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Regenerator für digitale Signale
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Die Erfindung betrifft einen Regenerator für digitale Signale mit
wenigstens einem eingangsseitigen Differenzverstärker und wenigstens einem Gatter
zur Verknüpfung der digitalen Signalimpulse mit Taktimpulsen.
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Übertragungsstrecken für digitale Signale enthalten in bestimmten
Abständen in die Ubertragungsstrecke eingefügte Zwischenregeneratoren, die jeweils
einen Regenerator für die eine Ubertragungsrichtung und einen Regenerator für die
Gegenrichtung enthalten. Jeder dieser Regeneratoren enthält einen unmittelbar mit
dem Leitungsabschluß verbundenen Entzerrer, dessen Frequenzgang den Kabelfrequenzgang
weitgehend aufhebt und der zusätzlich eine Verstärkung der empfangenen Signale bewirkt.
An den Entzerrerausgang schließt sich der eigentliche Regenerator für digitale Signale
an; eine bekannte Prinzipschaltung ist in der Fig. 1 dargestellt.
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In der Fig. 1 sind mit DS1 und DS2 die beiden Eingangsanschlüsse bezeichnet,
die mit entsprechenden Ausgangsanschlüssen des Entzerrers verbunden sind und über
die die digitalen Signale zum Eingangsübertrager Tr1 gelangen. Dieser übertrager
hat eine mittelangezapfte Sekundärwicklung, wobei mit den beiden äußeren Anschlüssen
dieser Sekundärwicklung Je ein Eingangsanschluß eines ersten und eines zweiten Amplitudenkomparators
KOl, K02 verbunden ist. Mit dem Mittelanschluß der Sekundärwicklung des Eingangsübertragers
und mit weiteren Eingangsanschlüssen der Amplitudenkomparatoren ist eine Vorspannungsquelle
verbunden. Durch diesen
Schaltungsaufbau werden empfangene Impulse
unterschiedlicher Polarität in zwei unipolare Impulszüge aufgeteilt, die anschließend
jeweils für sich amplituden-und zeitregeneriert werden. Von den Ausgängen der beiden
Komparatoren werden die Impulszüge deshalb voneinander getrennt den Eingängen zweier
getakteter Flipflops FF1, FF2 zugeführt und in diesen für eine volle Taktperiode
abgespeichert. Mit den Ausgängen der beiden Flipflops sind wiederum jeweils getrennt
die Eingänge zweier getakteter UND-Gatter UNDI, UND2 verbunden, die bei Zuführung
eines symmetrischen und wenigstens nahezu rechteckförmigen Taktes Ausgangsimpulse
mit einer Länge entsprechend der halben Taktperiode abgeben. Damit sind an den Ausgängen
der beiden UND-Gatter die beiden unipolaren Impulszüge für die weitere Verarbeitung
beispielsweise in einem Sendeverstärker oder einer Schnittstellenschaltung abnehmbar.
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Aus der US-PS 3 737 585, insbesondere deren Fig. 1 und zugehörige
Beschreibung ist auch eine Anordnung bekannt, bei der zwischen den Amplitudenkomparatoren
und RS-Flipflops die beiden UND-Gatter angeordnet sind.
