-
System zur übertragung und/oder Speicherung
-
von Analogwerten Die Erfindung betrifft ein System zur übertragung
und/ oder Speicherung von Analogwerten mindestens bestehend aus einem Eingangsteil,
einer übertragungsstrecke oder einem Speichermedium für Analogsignale (beispielsweise
einem Ton- oder Videobandgerät) und einem Ausgangsteil, wobei im Eingangsteil ein
Analog-Digital-Wandler vorhanden ist, der jeden Analogwert in ein n-stelliges digitales
Datenwort wandelt und wobei im Ausgangsteil ein Digital-Analog-Wandler vorhanden
ist, der die n-stelligen digitalen Datenwörter in Analogwerte rückwandelt.
-
Die meß- oder nachrichtentechnische Verarbeitung von Analogwerten
kann sowohl in Analogtechnik, wie auch in Digitaltechnik erfolgen. (Ein stetiges
Analogsignal ist eine kontinuierliche Folge einzelner Analogwerte und fällt deshalb
auch unter diesen Begriff). Bei geringen Qualitätsanforderungen ist die Verarbeitung
von Analogwerten, insbesondere deren übertragung oder Speicherung, verhä ltnismäßi
g problemlos. Auch bei hohen Qualitätsanforderungen, etwa für Hìgh-Fidelity-Qualität
im Tonbereich,
wird weitgehend Analogtechnik eingesetzt. Dabei muß
jedoch ein recht hoher Aufwand betrieben werden (eng tolerierte, gealterte Bauteile,
Schaltungsmaßnahmen zum Ausgleich etwa von Temperaturschwankungen, exakte Justierung).
Die Grenzen der Analogtechnik werden dort erreicht, wo eine Vielzahl von Verarbeitungsschritten
aufeinander folgt ( übertragung, Mischung, Speicherung, Kopieren). Dies wird z.B.
deutlich bei der sogenannten digitalen Schallplatte, die als solche gar nicht digital
ist, deren hohe Wiedergabequalität aber dadurch erreicht wird, daß die Zwischenschritte
bei der Verarbeitung in Digitaltechnik erfoLgen. Bei der analogen Verarbeitung ergeben
sich grundsätzlich Fehler, etwa durch Rauschen, die grundsätzlich nicht korrigiert
werden können und die sich immer weiter aufsummieren. Bei der Verarbeitung von Analogwerten
in Digitaltechnik ergeben sich Fehler im analogen Eingangsteil und durch die Quantisierung
sowie im analogen Ausgangsteil, im Digitalteil, und mag er noch so viele Zwischenstufen
aufweisen, ergeben sich Fehler nur in sehr geringem Ausmaß und selbst diese können
wieder weitgehend korrigiert werden.
-
Die Digitaltechnik hat jedoch gegenüber der Analogtechnik den Nachteil,
daß bei der übertragung große Bandbreiten und bei der Speicherung große Speicherkapazitäten
erforderlich sind.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System anzugeben, mit
dem die übertragung oder Speicherung von Analogwerten so fehlerfrei und mit geringem
schaltungstechnischem Aufwand möglich ist wie bei der Di-gitaltechnik, bei dem aber
der Bedarf an übertragungsbandbreite bzw. Speicherkapazität gegenüber dem bei der
Digitaltechnik deutlich reduziert ist.
-
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die kennzeichnenden
Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestalzungen der Erfindung sind den Unteransprüchen
zu entnehmen.
-
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter
Zuhilfenahme der beiliegenden Zeichnung weiter erläutert.
-
Fig. 1 zeigt als Ausführungsbeispiel das Blockschaltbild eines Eingangsteils
10 und eines Ausgangsteils 20 eines erfindungsgemäßen Systems zur übertragung und/oder
Speicherung von Analogwerten.
-
Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, welches eine Erweiterung
des Ausführungsbeispiels von Fig. 1 darstellt.
