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Schaltungsanordnung zur Umformung einer stetig veränderlichen Signalspannung
in quantisierte Doppelamplituden Zusatz zum Patent 860 968
Im Patent 86o
968, welches zum Stande der Technik gehört, ist ein Verfahren zur Übertragung
von stetig veränderlichen Signalen mittels breitbandiger Impulskanäle beschrieben,
welches gänzliche Unabhängigkeit des Rauschabstandes von der Anzahl der in der übertragungsstrecke
liegenden Relaisstellen ermöglicht, und zwar mit nur einem Drittel des Aufwandes
an Frequenzbandbreite, der bei den sonst üblichen Verfahren der Impulskodemodulation
(Übertragung im Fünfer- oder Sechseralphabet) erforderlich ist. Nach dem Hauptpatent
wird zu diesem Zweck die Signalspannung senderseitig mit etwa dem doppelten Wert
der höchsten zu übertragenden Frequenz impulsmäßig abgetastet und anschließend jeder
der so erhalt-enen Momentanwerte A des Signals (z. B. Mikrophonströme bzw.
-spannungen oder Bildabtastströme bzw. -spannungen) in ein Impulspaar mit gequantelten
Amplitudenwerten x und y umgewandelt, wofür die Gleichung
A = 11/1 - x + y (H = const.) gelten
soll. Erst diese beiden Amplitudenwerte werden dann in gleichen zeitlichen Abständen
nacheinander auf den Übertragungsw#eg gegeben. Dabei ist M ein konstanter Faktor,
der die quantenhafte
Unterteilung der x- und y-Werte bestimmt. Bei
M = 8 können x und y beispielsweise nur die Werte
Null, 1, 2, 3 ... 7 annehmen, woraus sich eine Quantenskala von Null bis
63 für die Signalamplitude A ergibt.
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Auf der. Empfangsseite bzw. an den Relaisstellen wird die Signalamplitude
A nach derselben Formel aus den einander zugeordneten x- und y-Werten wieder
zurückgebildet. Dafür dürfen Rauschen, aber auch andere Störungen, wie bei.spielsweige
Übersprechen, Nebenkopplungen u. a., die x-, y-Werte erheblich fälschen,
ohne daß die genaue Regenerierung des Amplitudenpaares beeinträchtigt wäre. Dies
ist eine Folge der verhältnismäßig wenigen und gehr groben Q#antenstufen, wie im
einzelnen im Hauptpatent ausgeführt ist. Die Verringerung der Frequenzbandbreite
ini Vergleich zur Kodemodulation ergibt sich ohne weiteres daraus, daß
-bei dem neuen Verfahren jede momentane Signalamplitude nur mehr,d#urdh zwei,
an#s-tatt, wieg bisher, durch sechs Impulseübertragen wird.
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Die senderseitige Ableitung -von x und y aus der Signalamplitud-e
A sowie dieempfangsseitige Rückbildung von A aus den übertragenen
x-.und y-Werten ist mittels einfacher Anordnungen möglich. Im Hauptpatent ist bereits
eine geeignete Vorrichtung _zur Umwandlung der Signalamplittiden (z. B. Mikrophonamplituden)
im Sinne der Erfindung beschrieben, welche mit Hilfe einer Kathodenstrählröhre und
ein-er dem Faktor M entsprechend unterteilten lichtelektrischen Anordnung mit optischen
Diapliragmen arbeitet. Diese dort beschriebene Vorrichtung erfordert jedoch infolge
der in ihr enthaltenen optischen Bauelemente noch einen gewissen Aufwand, was einen
zu großen Umstand mit sich bringt.
