zugeführt, der zusammen mit dem Register 28 als zweiter Akkumulator dient. Wie Fig. 1 zeigt, erscheinen Digitalsignale, die den Inhalt des Registers 28 angeben, auf der Sammelleitung 29, die das zweite Eingangssignal für den digitalen Kombinierer 27 liefert. Der verbleibende Eingang des digitalen Kombinierers 27 ist ein Betriebsweiseneingang, dem das Ausgangssignal der letzten Stufe im Zähler 24 zugeführt wird. Dieses Signal wird als Betriebsweisensignal bezeichnet, das dem digitalen Kombinierer 27 befiehlt, das Signal auf der Sammelleitung 23, welches den Inhalt des Registers 22 angibt, zu bzw. von den Signalen auf der Sammelleitung 29, die den Inhalt des Registers 28 angeben, zu addieren bzw. zu subtrahieren. Während des ersten Teils des Akkumulierungsvorganges zur Bildung eines PCM-Ausgangswortes veranlasst des Arbeitsweisensignal den digitalen Kombinierer 27, ein Signal, das den negativen Wert des Inhaltes des Registers 22 angibt, mit dem Signal auf der Sammelleitung 29 zur Abgabe an das Register 28 zu kombinieren. Demgemäss stellt die Akkumulierung im Register 28 eine

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zweite Akkumulierung mit dem negativen Wert des Inhaltes iro Register 22 dar, der durch Jede Gruppe von Digitalsignalen, die auf der Sammelleitung 23 auftreten, auf einen neuen Wert erhöht wird. Das Register 28 erhält ausserdem Impulse vom Taktgeber 18, die das Auftreten aufeinanderfolgender Schritte bei der zweiten Akkumulierung im Register zeitlich steuern. Der Inhalt des Registers 28 wird auf diese Weise verändert, bis das von Zähler 24 erzeugte Betriebsweisensignal seinen Zustand ändert. Dann werden Signale, die die erste Akkumulierung ohne Vorzeichenänderung angeben, direkt durch den digitalen Kombinierer 27 mit dem Signal auf der Sammelleitung 29 kombiniert, und es wird der Inhalt im Register 28 so verändert, dass er bezüglich des Vorzeichens mit dem Inhalt des Registers 22 am Ende des Akkumulierungsvorganges übereinstimmt. Das Betriebsweisensignal bleibt also für den restlichen Teil des Akkumulierungsvorgangs im zweiten Zustand.

Da die zweite Akkumulierung ein fortlaufender Vorgang ähnlich der ersten Akkumulierung ist, führt eine Zustandsänderung des an den digitalen Kombinierer 27 gegebenen Betriebsweisensignals etwa in der Mitte des Akkumulierungs-Vorganges zur Bildung eines PCll-Ausgangswortes zu einer Gesamtakkumulierung im Register 28, die im codierten Vorzeichen mit dem Inhalt des Registers 22 übereinstimmt. Wenn demgemäss das codierte Vorzeichen der Codewörter das Vorherrschen des einen oder anderen· Vorzeichens zeigt,

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so bestimmt dieses Vorzeichen das Vorzeichen für die Akkumulierung in beiden Registern. Jedes Digitalwort vom Codierer 19 kommt im Register 28 um eine Taktperiode gegenüber dem Zeitpunkt an, zu dem es den Codierer auf der Leitung 14 verlässt. Demgemäss wird der Übertragsimpuls, der das Register 28 löscht, in der Verzögerungseinrichtung 3o verzögert, die in typischer Weise ein D-Flip-Flop sein kann. Am Ende des zweiten Akkumulierungsvorganges wird das Signal auf der Sammelleitung 29, das die Gesamtakkumulierung im Register 28 angibt, durch den vom UND-Gatter 26 über die Verzögerungseinrichtung 3o kommenden, verzögerten Übertragsimpuls in das Register 31 gelesen. Dieses Register liefert dann die PCM-Ausgangswörter mit verbesserter Auflösung, die ein digitales Abbild des analogen Eingangssignals darstellen. Der Vorteil einer solchen Anordnung mit einem getrennten Ausgangsregister, nämlich dem Register 31, besteht darin, dass das Ausgangssignal jederzeit zwischen dem Erscheinen jedes neuen Wortes bis kurz vor dem Erscheinen des unmittelbat nachfolgenden Wortes entnommen werden kann.