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Der Aufbau derartiger Regeneratorschaltungen erfolgt ab einer bestimmten
Bitrate zweckmäßigerweise in ECL-Technik. Bekanntlich steigt der Strombedarf bei
Verwendung der emittergekoppelten Logik für höhere Schaltgeschwindigkeiten stark
an. Im Hinblick auf die begrenzte Fernspeiseleistung können sich deshalb in digitalen
Systemen mit hohen Ubertragungsgeschwindigkeften Schwierigkeiten hinsichtlich der
Fernspeiseversorgung der einzelnen Zwischenregeneratoren ergeben.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht also darin, einen Regenerator der
eingangs erwähnten Art zu finden, der
auch bei höheren Bitraten,
die weit über 10 Mbit/s liegen, einsetzbar ist und nur einen geringen Stromverbrauch
aufweist.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein erster Differenzverstärker
mit zwei Verstärkerstufen vorgesehen ist, bei dem der Eingang der ersten Verstärkerstufe
mit einer ersten Referenzspannungsquelle, der Eingang der zweiten Verstärkerstufe
mit einem Taktanschluß, der Ausgang der ersten Verstärkerstufe mit dem Betriebsspannungsanschluß
und der Verbindungspunkt der beiden Verstärkerstufen über einen ersten Widerstand
mit Masse verbunden ist, daß ein zweiter Differenzverstärker mit wenigstens zwei
Verstärkerstufen vorgesehen ist, bei dem der Eingang der ersten Verstärkerstufe
mit einem Eingang für die digitalen Signale, der Eingang der zweiten Verstärkerstufe
mit einer zweiten Referenzspannungsquelle, der Ausgang der ersten Verstärkerstufe
mit einem ersten Eingang eines ersten ODER-Gatters, der Ausgang der zweiten Verstärkerstufe
mit dem Betriebsspannungsanschluß und der Verbindungspunkt der beiden Verstärkerstufen
an den Ausgang der zweiten Verstärkerstufe des ersten Differenzverstärkers angeschlossen
ist, daß der zweite Eingang des ersten ODER-Gatters mit dem Taktanschluß, der erste
Eingang des ersten ODER-Gatters zusätzlich über einen weiteren Widerstand mit dem
Ausgang des ersten ODER-Gatters und damit mit dem Signalausgang verbunden ist und
daß das erste ODER-Gatter mit dem Betriebsspannungsanschluß verbunden ist. Die erfindungsgemäße
Lösung verzichtet in vorteilhafter Weise auf die Verwendung von Flipflops und bietet
dadurch neben der hohen Schaltgeschwindigkeit und dem geringen Stromverbrauch auch
die Möglichkeit der besonders einfachen Herstellung in vollintegrierter Technik.
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FUr die Regenerierung unipolarer digitaler Signale ist eine erste
Variante der Erfindung zweckmäßig, bei der die erste Verstärkerstufe einen ersten
npn-Transistor enthält, dessen Basisanschluß Uber einen Kondensator mit Masse verbunden
ist und der über einen aus zwei Widerständen gebildeten Spannungsteiler eine Basisvorspannung
enthält, daß der Basisanschluß des ersten npn-Transistors über einen weiteren Widerstand
mit dem Basisanschluß eines in der zweiten Verstärkerstufe des ersten Differenzverstärkers
enthaltenen zweiten npn-Transistors verbunden ist, dessen Basisanschluß über einen
weiteren Kondensator mit dem Taktanschluß verbunden ist und daß die Differenzverstärker
in ECL-Technik aufgebaut sind.
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Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung ergibt sich dadurch, daß
für die Regenerierung ternärer oder pseudoternärer digitaler Signale der zweite
Differenzverstarker eine dritte Verstärkerstufe enthält, an deren Ausgang ein zweites
getaktetes ODER-Gatter mit einem invertierenden und einem nichtinvertierenden Ausgang
angeschlossen ist und dessen mit der dritten Verstärkerstufe verbundener Signalausgang
über einen Widerstand mit dem nichtinvertierenden Ausgang dieses ODER-Gatters verbunden
ist und daß dem Eingang der ersten Verstärkerstufe des Differenzverstärkers die
digitalen Signalimpulse der einen Polarität und dem Eingang der dritten Verstärkerstufe
des Differenzverstärkers die digitalen Signalimpulse der anderen Polarität zugeführt
werden.
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Weitere bevorzugte Varianten des erfindungsgemäßen Regenerators sind
in den Patentansprüchen 4 und 5 beschrieben.
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Die Erfindung soll im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert
werden.
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In der Zeichnung zeigt Fig. 1 das Prinzipschaltbild eines Regenerators
nach dem Stande der Technik, Fig. 2 das Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen
Regenerators für unipolare digitale Signale und Fig. 3 ein detailliertes Schaltbild
eines Regenerators für ternäre oder pseudoternäre digitale Signale.
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Die Fig. 1 ist bei der Besprechung des Standes der Technik bereits
so weitgehend erläutert worden, daß an dieser Stelle auf weitere Ausführungen verzichtet
wird.