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Gegenstand der Erfindung ist eine mit gewöhnlichen gittergesteuerten
Verstärkerröhren ausführbare, besonders einfache Umformungsschaltung, mittels deren
die Werte x und y aus einer momentanen Signalamplitude A gemäß der
Gleichung A = M - x + y direkt gebildet
werden können. Die Erfindung besteht darin, daß zunächst eine der jeweils abgetasteten
Amplitude der Signalspannung proportionale Anzahl äquidistanter Hochfrequenzimpulse
konstanter Amplitude erzeugt wird und diese einzelnen Impulsgruppen dann von der
gleichen Ausgangsstelle her zwei in Serie liegende,einander entgegengeschaltete,
gleich groß bemessene Speicherkapazitäten aufladen. Dabei soll die eine derselben
sämtliche Impulse direkt speichern, während die andere jeweils nur durch jeden M-ten-Impuls,
der jedoch zuvor über eine Regelstufe M-fach verstärkt worden ist, aufgeladen wird.
Die zwischen den beiden äußeren Klemmen der beiden in Serie liegenden Speicherkapazitäten
auftretende Spannung wird dann als y-Amplitud.»e verwendet, während die x-Amplitude
an der über die Regelstufe aufgeladenen Kapazität abgegriffen wird.
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Zur Erzeugung ein-er der Signalspannun roportionalen Anzahl äquidistanter
Hochfrequenzt# g p impulse empfiehlt es sich, eine sogenannte Torrühre bekannter
Art zu verwenden, doch sind auch andere Verfahren anwendbar. Die Wirkungsweise einer
solchen Torröhre besteht bekanntlich darin, in jedem Atigenblick eine der jeweiligen
Steuerspannung proportionale Durchlaßdauer anzunehmen. Wird demnach die nach bekannten
Verfahren impulsmäßig abgetastete Ursprungsamplitude A,
die beispielsweise
eine Mikrophonspannung sein kann-, dazu verwendet, eine solche Torröhre zu steuern,
und wird einem zweiten Gitter dieser Torröhre gleichzeitig noch eine Folge von äquidistanten
Hochfrequenzimpulsen konstanter Periode und Höhe zugeführt, so läßt sich erreichen,
daß, je nach Größe der augenblicklichen Abtastspannung A am Steuergitter,
eine größere oder kleinere Anza:hl von Hochfrequenzimpulsen durch die Torröhre fließt.
Die Aufgabe der Torröhre besteht also nur darin, jeweils eine gewisse, zu
A proportionale Menge solcher Hochfrequenzimpulse (Impulsgruppe) abzuzählen,
der-en weitere Umsetzung in Impulskodes dann in der nachfolgenden Schaltung vor
sich geht.
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An Hand des Prinzipschaltbildes der Abb. i sei die Erfindung näher
erläutert. Hier ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei welchem für die Umwandlung
der momentanen Signalamplitude in ein zugeordnetes Amplitudenpaar der Faktor M =
8
zugrunde gelegt ist. Die von der Mikrophonspannung U. gesteuerte Torstufe
T läßt, wie#soeben beschrieben, von der Reihe der hochfrequenten ImpulseH jeweils
nur eine dem abgetasteten Amplitudenwert der Signalspannung proportionale Anzahl
passieren. Mit diesen zuvor noch spannungsmäßig entsprechend verstärkten Impulsen
werden dann auf zwei verschiedenen Wegen zwei Speicherkondensatoren C:, und
C, aufgeladen. Beide Kondensatoren sind regelbar ausgeführt und müssen auf
gleiche Kapazität geregelt werden. Das Zustandekommen ein-er z-eitproportionalen
Speicherwirkung setzt ferner voraus, daß die beiden Kondensatoren ausreichende Kapazitäten
besitzen bzw. ihre Ladezeitkonstante genügend groß ist und daß die Spannung der
zugeführten Impulse groß genug gewählt ist im Verhältnis zu der höchsten Ladespannung,
welche die beiden Kondensatoren C,
und C, annehmen können. Der Kondensator
C,
wird dann von den Impulsen jeder Impulsgruppe über den Gleichrichter Gl
i auf einen der Impulszahl proportionalen Spannungswert aufgeladen. Gleichzeitig
wird durch die Multivibratorstuf en MI, M21 M, auf bekannte Weise jeder achte der
am Ausgang der Torstufe T auftretenden Impulse aus-.gezählt und nach Verstärkung
in der Regelstufe R dazu benutzt, auch dem Kondensator C2 Ladung zuzuführen.