Eine vollständigere Erläuterung der Betriebsweise für die Anordnung nach Fig. 1 lässt sich durch eine Prüfung der Zeitdiagramme in Fig. 2 gewinnen. Die Taktimpulse in Fig. 2 stellen das Ausgangssignal des Taktgebers 18 dar. Bei der Anordnung nach Fig. 2 werden 255 aufeinanderfolgende Wörter vom Klassifizierer 13 benutzt, um ein einziges

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Ausgangswort aus dem Register 31 in Fig. 1 zu erzeugen. Das Taktsignal wird dem Zähler 24 zugeführt, der unter Verwendung einer internen Reihenschaltung von acht Stufen durch 256 teilt. Die Ausgangssignale der verschiedenen aufeinanderfolgenden Stufen sind als Rechteckwellen in Fig. 2 dargestellt. Das Ausgangssignal der achten Stufe wird dem digitalen Kombinierer 27 als Betriebsweisensignal zugeführt, um die Addier- oder Subtrahierabschnitte des Akkumulierungsvorganges im Register 28 zu definieren. Die Ausgangssignale aller internen Stufen des Zählers 24 v/erden zusammen mit dem Signal vom Taktgeber 18 dem UND-Gatter 26 zugeführt, das einen einzigen Impuls am Ende von jeweils 255 aufeinanderfolgenden Taktimpulsen erzeugt. Der einzige Impuls, der in Fig. 2 als Übertragsignal dargestellt ist, wird dem Register 22 zu dessen Rückstellung zugeführt. Nach einer Verzögerung um ein Taktintervall wird das Übertragsignal an das Register 28 gegeben und stellt es auf Null zurück, gleichzeitig mit der Übertragung der die Akkumulierung im Register 28 angebenden Signale zum Register 31 über die Sammelleitung 29. Demgemäss beruht das nächste digitale Ausgangswort vom Register 31 auf den nächsten255 Ausgangswörtern vom Umsetzer 19, da die Register 22 und 28 nach der Bildung des letzten, zum Ausgangsregister 31 gegebenen Ausgangswortes gelöscht werden. Das Asugangswort ist in diesem Fall ein PCM-Wort hoher Auflösung mit vierzehn Bits.

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Fig. 3 und 4 dienen zur Erläuterung der Bewertungsfunktion bei'dera durch die beiden Akkumulierer in Fig. 1 durchgeführten Akkumuliervorgang. Fig. 3 ist eine Tabelle, die den allgemeinen Inhalt der Register 22 und 28 während eines typischen Zyklus in dem Akkumuliervorgang angibt. Entsprechend der Darstellung in der linken Spalte der Tabelle in Fig. 3 werden die aufeinanderfolgenden Ausgangssignale des Codierers 19 in Fig. 1 in der Reihenfolge von oben nach unten aufgelistet, wobei jeder Wert Q das Codewort oder die Gruppe von Ziffern angibt, die der grob quantisierten Stufe im Klassifizierer 13 entspricht, welche dem Wert (Vorzeichen und Betrag) des Ausgangssignals vom Integrator 12 am nächsten kommt. Man beachte, dass das codierte Vorzeichen und der codierte Betrag jedes mit Q bezeichneten Codewortes eine Funktion des analogen Eingangssignals des Codierers 19 in Fig. 1 ist. Demgemäss haben die Vorzeichen und Beträge, die in den verschiedenen Werten von Q enthalten sind, entsprechende Änderungsneig\uigen. Die nächste breite Spalte in der Tabelle gibt den Inhalt des Registers 22 in Fig. 1 an, der durch Addition der aufeinanderfolgenden Ausgangssignale des Codierers 19 gewonnen wird.