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Die Anordnung entsprechend Fig. 2 besteht im Prinzip aus zwei in Kaskade
geschalteten Differenzverstarkern, an die sich ein ODER-Gatter OR anschließt. Beide
Differenzverstärker sind in emittergekoppelter Technik mittels npn-Transistoren
aufgebaut. Die erste Verstärkerstufe des ersten Differenzverstärkers enthält den
ersten Transistor T1, dessen Emitteranschluß mit dem Emitteranschluß des die zweite
Verstärkerstufe bildenden zweiten Transistors T2 und über einen Widerstand Ra mit
Masse verbunden ist. Die Basisanschlüsse beider Transistoren sind über einen Koppelwiderstand
Rd miteinander verbunden, wahrend die Vorspannung für beide Transistoren und damit
die Referenzspannung Uref1 des ersten Differenzverstärkers durch einen aus den Widerständen
Rb und Rc gebildeten und mit dem Basisanschluß von T1 verbundenen Spannungsteiler
erzeugt wird. Der Basisanschluß des ersten Transistors T1 ist außerdem über einen
Ableitkondensator Ca mit Masse verbunden, damit die über den Kondensator Cb an den
Basisanschluß des zweiten Transistors gelangenden Taktimpulse in der ersten Verstärkerstufe
nicht wirksam werden. Der Basisanschluß des zweiten Transistors T2 ist über einen
weiteren Kondensator Cb mit einem Anschluß TE für ein Taktsignal verbunden.
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Während der Kollektoranschluß des ersten Transistors T1 mit dem Betriebsspannungsanschluß
Ub verbunden ist, ist an den Kollektoranschluß des zweiten Transistors T2 der gemeinsame
Verbindungspunkt des zweiten Differenzverstärkers angeschaltet. Die erste Verstärkerstufe
dieses Differenzverstärkers enthält den dritten Transistor T3, dessen Basisanschluß
mit dem Anschluß DS für die digitalen Signale und dessen Emitteranschluß über den
gemeinsamen Verbindungspunkt mit dem Emitteranschluß des die zweite Verstärkerstufe
dieses Differenzverstärkers bildenden vierten Transistors T4 verbunden ist. Der
Basisanschluß des vierten Transistors ist mit einer Quelle Uref2 für die zweite
Referenzspannung verbinden. Der Kollektoranschluß dieses Transistors T4 ist direkt
an den Betriebsspannungsanschluß Ub angeschlossen, der Kollektoranschluß des dritten
Transistors T3 ist mit dem einen Anschluß eines Koppelwiderstandes Rk und dem einen
Eingang eines ODER-Gatters OR verbunden. Der andere Eingangsanschluß dieses Gatters
ist mit dem Takteingang TE verbunden, während der Ausgangsanschluß dieses Gatters
mit dem anderen Anschluß des Koppelwiderstandes RK und mit dem Ausgang A verbunden
ist; das ODER-Gatter R ist außerdem mit dem Betriebsspannungsanschluß Ub verbunden.
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Zur Erläuterung der Wirkungsweise der Anordnung nach Fig. 2 sei zunächst
angenommen, daß am Takteingang TE und damit am zweiten Transistor T2 und am ODER-Gatter
OR eine positive Takthalbwelle anliegt. In diesem Falle sind das ODER-Gatter, der
Transistor T2 und auch der aus den Transistoren T3 und T4 gebildete Differenzverstärker
leitend.
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Liegt gleichzeitig ein positiver Eingangsimpuls am Basisanschluß des
dritten Transistors T3, so daß dessen Eingangsspannung die zweite Referenzspannung
am Basis-
anschluß des Transistors T4 überschreitet, dann fuhrt
der Transistor T3 Strom. Bis zum Ende der positiven Takthalbwelle ist der Ausgang
des ODER-Gatters OR auf dem Pegel logisch Eins. Beim Umschalten des Taktes, also
beim Auftreten der fallenden Taktflanke, wird durch den Spannungsabfall des Kollektorstroms
des Transistors T3 am Koppelwiderstand Rk der damit verbundene Eingang des ODER-Gatters
auf den logischen Nullpegel geschaltet, so daß, da gleichzeitig am Takteingang des
ODER-Gatters der Pegel logisch Null anliegt, der Ausgangspegel des ODER-Gatters
für eine halbe Taktperiode den Wert für logisch Null annimmt.