Dies erfolgt in der Weise, daß die Speicherkapazitä,t C2 in den Anodenstromkreis
der normalerweise gesperrten Röhre R geschaltet ist und die Impulse dem St-euergitter
dieser Röhre zugeführt werden, so daß jeweils bei Eintreffeneines Impulses am Steuergitter
ein Anodenstromimpuls ausgelöst wird. Die Verstärkung in R wird so geregelt, daß
der einzelne Ladestoß am Kondensator C2 an diesem einen Spannungszuwachsd
U,
hervorruft, der achtmal (allg. M-mal) so groß ist
wie der
Zuwachs A Ul, den jeder Ladeimpuls am Kondensator Gl erzeugt. Auf
diese Weise entsteht zwischen den Klemmen i und 3 eine Differenzspannung,
die je nach Anzahl der von der Multivibratorkette abgezählten Impulse acht
verschiedene Quantenstufen annehmen kann. Sie wird gemäß der Erfindung als y-Amplitude
verwendet. Die zwischen den Klemmen 2 und 3 am Kondensator C2 entstehende
Spannung ist der x-Ampltitude proportional und kann daher zur Ableitung der x-Amplitude
dienen. Es muß nur durch eine nachfolgende Spannungsteilung dafür gesorgt werden,
daß der Einheitswert von x dem Einheitswert von y angeglichen wird.
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Eine andere Möglichkeit zur Erzeugung der x-Amplitude besteht in der
Einführung einer weiteren Speicherkapazität C., welche vor der Verstärkerstufe
R angeordnet ist und über den Gleichrichter Gl.2- aufgeladen wird. Diese Möglichkeit
ist in Abb. i durch gestrichelte Linien ausgeführt. Auch in diesem Falle muß dafür
gesorgt werden, daß das so bestimmte x-Signal mit dem zwischen i und 3 abgenommenen
y-Signal in die richtige Amplitudenbeziehung gebracht wird.
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Man überzeugt sich an einem Zahlenbeispiel leicht, daß die auftretenden
Spannungsverhältnisse bei -der erfindungsgemäßen Anordnung der Quantenforderung
der einleitend aufgeführten Gleichung entsprechen. Bei der Mikrophonamplitude
A = 8
erhält z. B. der Kondensator C, nur einen Ladeimpuls und
infolge der in der Stufe R stattfindenden achtfachen Verstärkung den Spannungszuwachs
,i U2 = 8. Bis dahin hat der Kondensator Ci acht Ladeimpulse aufgenommen
und somit die der Amplitude A entsprechende Gegenspannungd U, = 8
gebildet
Die Y7Am litude wird daher gleich Null . p und die x-Amplitude nach anschließender
Spannungsteilung im Verhä - Itnis 8: 1 gleich eins, wie es sein soll.
Ist dagegen in einem anderen Beispiel die Signalamplitude A= 13, so
wird der Spannungszuwachs am Kondensator C.,J Ul # 13 und der am Kondensator
C2 entstehende Spannungszuwachs A U2 = 8. Die y-Arnplitude
wird daher y = 4 U,
-A U2 = 5 und die x-Amplitude,
unter Voraussetzung der gleichen Spannungsteilung wie zuvor, wiederum gleich eins.
Man sieht, daß in beiden Fällen die Gleichung A = M - x
+ y' mit M 8
erfüllt ist.