Die dann folgende Spalte in der Tabelle in Fig. 3 zeigt die Betriebsweise des digitalen Kombinierers 27 wähnrend des dargestellten Akkumulierungszyklus. Der digitale Kombinierer 27 addiert algebraisch den codierten negativen Wert des codierten Inhalts des Registers 22 zum vorhergehend akkumu-

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lierten Inhalt im Register 28 für jeden vom Codierer 19 erzeugten und im Register 22 gespeicherten Wert von Q. Anders gesagt, der Kombinierer 27 multipliziert den codierten Inhalt des Registers 22 mit einer codierten -1 und führt dann zusammen mit dem Register 27 die Akkumulation durch. Die negative Betriebsweise setzt sich bis zum Ausgangssignal Q_n des Codierers 19 fort. Dann wird die positive Betriebsweise p-mal aufeinanderfolgend von Q_n+1 bis GL₊- benutzt, wobei der positive Wert des codierten Inhalts des Registers 22 algebraisch zu dem vorhergehend akkumulierten Inhalt im Register 28 addiert wird.

Die breite Spalte ganz rechts in der Tabelle gibt den Inhalt des Registers 28 an. Am Ende des Vorgangs nach dem Auftreten des Ausgangssignals Q_n+p vom Codierer 19 ergibt sich aus der Tabelle, dass das Register 28 eine bewertete Akkumulierung enthält. Die Häufigkeit, mit der jedes durch Q mit einem bestimmten Index bezeichnete Ausgangssignal des Codierers 19 in Fig. 1 in der bewerteten Akkumulierung bis n+1 auftritt, entspricht seiner Lage in der Reihenfolge aufeinanderfolgender Ausgangssignale, die vom Codierer 19 erzeugt werden. Diese Werte treten während der negativen Betriebsweise der Akkumulierung auf. Bei der positiven Betriebsv/eise zwischen Q_n+1 und Q_n nimmt die Häufigkeit, mit der jeder Wert Q mit einem bestimmten Index auftritt, mit seiner Lage in der Reihenfolge bis Q_n+_ ab, das nur einmal auftritt. Diese Betriebsweise entspricht einer

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dreieckförmigen Bev/ertungsfunktion, die schematisch in Fig. 4 dargestellt ist. Da eine positive Akkumulierung im Register 28 enthalten ist, ergibt, dass am Ende jedes Zyklus bei dem Akkumulierungsvorgang das tatsächlich codierte Vorzeichen für den Inhalt im Register 28 mit dem Vorzeichen des codierten Inhalts im Register 22 übereinstimmt. Es sei darauf hingewiesen, dass jede v/eitere Bezugnahme auf ein Vorzeichen bei dem Akkumulierungsvorgang ein codiertes Vorzeichen und nicht die Polarität der Signale betrifft. Die Übertragung dieser bewerteten Akkumulierung vom Register 28 zum Register 31 am Ende des Akkumuli e rungszyklus liefert ein PCM-Ausgangswort hoher Auflösung.

Fig. 5 zeigt das Blockschaltbild eines Umsetzers, der dem Umsetzer in Fig. 1 ähnlich ist, aber so abgeändert wurde, dass sich eine trapezförmige Bewertungsfunktion ergibt. Bauteile in Fig. 5» die identisch mit den Bauteilen in Fig. 1 sind, haben die gleiche Bezugsziffer. Die ersten drei Bauteile, nämlich der Codierer 19» der digitale Addierer 21 und das Register 22 arbeiten ähnlich wie die entsprechenden Bauteile in Fig. 1 mit der Ausnahme, dass das Register 22 eine Akkumulierung von 191 aufeinanderfolgenden Ausgangscodewörtern vom Codierer 19 anstelle der in Fig. 1 benutzten 255 Ausgangscodewörter liefert. Ausserdem besitzt der digitale Kombinierer 25 in Fig. 5 zwei Betriebsweiseneingänge anstelle des einen Eingangs des digitalen Kombinierers 27 in Fig. 1. Darüber hinaus arbeitet der

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digitale Kombinierer 25 auf eine etwas andere Art, die nachfolgend noch beschrieben wird.