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War dagegen der Transistor T3 zum Zeitpunkt der fallenden Taktflanke
ausgeschaltet, also dessen Kollektorstrom auf einem minimalen Wert, so verbleibt
das Gatter während der negativen Takthalbwelle auf dem logischen Eins-Pegel. Durch
die negative Takthalbwelle wird gleichzeitig der aus den Transistoren T1 und T2
gebildete untere Differenzverstärker umgeschaltet, so daß nunmehr der erste Transistor
T1 Strom führt und der mit dem Transistor T2 verbundene obere Differenzverstärker
abgeschaltet wird. Ein Informationswechsel oder auch eine Störspannung am Eingang
DS bleibt also während der negativen Takthalbwelle unwirksam. Am Ausgang A der Anordnung
nach Fig. 2 wird also immer dann ein negativer Impuls mit halber Taktperiodendauer
erzeugt, wenn zum Zeitpunkt der fallenden Taktflanke die Spannung am Eingang DS
für die digitalen Signale über der zweiten Referenzspannung liegt.
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Die Wahl-der Arbeitspunkte der Transistoren erfolgt so, daß bei keinem
Betriebszustand eine Sättigung dieser Transistoren eintreten kann. Nach der fallenden
Taktflanke erfolgt aufgrund der endlichen Schaltgesedwindigkeit des Transistors
T2 ein verzögertes
Abschalten dieses Transistors und damit des
oberen Differenzverstärkers. Diese Verzögerung ist aber erwünscht, da der über den
Koppelwiderstand Rk bewirkte Rückkopplungsvorgang am ODER-Gatter ebenfalls erst
nach der Durchlaufzeit der Impulse durch das Gatter wirksam wird.
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Der in der Fig. 3 detailliert dargestellte Regenerator für pseudoternäre
und ternäre digitale Signale enthält die bereits in der Fig. 2 dargestellte Kombination
aus zwei Differenzverstärkern mit nachgeschaltetem ODER-Gatter, die jedoch durch
eine dritte Verstärkerstufe im zweiten Differenzverstärker und ein weiteres ODER-Gatter
ergänzt ist. Die ternären bzw. pseudoternären Signale werden dadurch ähnlich wie
in der Fig. 1 in zwei unipolare Impulszüge aufgeteilt, die an den Ausgängen der
beiden ODER-Gatter anstehen. In der Fig. 3 ist nun zusätzlich eine Verknüpfungsschaltung
gezeigt, die die beiden unipolaren Impulszüge zu einem neuen, regeneierten bipolaren
Impulszug kombiniert.
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Mit den Eingangsanschlüssen DS1 und DS2 für die digitalen Signale,
die an Entzerrerausgänge angeschlossen sind, ist beim Regenerator nach der Fig.
3 ein zweiter Eingangsübertrager mit einer mittelangezapften Sekundärwicklung verbunden.
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Mit der Mittelanzapfung der Sekundärwicklung ist ein Anschluß eines
Basisspannungsteilers verbunden, der seinerseits die Kombination dreier Spannungsteiler
darstellt. Der erste Spannungsteiler besteht aus dem ersten und dem zweiten Widerstand
R7, R2 und erzeugt die Basisvorspannung für den ersten Differenzverstärker mit dem
ersten und dem zweiten npn-Transistor Tl und T2.
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Der zweite Basisspannungsteiler besteht aus dem dritten Widerstand
R3 und dem ersten Basisspannungsteiler, er erzeugt die Basisvorspannung für die
mit den äußeren
Sekundärwicklungsanschlüssen des Eingangsübertragers
verbundenen Transistoren T3 und T4. Der Speisepunkt des zweiten Basisspannungsteilers
ist außerdem über einen ersten Kondensator Cl mit Masse verbunden. Der dritte Basisspannungsteiler
besteht aus dem mit dem Betriebsspannungsanschluß verbundenen sechsten Widerstand
R6, an dessen Speisepunkt der Basisanschluß des Transistors T5 und der andere Anschluß
des dritten Widerstandes R3 sowie ein dritter, gegen Bezugspotential geschalteter
Kondensator C3 angeschlossen sind.