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Nach erfolgter Speicherung sämtlicher Impulse eines Speiclierintervalls
(Impulsgruppe) muß die Entnahme der quantisierten x- und y-Amplituden sowie die
Entladung der Speicherkapazitäten durchgeführt werden, und zwar muß dies bei
Ab-
gabe jedes Sendesignals auf periodische Weise ge-
schehen. Dabei
hat die Entladung der Speicherkapazitäten so zu erfolgen, daß nach Abgabe jedes
Doppelsendesignals die beiden Speicherkondensatoren bis auf ihren Anfangswert entladen
werden.
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In Abb. 2 ist eine mit gewöhnlichen gittergesteuerten Elektronenröhren
periodisch arbeitende Tastschaltung dargestellt, welche die geforderten Bedingungen
erfüllt. Die Verwendung von Elektronenröhren bietet gegenüber anderen periodischen
Schalteinrichtungen den Vorteil, daß während der Speicherung jeweils eine hohe Entladezeitkonstante
der Speicherkondensatoren gewährleistet ist, so daß sich die erzielten Auf ladespannungen
während jedes Speicherintervalls selbst praktisch nicht ändern. Im unteren Teil
der Abb.:2 sind die wesentlichen Schalt#elemente der Abb. i nochmals dargestellt.
Man erkennt die beiden Speicherkapazitäten
C,
und C2, den Ladeglei,chrichter
Gli und die Regelstufe R. Parallel zu C, liegt die Gitterkathodenstrecke der Röhre
Röl mit dem Steuergitter Gl und dem Breinsgitter B, (Schirmgitter nicht gezeichnet),
und parallel zur Serienschaltung von
C,
und
C2, d. h. zwischen
den Punkten i und
3 liegt die Gitte#l<athodenstrecke der Röhre Rö, mit
dem Steuergitter
G2 und dem Bremsgitter B, (Schirmgitter nicht gezeichnet).
Die Widerstände R, und R2 sind hochohmige Gitterableitungswiderstände. Synchronisiert
mit dem Taktgeber für die Abtastung der Mikrophonspannung wird am Ende jedes Speicherintervalls
den beiden Bremsgittern B, und- B, über die Kapazitäten C, und C4 ein kurzer positiver
Spannungsinipuls li zugeführt, der die Röhren Röl und Rö2 gleichzeitig und kurzzeitig
auftastet. Dadurch entsteht in Röl, ein durch die Ladespannung von
C2 gesteuerter
Anodenstrorn, und das Signal x wird am Anodenwiderstand W in passender Spannungsteilung
abgenommen, um, wie beschrieben, den Einheitswert von x dem Einheitswert von
y anzugleichen. Zugleich liefert bei dieser Abtastung die Röhre Rö, ein durch
die Ladespannung zwischen den Punkten i und
3 bestimmtes y-Signal. Dieses
wird über die Verzögerungsleitung V zeitlich gegen x versetzt abgegriffen.
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Nachdem so die beiden Quantensignale x und y
bestimmt und auf
den Weg gebracht sind, muß die Entladung der Serienschaltung der Ladekondensatoren
C, und C2 auf den Anfangswert erfolgen. Zu diesem Zweck liegt zwischen
den Punkten i und 3
die Entladeröhre Rö, von geringem Innenwiderstand. Sie
wird durch einen gegen den Impuls J, zeitverschobenen synchronisierten Impuls
J2 genügend lange, d. h. bis zur neuen Aufladung von Ci und
C2 aufgetastet. Damit die Entladungszeitkonstante der Speicherschaltung entsprechend
klein ist, muß die Röhre Rö, einen genügend kleinen Innenwiderstand besitzen.
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Zugleich mit der Entladung der Speicherkapazitäten werden die Multivibratoren
Ml, M2 und M, zurückgestellt. Die dazu benötigten Teile der Schaltung sind nicht
mit in die Abbildung aufgenommen. Die Multivibratorstufen Ml, M2 und M, können auch
durch Anordnung mit geringerem Aufwand ersetzt werden, wie z. B. durch eine Sperrschwingstufe,
die infolge passend gewählter Gitterzeitkonstante nur auf jeden achten Impuls anspricht.