Vor einer weiteren Erläuterung der Anordnung nach Fig. dürfte eine Gesamtbeschreibung ihrer Arbeitsweise mit Bezug auf den Umsetzer in Fig. 1 zweckmässig sein. Wie oben angegeben, ist der Umsetzer gemäss Fig. 5 so abgeändert, dass er eine trapezförmige Bewertungsfunktion beinhaltet. Diese Bewertungsfunktion ermöglicht eine etwas bessere Auflösung als die dreieckförmige Bewertungsfunktion in Fig. 1. Der Grund für die durch die trapezförmige Bewertung erzielte Verbesserung besteht darin, dass sie zu einer besseren Annäherung der optimalen parabolischen Bewertung führt, die bei Verwendung von komplizierten digitalen Multiplizierern erzielt v/erden kann. Das Ausgangs signal in Fig. 5 ist ebenfalls ein PCM-Wort hoher Auflösung mit vierzehn Bits. Die etwas bessere Auflösung, die mit der trapezförmigen Bewertungsfunktion erzielt wird, gibt jedoch die Möglichkeit, dass der Codierer 19 mit einer um 25 % niedrigeren Frequenz betriebenwird. Demgemäss sind nur aufeinanderfolgende Ausgangscodeworter vom Umsetzer 19 erforderlich, um ein PCM-Codewort mit vierzehn Bits zu liefern, das im wesentlichen die gleiche Auflösung wie das unter Verwendung der Anordnung nach Fig. 1 erzeugte Wort hat.

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Gernäss Fig. 5 wird zur Schaffung einer trapezförmigen Bewertungsfunktion eine andere Zeitsteuerungsanordnung benutzt. Der Taktgeber 48 läuft mit einer kleineren Frequenz als der Taktgeber 18 in Fig. 1, und der Zähler 49 hat eine andere Zahl von in Reihe geschalteten internen Stufen. Die Ausgangssignale des Zählers 49 v/erden zusammen mit dem Ausgangssignal des Taktgebers 48 einem UND-Gatter 51 zugeführt, das eines der beiden Eingangssignale für das UND-Gatter 59 liefert sowie über eine Verzögerungseinrichtung eines der beiden Eingangssignale zum UND-Gatter 52 führt. Das andere Eingangssignal für das UND-Gatter 52 kommt vom UND-Gatter 53, dessen beide Eingänge mit dem invertierten oder -O-Ausgang von D-Flip-Flops 56 und 57 verbunden sind. Das Gatter 52 erzeugt am Ende jedes Akkumulierungszyklus einen Impuls, durch den das den Inhalt des Registers 28 darstellende Signal zum Register 31 gegeben wird und der dann das Register 28 löscht. Das Register 22 wird eine Taktperiode früher durch das Ausgangssignal des UND-Gatters 59 gelöscht, welches durch den 1-Ausgang des Flip-Flops 57 betätigt wird. Das Addier-Eingangssignal für den digitalen Kombinierer 25 wird vom 1-Ausgang des Flipl-Flops 57 geliefert. Das Ausgangssignal des Gatters 53 wird ausserdem dem Subtrahier-Eingang des digitalen Kombinierers 25 zugeführt.

Das als Beispiel angegebene Zeitdiagramm in Fig. 6 sei zur Vereinfachung der weiteren Schaltungserläuterung herange-

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zogen. In Fig. 6 zeigt die erste Zeile von Impulsen das Ausgangssignal des Taktgebers 48. Entsprechend des Auftretens dieser Impulse erzeugt der Codierer 19 Digitalwörter, die den Addierer 21 durchlaufen und im Register angesammelt werden. Alle Ausgangssignale der internen Stufen des Zählers 29 liegen zusammen mit dem Ausgangssignal des Taktgebers 48 am UND-Gatter 51 zwecks Erzeugung der Impulse des Übertragsignals, das in der zweiten Zeile in Fig. 6 dargestellt ist. Das Übertragsignal unterteilt den Akkumulierungszyklus, den das Register 28 zusammen mit dem digitalen Kmobinierer 25 ausführt, in drei Abschnitte.