-
Fig. 3 zeigt ein Beispiel eines Kontrollsignals am Eingang. (Fig.
3a) bzw. Ausgang (Fig. 3b) einer übertragungsstrecke oder eines Speichermediums
in einem erfindungsgemäßen System.
-
Fig. 4 zeigt ein weiteres Beispiel eines Kontrollsignals.
-
Fig. 5 zeigt in vereinfachter Form ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Systems mit einem Engangsteil 10, mehreren Zwischenstufen 30 und einem Ausgangsteil
20. Die zwischengeschalteten übertragungsstrecken oder Speichermedien, welche von
der Erfindung als vorgegeben angenommen werden, sind nur durch die verbindenden
Pfeile angedeutet.
-
Fig. 6 zeigt als Ausführungsbeispiel das BLockschaltbild einer erfindungsgemäßen
Zwischenstufe 30 für ein System entsprechend Fig. 5.
-
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel, in dem die Grundidee der Erfindung
klar ersichtlich wird Das gesamte System umfaßt außer einem Eingangsteil 10 und
einem Ausgangsteil 20 noch eine übertragungsstrecke oder ein Speichermedium.
-
In diesem, wie auch in den folgenden Ausführungsbeispielen wird eine
übertragungsstrecke oder ein Speichermedium unberücksichtigt gelassen. Die hieran
zu stellenden Forderungen ergeben sich ohne weiteres aus der Beschreibung von Eingangs-
und Ausgangsteil.
-
Der Eingangsteil 10 besteht aus einem Analog-Digital-Wandler 11, einem
Multiplexer 12, einem Digital-Analog-Wandler 13 und einem Steuerteil 15. Der Wandler
11 wandelt jeden Analogwert in ein (im Beispiel 11-stelliges) Datenwort. Dieses
Datenwort wird in eine meistsignifikante 3-stellige Bitgruppe und zwei weitere 4-stellige
Bitgruppen zerlegt. Die 3-stellige Bitgruppe wird durch Anfügen einer Null an der
letzten, geringstsignifikanten StelLe zu einer ebenfalls 4-stelligen Bitgruppe erweitert.
Diese drei Bitgruppen werden vom Multiplexer 12 der Reihe nach durchgeschaltet und
liegen dann am Eingang des Digital-Analog-Wandlers 13 an. Am Ausgang des Wandlers
13, der auch der Ausgang des Eingangsteils 10 ist, ergibt sich damit ein pulsamplitudenmoduliertes
Signal. Die meistsignifikante Bitgruppe ergibt einen Impuls, welcher eine von acht
verschiedenen Amplitudenstufen aufweisen kann.
-
Die weiteren Bitgruppen ergeben je einen Impuls, welcher eine von
16 Amplitudenstufen aufweisen kann. Der Steuerteil
15 steuert den
zeitlichen Ablauf im Eingangsteil 10. Aufbau und Wirkungsweise des Steuerteils 15
sind weitgehend abhängig von den zu verarbeitenden Analogwerten. Soll ein kontinuierliches
Analogsignal verarbeitet werden, welches nicht mit einem festen Takt synchronisiert
ist, so wird der Steuerteil beispielsweise aus einem Taktgenerator für den Multiplexer
12 und den Wandler 13 bestehen und weiter einen Frequenzteiler enthalten, welcher
durch Dreiteilung dieser Taktfrequenz den Takt für den Wandler 11 bestimmt.