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Durch den ersten und den dritten Basisspannungsteiler wird gleichzeitig
die erste bzw. zweite Referenzspannung erzeugt.
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Der Basisanschluß des Transistors T2 ist über einen vierten Kondensator
C4 mit einem Taktübertrager TL und außerdem mit dem einen Anschluß eines vierten
Widerstandes R4 verbunden, dessen anderer Anschluß über einen zweiten Kondensator
C2 mit Masse und außerdem mit dem Speisepunkt des ersten Basisspannungsteilers verbunden
ist.
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Die Emitteranschlüsse des ersten und des zweiten Transistors T1, T2
sind über einen fünften Widerstand R5 mit Bezugspotential verbunden, so daß sich
der erste emittergekoppelte Differenzverstärker ergibt. Während der Kollektoranschluß
des ersten Transistors T1 mit dem Betriebsspannungsanschluß Ub verbunden ist, ist
der Kollektoranschluß des zweiten Transistors T2 mit dem gemeinsamen Verbindungspunkt
des zweiten Differenzverstärkers verbunden, der durch die mit ihren Emitteranschlüssen
verbundenen Transistoren T3, T4 und T5 gebildet wird. Der Kollektoranschluß des
fünften Transistors T5 ist mit dem Betriebsspannungsanschluß +Ub verbunden, die
Kollektoranschlüsse der Transistoren T3 und T4 sind jeweils getrennt mit einem Eingang
eines
ersten bzw. zweiten ODER-Gatters ORl, OR2 verbunden, diese
ODER-Gatter sind in bekannter Weise in ECL-Technik ausgeführt. Der Signaleingang
dieser ODER-Gatter ist zusätzlich über einen siebten bzw. achten Widerstand R7,
R8 als Rückkopplungswiderstand mit einem nichtinvertierenden Ausgang des jeweiligen
Gatters verbunden. Die zweiten Eingänge der beiden ODER-Gatter stellen die Takteingänge
dar, sie sind mit dem einen Anschluß der Sekundärwicklung eines Resonanzübertragers
TL für das Taktsignal verbunden, wobei der Resonanzschwingkreis durch die Sekundärwicklung
und einen parallelgeschalteten fünften Kondensator C5 gebildet wird. Die Ausgangsstufen
der beiden ODER-Gatter OR1, OR2 sind als Emitterfolger ohne Emitterwiderstand ausgeführt,
deshalb ist der invertierende Ausgang des zweiten ODER-Gatters OR2 über einen neunten
Widerstand R9, der nichtinvertierende Ausgang dieses ODER-Gatters über einen zehnten
Widerstand RIO und der nichtinvertierende Ausgang des ersten ODER-Gatters OR1 über
einen elften Widerstand R11 mit Bezugspotential verbunden. Die beiden ODER-Gatter
sind zusätzlich noch mit dem Betriebsspannungsanschluß Ub verbunden, wobei der positive
Logflkpegel etwa 0,8 B und der negative Logikpegel 1,6 V unter der Betriebsspannung
liegt.