Das Übertragsignal taktet die Flip-Flops 56 und 57. Die durch dreiteilende Anordnung der Flip-Flops 56 und 57 zusammen mit dem Gatter 53 liefert Betriebsweisensignale für den digitalen Kombinierer 25, die als Subtrahier- und Addier-Kurvenformen in Fig. 6 dargestellt sind und die Betriebsweise des Kombinierers während jedes der drei Abschnitte des Akkumulierzyklus bestimmen. Zu Anfang jedes Akkumulierzyklus während der Dauer des ersten Impulses im Übertragsignal erzeugt das Gatter 52 einen Impuls, der in Fig. 6 als zweites Löschsignal dargestellt ist und das Register 28 auf Null zurückstellt, und zwar kurz nach dem Signal aus der Sammelleitung 29, das angibt, dass der Inhalt des Registers 28 in das Register 31 gegeben wird. Das erste Löschsignal in Fig. 6 stellt das Register 22 ein Taktintervall vor der Rückstellung des Registers 28 zurück.

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Die Betriebsweise des digitalen Korabinierers 25 ist identisch mit der des digitalen Kombinierers 27 in Fig. 1, wenn entweder ein Signalwert 1 am Subtrahier-Eingang oder ein Signalwert 1 am Addier-Eingang vorhanden ist. Im einzelnen summiert der Korabinierer 25 algebraisch den negativen Wert des Inhaltes des Registers 22 während des ersten Abschnittes des Zyklus und summiert algebraisch den positiven Wert des Inhaltes des Registers 22 während des dritten Abschnittes des Akkuraulierzyklus. Der Hauptunterschied für die Betriebsv/eise zwischen der Anordnung nach Fig. 5 und Fig.1 ergibt sich dann, wenn der Kombinierer 25 frei ist und kein Ausgangssignal während des zweiten Abschnittes des Zyklus erzeugt, wobei der erste Akkumulator mit dem digitalen Addierer 21 und dem Register 22 weiterhin eine laufende Akkumulierung der vom Codierer 19 erzeugten Codewörter vornimmt.

Die vom Gatter 53 und Flip-Flop 57 erzeugten Signale sollen jetzt in Verbindung mit der Arbeitsweise des" digitalen Kombinierers 25 beschrieben werden. Während des ersten Abschnittes des Akkumulierzyklus sind die Flip-Flops 56 und 57 im Zustand Null und erzeugen Ausgangs signale, die den Ausgang des Gatters 53 auf den Ausgangspegel 1 bringen, wodurch der Kombinierer 25 in die Subtrahier-Betriebsweise versetzt wird. In dieser Betriebsweise arbeiten der Kombinierer 25 und das Register 28 auf die gleiche Weise wie der Kombinierer 27 und das Register 28 in Fig. 1 während des

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ersten Abschnittes des Akkumulierzyklus.

Der nächste Impuls im Übertragsignal gemäss Fig. 6 schaltet in Verbindung mit dem 1-Signal vom Gatter 53 das Flip-Flop 56 in den Zustand 1, wobei aber das Flip-Flop 57 im Zustande» verbleibt. Mit dem Auftreten dieses zweiten Impulses wird der Ausgang des Gatters 53 durch die geänderten Eingangssignale auf den Zustand 0 umgeschaltet. Da das Flip-Flop 57 im Zustand 0 geblieben ist, wird ein Signal 0 an beide Betriebsweiseneingänge des Korabinierers 25 gegeben. Aufgrund dieser Signale bleibt der Kombinierer 25 für den zweiten Abschnitt des Zyklus in Ruhe, so dass keine digitalen Signale über den Kombinierer 25 in das Register 28 eingegeben werden.

Der dritte Impuls im Übertragsignal gemäss Fig. 6 schlatet zusammen mit dem Ausgangssignal 0 des Gatters 53 das Flip-Flop 56 zurück in den Zustand 0 und überträgt das Signal 1 am nichtinvertierten Ausgang des Flip-Flops 56 zum Flip-Flop 57. Dieses liefert dann während des dritten Abschnittes des Zyklus ein Ausgangssignal 1 an den Kombinierer 25. Das Ausgangssignal des Gatters 53 bleibt unverändert, da lediglich die zugeführten S^gnalwerte 0 und 1 ihre Lage wechseln.