-
Sind die Analogwerte mit einem äußeren Takt verkoppelt, so dient der
Steuerteil 15 der Synchronisation mit diesem Takt Der Ausgangsteil 20 besteht aus
einem Analog-Digital-Wandler 21, einem Demultiplexer 22, einz Zwischenspeicher 23,
einem Digital-Analog-Wandler 24 und einem Steuerteil 25. Im Analog-Digital-Wandler
21 wird das ankommende, pulsamplitudenmodulierte Signal wieder in die 4-stelligen
Bitgruppen zurückgewandelt. Die Verstärkung eines vorangehenden Verstärkers und
die Referenzspannung des Wandlers 21 müssen entsprechend eingestellt werden. Da
nur 16 Amplitudenstufen auftreten, bei der meistsignifikanten Bitgruppe sogar nur
8 noch gröbere, ist die korrekte Rückgewinnung der einzelnen Bitgruppen auch bei
geringen Störungen auf der übertragung bzw. bei der Speicherung noch möglich. Durch
den Demultiplexer 22 mit nachfolgendem Zwischenspeicher 23 werden wieder die ursprünglichen
11-stetligen Datenwörter gebildet. Der Digital-Analog-Wandler 24 stellt die ursprünglichen
Analogwerte wieder her, wobei im wesentlichen nur der Quantisierungsfehler auftritt.
Der Steuerteil 25 muß zunächst die Synchronisation zwischen Eingangsteil 10 und
Ausgangsteil 20 herstellen. Möglichkeiten zur Taktrückgewinnung aus puls-
förmigen
Signalen sind genügend bekßrnt. Auch kann der Takt auf andere Weise, etwa durch
eiiie getrennte Takt leitung, durch Synchronismus mit der Netzfrequenz oder mit
der Zeilen- oder Bildfrequenz einer Fernsehübertragungsstrecke, vorgegeben sein.
Für die Erzeugung und Wiedergewinnung des Takts im Eingangsteil 10 und Ausgangsteil
20 sind genügend Möglichkeiten bekannt.
-
Anhand von Fig. 2 sollen weitere Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer
Eingangsteile 10 und Ausgangsteile 20 näher erläutert werden: Der Analog-Digital-Wandler
21 im Ausgangsteil 20 kann so aufgebaut sein, daß er doppelt oder wie in Fig. 2
gezeigt viermal so viel Amplitudenstufen auflösen kann, wie vom Digital-Analog-Wandler
13 im Eingangsteil 10 erzeugbar sind. Es entstehen 6-stel lige Bitgruppen entsprechend
64 aufgelösten Amplitudenstufen, die in einer Auswerteeinheit 26 in die ursprünglichen,
4-stelligen Bitgruppen zurückgewandelt werden. Bei einem fest aufgebauten System
mit unveränderlichen Eigenschaften können in der Auswerteeinheit 26 Tabellen abgespeichert
sein, mit deren Hilfe jede Bitgruppe aus den vorangegangenen Bitgruppen und dem
Augenblickswert am Ausgang des Wandlers 21 berechnet werden kann.
-
Eine begrenzte Bandbreite hat Laufzeitverzögerungen zur Folge und
diese wiederum führen dazu, daß an jeder Stelle der Augenblickswert zu einem bestimmten
Zeitpunkt auch von den Augenblickswerten vorangegangener Zeitpunkte abhängt.
-
Betrachtet man die vom Takt gegebenen Zeitpunkte m, m-1, m-2 und m-3,
bezeichnet man die Istwerte, wie sie sich am Eingang der Auswerteeinheit 26 ergeben
mit b(m) und die
Sollwerte, wie sie sich am Ausgang der Auswerteeinheit
26 ergeben sollen mit a(m), so gilt folgende Beziehung: b(m) = x.a(m-1)+y.a(m-2)+z.a(m-3)+...
(Gl.1) dabei sind die Koeffizienten x, y und z charakteristisch für die, hier angenommenermaßen
als konstant angesehenen Systemeigenschaften. Da die Koeffizienten für den Einfluß
weiter zurück liegender Werte immer kleiner werden, wird hier nach drei Summanden
abgebrochen. Diese Beziehung läßt sich umformen in a(m-1)=x.b(m)-X-a(m-2)-x-a(m-3).