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In der Verknüpfungsschaltung für die beiden von den ODER-Gattern abgegebenen
unipolaren Impulszüge ist mit dem invertierenden Ausgang des zweiten ODER-Gatters
0R2 über einen zwölften Widerstand R12 der Basisanschluß eines in einem dritten
Differenzverstärker enthaltenen sechsten Transistors T6 verbunden, wobei der Kollektoranschluß
dieses Transistors mit dem Betriebsspannungsanschluß Ub und der Emitteranschluß
dieses Transistors mit dem Emitteranschluß eines siebten, ebenfalls im dritten Differenzverstärker
enthaltenen Transistors T7 und über einen sechzehnten Widerstand R16 mit
Bezugspotential
verbunden ist. Mit dem nichtinvertierenden Ausgang des ersten ODER-Gatters ist über
einen dreizehnten Widerstand R13 der Basisanschluß eines in einem vierten Differenzverstärker
enthaltenen achten Transistors T8 verbunden, dessen Kollektoranschluß mit dem Betriebsspannungsanschluß
Ub und dessen Emitteranschluß dem Emitteranschluß eines neunten, ebenfalls im vierten
Differenzverstärker enthaltenen npn-Transistors T9 und außerdem über einen siebzehnten
Widerstand R17 mit Bezugspotential verbunden ist. Die Basisanschlüsse des siebten
und des neunten Transistors sind miteinander und mit dem zweiten Anschluß der Sekundärwicklung
des Taktübertragers TL verbunden. Dieser Anschluß ist außerdem über einen vierzehnten
Widerstand R14 mit dem Basisanschluß des sechsten Transistors T6 und über einen
fünfzehnten Widerstand R15 mit dem Basisanschluß des achten Transistors T8 sowie
über einen sechsten Kondensator C6 mit Bezugspotential verbunden. Die Kollektoranschlüsse
des siebten Transistors T7 und des neunten Transistors T9 sind miteinander, mit
dem Ausgangsanschluß At für die ternären Signale und über einen achzehnten Widerstand
R18 mit dem Betriebsspannungsanschluß +Ub verbunden.
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Die Wirkungsweise des Entscheiderteils des Regenerators nach Fig.
3 entspricht der der Anordnung nach Fig. 2, es ist jedoch zu beachten, daß sowohl
bei positiven als auch bei negativen Eingangssignalen an den Anschlossen DS1, DS2
über den Transistor T3 bzw. T4 die nachgeschalteten ODER-Gatter angesteuert werden,
sofern die Signalspannung an den Basisanschlüssen des Transistors T3 bzw. T4 positiver
als die Referenzspannung am Basisanschluß des Transistors T5 ist. Die Referenzspannung
wird dabei durch den Spannungsabfall am dritten Widerstand R3 erzeugt. Dabei entstehen
am Ausgang des ersten ODER-Gatters OR1 die regenerierten negativen Eingangsimpulse
als nach Minus geschaltete Impulse,
während am invertierenden Ausgang
des zweiten ODER-Gatters OR2 die regenerierten positiven Eingangs impulse auch als
positive Impulse erscheinen. Die beiden den ODER-Gattern nachgeschalteten Differenzverstärker
stellen nun die Verknüpfungsschaltung für die beiden unipolaren Impuls züge zur
Erzeugung eines neuen ternären bzw. pseudoternären Ausgangsimpulszuges dar. Der
Ausgangsimpulszug entsteht dabei im Kollektorsummenstrom der beiden Transistoren
T7 und T8, wobei wegen der Gleichstromfreiheit der kombinierten Signale am Anschluß
At diese über einen Kondensator abgekoppelt und einem Sendeverstärker in Form einer
A-Endstufe zugeführt werden können.
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Der Bezugspegel für den dritten und den vierten Differenzverstärker
ergibt sich als Gleichspannungsmittelwert aus dem Ausgangssignal des nichtinvertierenden
Ausgangs des ersten ODER-Gatters OR1 und dem invertierenden Ausgang des zweiten
ODER-Gatters OR2 über die vier gleichgroßen Widerstände R12, R13, R14 und R15.
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Die Sekundärwicklung des Taktübertragers TL und damit die Gleichspannung
am sechsten Kondensator C6 liegen dadurch exakt in der Mitte zwischen dem logischen
Null-Pegel, also um 1,2 V negativer als die Betriesspannung.
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Damit wird außerdem sichergestellt, daß die an der Sekundärseite des
Resonanzübertragers TL auftretende sinusförmige Taktschwingung die beiden ODER-Gatter
symmmetrisch schaltet.
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Durch eine geringfügige Verstimmung der Sakundärseite des Taktübertragers
TL in Verbindung mit dem Kondensator C5 ist eine geringfügige Phasenverschiebung
des Taktsignale zu erreichen, die im Hinblick auf auftretende Laufzeiten zur optimalen
Einstellung des Abtastzeitpunktes des PCM-Signals in dessen Augenmitte erwünscht
ist.
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5 Patentansprüche, 3 Figuren