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Während des dritten Abschnittes des Akkuraulierzyklus addieren der Kombinierer 25 und das Register 28 den positiven Inhalt des Registers 22 zu der Teilsumme, die im Register 28 während des ersten Abschnittes des Akkumulierzyklus geblieben ist. Die Summenwerte in jedem der beiden Akkumulierer in Fig. 5 werden durch jedes Ausgangssignal des Codierers 19 vergrössert. Die Betriebsweise des digitalen Kombinierers 25 in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen, die von der durch dreiteilenden Anordnung der Flip-Flops 56 und 57 geliefert werden, ergibt jedoch eine Bewertungsfunktion bei der Akkumulierung durch das Register 28, die Trapezform besitzt. Mit dem Auftreten des nächsten Impulses im Übertragsignal, der das Ende des Akkumuli erzyklus angibt, schaltet der Ausgang des UND-Gatters 59 auf den Signalwert 1 um, der das Register 22 zurückstellt und das Flip-Flop 57 zurück auf den Zustand 0 bringt. Dadurch erzeugt das Gatter 53 ein Ausgangssignal 1, das das Ausgangssignal des Gatters 52 beim Auftreten des verzögerten Impulses vom UND-Gatter über die Verzögerung 58 auf 1 ändert. Das Gatter 52 erzeugt den zweiten Löschimpuls. Das Auftreten dieses Impulses am Register 31 veranlasst das Register, das Signal auf der Sammelleitung 29 zu übernehmen, das dem Inhalt des Registers 28 entspricht. Das Register 31 enthält jetzt das PCM-Ausgangswort. Der Impuls im Löschsignal stellt ausserdem das Register 28 auf Null zurück, so dass es für den nächsten Akkumulierzyklus bereit ist. Das Register 22 ist ebenfalls

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auf Null zurückgestellt worden, und zwar um einen Taktimpuls früher durch das Ausgangssignal des Gatters 59. Es sei darauf hingewiesen, dass eine v/eitere Bezugnahme auf das Zeitdiagramm in Fig. 6 grafisch den chronologischen Ablauf für das Auftreten der Signal angibt, die diese Operation bewirken.

Die Tabelle in Fig. 7 zeigt den Inhalt der Register 22 und 28 während des Akkumulierzyklus. Die Tabelle ist so angeordnet, dass sie der Tabelle in Fig. 3 entspricht. Der Tabelle gemäss Fig. 7 lässt sich entnehmen, dass die Änderung für die Häufigkeit, mit der jedes Ausgangssignal des Codierers 19 bei der Akkumulierung im Register 28 gemäss Fig. 5 benutzt wird, zu einer Bewertung führt, die einem Trapez entspricht.

Fig. 8 zeigt geometrisch die trapezförmige Bewertungsfunktion für die Akkumulierung im Register 28 in Fig. 5. In Fig. 8 ist die kumulative Wirkung für die Häufigkeit dargestellt, mit der jedes Ausgangssignal Q. des Codierers 19 entsprechend der Tabelle in Fig. 7 auftritt, zur Vereinfachung in Fig. 8 aber nicht angegeben ist. Die Betriebsweisen des Kombinierers 25 sind in Fig. 8 in horizontaler Richtung dargestellt.

Es sei darauf hingewiesen, dass die obenbeschriebenen Schaltungsanordnungen für die Codierer und Umsetzer lediglich

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Beispiele für die Grundgedanken der Erfindung darstellen. Auf entsprechende Weise sind die zugehörigen Zeitdiagramme lediglich Beispiele für eine spezielle Betriebsweise der erläuterten Anordnungen. Änderungen bei der Anzahl aufeinanderfolgender Ausgangssignale des Codierers zur Erzeugung der PCM-Asugangswörter mit hoher Auflösung hängen von der gewünschten Genauigkeit bei dem Codiervorgang und der Art des Analogsignals ab.

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Claims

BLUMBACH · WESER . BERGEN · KRAMER ZWIRNER - HIRSCH . BREHM PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN 2718229 Palenlconsull RadedcestraOe 43 8000 München 60 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsull Palenlconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Pafentconsult Patentansprüche