(Gl.2) x xx Die 64 möglichen Werte von b(m)/x, die 16 möglichen Werte für -y.a(m-2)/x
und die 16 möglichen Werte für z.a(m-3)/x können aus Tabellen abrufbar gemacht werden,
wodurch die Bestimmung neuer Werte a(m-1) auf die Adressierung von Tabellen, eine
Addition und eine anschließende Rundung zurückgeführt ist. Auf diese Weise erfüllt
die Auswerteeinheit die Funktion eines Transversalfi lters.
-
Bei einem nichtlinearen System können aber auch in entsprechender
Weise zur Beseitigung von Linearitätsverzerrungen Tabellen in der Auswerteeinheit
enthalten sein, mit deren Hilfe die Auswerteeinheit die Funktion eines Entzerrers
erfüllt.
-
Wird das System erst bei Bedarf durch Anschluß eines Eingangsteils
10 und eines Ausgangsteils 20 an eine übertragungsstrecke oder- an ein Speichermedium
gebildet oder
sind zeitliche Änderungen der Systemeigenschaften
zu erwarten, etwa bei Ubertragungsstrecken mit schwankender Bandbreite, so ist es
sinnvoll, Kontrollsignale einzusetzen, mit deren Hilfe die Auswerteeinheit 26 die
Systemeigenschaften in regelmäßigen Abständen selbst bestimmen kann.
-
Hierzu wird der einfache Steuerteil 15 im Eingangsteil 10 durch einen
Kontrollsignalgenerator 14 ersetzt. Dieser Kontrollsignalgenerator hat mehrere Aufgaben
zu erfüllen. Das vom Eingangsteil 10 abgegebene Datensignal muß in Datenblöcke gegliedert
werden, damit Pausen entstehen, in die ein Kontrollsignal eingefügt werden kann.
In diese Pausen muß ein Kontrollsignal eingefügt werden, aus dem die Auswerteeinheit
26 im Ausgangsteil 20 durch Vergleich mit dem bekannten Sollverlauf eine Zuordnungsvorschrift
für die Bitgruppen des höher aufgelösten Datenstroms zu den Bitgruppen der ursprünglichen
Auflösung gewinnen kann. Wenn nicht im Eingangsteil 10 noch ein, vorwiegend digital
aufgebauter Zwischenspeicher eingebaut ist, müssen die zu verarbeitenden Analogwerte
bereits Pausen enthalten. Dies muß entweder vom Kontrollsignalgenerator 14 veranlaßt
werden oder, wenn dies von außen gesteuert ist, muß der Kontrollsignalgenerator
14 mit der äußeren Steuerung synchronisiert werden. Das Kontrollsignal selbst kann
beispielsweise über weitere Eingänge des Multiplexers 12 zugeschaltet werden. Der
Kontrollsignalgenerator 14 übernimmt die gesamte Steuerung im Eingangsteil 10.
-
Das Kontrollsignal kann aus verschiedenen Abschnitten bestehen: Eine
regelmäßige Impulsfolge kann zur Synchronisierung zwischen Eingangsteil 10 und-Ausgangsteil
20 verwendet werden.
-
Ein Sprungsignal (d.h. ein Signal, das zunächst mindestens bis zum
Abklingen von Einschwingvorgängen auf der niedrigsten Amplitudenstufe liegt, dann
auf die höchste Amplitudenstufe springt und dort wieder mindestens bis zum Abklingen
von Einschwingvorgängen verweilt) kann zur ausgangsseitigen Bestimmung der Systemverstarkung
und eines etwaigen Gleichspannungsanteils verwendet werden. Damit kann im Ausgangsteil
20 über die Auswerteeinheit 26 und den Steuerteil 25 ein einstellbarer Vorverstärker
27 eingestellt werden.
-
Mit einem kurzen Einzelimpuls zwischen zwei ausreichend langen Pausen
können die Filterkoeffizienten eines ausgangsseitigen Transversalfilters bestimmt
werden.
-
Mit einer Rampenfunktion können Nichtlinearitäten erfaßt und die für
eine Entzerrung erforderlichen Koeffizienten bestimmt werden.
-
Fig. 3' zeigt ein Beispiel eines Kontrollsignals. Dabei ist in Figur
3a das Kontrollsignal dargestellt, wie es vom Eingangsteil 10 abgegeben wird und
in Figur 3b die infolge einer Bandbegrenzung auftretende verzerrte Form, wie sie
am Ausgangsteil 20 eintrifft. Die regelmäßige Impulsfolge (Burst) 41 dient in an
sich bekannter Weise zur Synchronisation des Ausgangsteils 20. Das Sprungsignal
42 mit jeweils längerer Verweildauer bei high und low (um Einschwingvorgänge abklingen
zu lassen) mit den Meßpunkten 51 und 52 dient der ausgangsseitigen Ermittlung der
Maximalamplitude.
-
Die Fi lterkoeffizienten des Transversalfilters (x, y, z nach Gl.1)
können mittels des Einzelimpulses 43 wie folgt ermittelt werden:
Bei
begrenzter Bandbreite ist der Sprung vom Meßpunkt 53 zu Meßpunkt 54 nicht gleich
der Maximalamplitude, sondern gleich x, weil infolge der vorangegangenen NulLwerte
in der Beziehung b(m)=x.a(m-1)+y.a(m-2)+z-a(m-3) (kl.3) die Werte a(m-2) und a(m-3)
gleich NulL sind und in diesem Sonderfall also b(m)=x a(m-1) (Gl.4) ist, wobei eingangsseitig
natürlich Maxi malampli tude gesendet wird, also a(m-1)=1 ist und somit b(m)=x ist.
Die ausgangsseitige Amplitude beim Meßpunkt 54 ist also unmittelbar gleich x. Einen
Abtastwert später wird eingangsseitig wieder Null gesendet, so daß jetzt wegen a(m-1)=0
und a(m-3)=0 b(m)=x.a(m-1)+y.a(m-2)+z.a(m-3)=x.0+y.1+z.0=y (Gl.5) ist. Noch einen
Abtastwert später ist b(m)=z. Man kann also bei diesem Kontrollsignal ausgangsseitig
direkt die Filterkoeffizienten x, y, z gewinnen, die man zur Auswertung, d.h.
-
zur Berechnung des echten, unverzerrten Wertes a(m-1) aus dem letzten
empfangenen Wert b(m) und den vorausgehenden, bereits auf die echten Werte a(m-2)
und a(m-3) umgerechneten Werte unter Zuhilfenahme der Beziehung a(m-1)=x b(m)-(Y
a(m-2)+zx a(m-3)) (Gl.2a) x xx verwendet. Um in dieser Formel für den ersten übertragenen
Datenwert
(bei dem ja keine vorausgegangenen Werte a(m-2) und a(m-3) existieren) Nullbeträge
für a(m-2) und a(m-3) zu erhalten, di-ent ein Leersignal 44 vor dem Datensignal.
-
In Fig. 3b ist das Kontrollsignal entsprechend Fig. 3a am Ausgang
eines bandbegrenzten Speichermediums bzw. einer bandbegrenzten übertragungsstrecke
dargestellt. Man erkennt -die Verzerrung und die dadurch ermittelbaren Werte x,
y, z.
-
Dabei ist z hier ein sehr geringer negativer Wert (negativ infolge
überschwingen).
-
Fig. 4 zeigt ein anderes Kontrollsignal für einen anderen Anwendungsfall,
bei dem keine linearen Verzerrungen durch Bandbegrenzungen auftreten, bei dem aber
nichtlineare Verzerrungen zu erwarten sind. Hier wird anstelle des E;nzelimpulses
43 eine Rampenspannung (Treppenspannung 45) gesendet. Ausgangsseitig wird die verzerrt
eingehende Rampenspannung mit den Sollwerten verglichen. Aus den Abweichungen wird
eine amplitudenabhängige Korrekturinformation gebildet und gespeichert. Diese amplitudenabhängige
Korrekturinformation wird bei der anschließenden Auswertung von Bitgruppen amplitudenabhängig
addiert bzw. subtrahiert, so daß somit ein selbstadaptierendes Entzerrungssystem
entsteht.