1) Digitale Nachrichtenübertragungsanlage mit einem Direktrückkopplungscodierer (19)» der ein ein analoges Eingangssignal darstellendes, erste Codegruppen einer ersten Vielzahl von Bits enthaltendes Digitalsignal erzeugt und eine Quantisiereinrichtung (13) für mehrere Stufen aufweist, und mit einem Umsetzer, der das Digitalsignal in ein pulscodemoduliertes Signal hoher Signalauflösung umwandelt, das zweite Codegruppen mit mhereren Bits aufweist,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Umsetzer eine erste Akkumuliereinrichtung (21 und 22) zur Aufnahme jeder der ersten Codegruppen und Erzeugung eines Ausgangssignals aufweist, das eine laufende Summe einer vorbestimmten Zahl der aufgenommenen Codegruppen angibt, ferner eine zweite Akkumuliereinrichtung (27 und 28) aufweist, die das Ausgangssignal aufnimmt und dessen negativen Wert für einen Teil der vorbestimmten Zahl addiert

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München: R. Kramer Dipl.-Ing. · W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. . P. Hirsch Dipl.-Ing. · H. P. Brehm Dipl.-Chem. Dr. pnil. nal. Wiesbaden: P. G Blumbach Dipl.-Ing. · P. Bergen Dipl.-Ing. Dr..jur. · G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W. Ing.

ORIGINAUNSPECTED

sowie dessen positiven Wert für einen anderen Teil der vorbestimmten Zahl addiert, um eine Gesamtsumme zu erzeugen,

dass aufeinanderfolgende Ausgangssignale des Codierers während des einen Teils der vorbestimmten Zahl in der Gesamtsumme mit zunehmender Häufigkeit und aufeinanderfolgende Ausgangssignale des Codieserers während des anderen Teils der vorbestimmten Zahl in der Gesamtsumme mit abnehmender Häufigkeit enthalten sind, und dass eine Ausgangseinrichtung (31) an die zweite Akkumuli ere inri chtung (27 und 28) angeschaltet ist und das pulscodemodulierte Signal erzeugt, in v/elchern jede zweite Codegruppe eine Gesamtsumme angibt, die durch eine vorbestimmte Zahl von aufgenommenen Codegruppen erzeugt wird.

2) Digitale Nachrichtenübertragungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Akkumuliereinrichtung eine Addiereinrichtung mit zwei Eingängen und einem Ausgang aufweist, wobei einer der beiden Eingänge die codierte Darstellung aufnimmt, sowie eine Speichereinrichtung, die mit dem Ausgang der Addiereinrichtung gekoppelt ist, um das die laufende Summe angebende Ausgangssignal für die zweite Akkumuliereinrichtung und den anderen der beiden Eingänge der Addiereinrichtung zu erzeugen.

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3) Digitale Nachrichtenübertragungsanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zeitsteuerungseinrichtung zur Erzeugung und Angabe des einen und des anderen Teils der vorbestimmten Zahl der aufgenommenen Codegruppen vorgesehen ist, dass die zweite Akkumuliereinrichtung eine Kombiniereinrichtung aufweist, die mit der Zeitsteuerungseinrichtung gekoppelt ist und zwei Signaleingänge sowie einen Ausgang besitzt, von denen ein Signaleingang das Ausgangssignal der ersten Akkumuliereinrichtung aufnimmt, sowie eine Speichereinrichtung, die mit dem Ausgang der Addiereinrichtung verbunden ist und ein Ausgangssignal erzeugt, das die Gesamtsumme an die Ausgangseinrichtung und den anderen der beiden Signaleingänge gibt, dass die Kombiniereinrichtung den negativen Wert des Signals an einem der beiden Signaleingänge algebraisch zum Ausgangssignal der Speichereinrichtung während des einen Teils addiert und den positiven Wert des Signal an einem der beiden Signaleingänge zum Ausgangssignal der Speichereinrichtung während des anderen Teils algebraisch addiert.

4) Digitale Nachrichtenübertragungsanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitsteuerungseinrichtung ein Signal erzeugt, das den dritten Teil der vorbestimmten Zahl der aufgenommenen Codegruppen angibt und dass die Kombiniereinrichtung unter

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Ansprechen auf das Ausgangεsignal der Zeitsteuerungseinrichtung während des dritten Teils in Ruhe bleibt und verhindert, dass das Signal an dem einen der beiden Signaleingänge mit dem Signal am anderen der beiden Signaleingänge kombiniert v/ird und die Gesamtsumme in der Speichereinrichtung ändert.

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