-
Bei einem Anwendungsfall, bei dem lineare und nichtlineare Verzerrungen
auftreten, kann man schließlich sowohl eine Rampenspannung 45 als auch einen Einzelimpuls
43 zur Ermittlung der Transversalfilterparameter verwenden.
-
Die Auswerteeinheit 26 hat im wesentlichen zwei Aufgaben.
-
Zum einen müssen die Systemeigenschaften regelmäßig mit
Hilfe
des Kontrollsignals kontrolliert und daraus Tabellen für die Auswertung erstellt
werden und zum andern muß der laufende Datenstrom ständig bearbeitet werden. Es
ist vorteilhaft, die Auswerteeinheit 26 entsprechend diesen beiden Aufgaben in zwei
Teileinheiten aufzuteilen. Eine dieser Teileinheiten wertet dann regelmäßig die
Kontrollsignale aus und erstellt Tabellen, mit denen die andere Teileinheit unter
Zuhilfenahme dieser Tabellen die Zuordnung zwischen den Bitgruppen des höher aufgelösten
Datenstroms und den Bitgruppen mit der ursprünglichen Auflösung durchführt. Dazu
müssen die Tabellen doppelt vorhanden sein; ihre Zuordnung zu den beiden Teileinheiten
muß umkehrbar sein.
-
Die Vorteile eines erfindungsgemäßen Systems kommen besnders dann
zur Geltung, wenn zwischen Eingangsteil 10 und Ausgangsteil 20 nicht nur eine übertragungsstrecke
oder ein Speichermedium vorhanden ist, sondern mehrere und wenn dazwischen jeweils
das Signal regeneriert werden soll. Ein solches System mit einem Eingangsteil 10,
einem Ausgangsteil 20 und mehreren Zwischenstufen 30 ist in Fig. 5 gezeigt. Die
übertragungswege und/oder Speichermedien sind dabei vereinfacht durch die verbindenden
Pfeile dargestellt. Dabei genügt es, in den Zwischenstufen 30 nur die Amplitudenstufen
festzustellen und zu regenerieren, d.h., nur das pulsamplitudenmodulierte analoge
Datensignal zu regenerieren.
-
Fig. 6 zeigt, wie eine solche Zwischenstufe 30 im einfachsten Fall
aufgebaut sein kann. Auf einen Analog-Digital-Wandler 31 folgt unmittelbar ein Digital-Analog-Wandler
32. Ein Steuerteil 33 synchronisiert auf bekannte Weise die Zwischenstufe 30 mit
dem Eingangsteil 10 bzw. einer vorangegangenen
Zwischenstufe. Bei
Bedarf kann die Zwischenstufe 30 auch durch eine Auswerteeinheit, einen Kontrollsignalgenerator
und einen einstellbaren Vorverstärker erweitert werden.
-
Bezugszeichenliste 10 Eingangsteil 11 Analog-Digital-Wandler 12 Multiplexer
13 Digital-Analog-Wandler 14 Kontrollsignalgenerator 15 Steuerteil 20 Ausgangsteil
21 Analog-Digital-Wandler 22 Demultiplexer 23 Zwischenspeicher 24 Digital-Analog-Wandler
25 Steuerteil 26 Auswerteeinheit 27 Vorverstärker 30 Zwischenstufe 31 Analog-Digital-Wandler
32 Digital-Analog-Wandler 33 Steuerteil 41 regelmäßige Impulsfolge 42 Sprungsignal
43 Einzelimpuls 44 Leersignal 45 Rampenspannung 51 Meßpunkt 52 53 " 54