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Anordnung zur Steuerung und Synchronisierung der Verteilereinrichtung
eines Mehrkanal-Nachrichtenübertragungssystems mit Zeitselektion Die Erfindung bezieht
sich auf eine Anordnung zur Steuerung und Synchronisierung der Abtast- und Verteilereinrichtungen
für die Kanäle von Impulsmodulationssystemen, bei denen die Kanäle in zeitlicher
Staffelung auf das Übertragungsmittel geschaltet werden (Zeitmultiplex-Systeme).
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Bei derartigen Systemen werden die Nachrichtenwellen der einzelnen
Kanäle mit einer Frequenz, die wenigstens das Doppelte der höchsten zu übertragenden
Frequenz beträgt, abgetastet. Die Tastwerte bilden eine Reihe amplitudenmodulierter
Impulse. Sie werden im einfachsten Falle direkt, meist jedoch nach einer Umformung
in z. B: längen- oder phasenmodulierte Impulse übertragen. Dabei wird in zyklischer
Reihenfolge jeweils nur ein Kanal auf das Übertragungsmittel geschaltet, so daß
eine Impulsreihe übertragen wird, die durch die zeitliche Verschachtelung der von
den einzelnen Kanälen herrührenden Impulse gebildet wird. Die Impulsfolgefrequenz
dieser Reihe ergibt sich als Produkt aus der Abtastfrequenz und der Zahl der zu
übertragenden Kanäle. Der Kehrwert dieses Produktes gibt die Zeitdauer an, während
der ein Kanal jeweils am Übertragungsmittel liegt. Diese Zeitdauer sei Kanalperiode
genannt.
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Als Verteilerelement dient in bekannter Weise zumeist eine Laufzeitkette,
an der an geeigneten Anzapfpunkten die Kanäle liegen. Von einem Steuergenerator
her,
der mit der Abtastfrequenz schwingt, wird dabei ein Impuls auf die Kette gegeben,
der die Kanäle in aufeinanderfolgenden Zeitpunkten zyklisch freigibt. Empfangsseitig
ist dieselbe Laufzeitkette angeordnet. Sie hat hier die Aufgabe, aus der empfangenen
Impulsreihe die einzelnen Impulse auf die zugehörigen Kanäle zu verteilen, d. h.
die Kanäle im richtigen Zeitpunkt zu entsperren. Es ist klar, daß die sendeseitige
Abtasteinrichtung und die empfangsseitige Verteilereinrichtung streng synchron laufen
müssen. Man erreicht dies z. B. dadurch, daß vom Sender her Synchronisier- oder
Markierimpulse übertragen werden, die empfangsseitig aus der Impulsreihe abgetrennt,
verstärkt und auf die Laufzeitkette gegeben werden.
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Bei derartigen Laufzeitketten macht sich deren Temperatur- und Feuchtigkeitsempfindlichkeit
störend bemerkbar. Ein weiterer Nachteil dieser Anordnungen liegt darin, daß durch
das Rauschen der Synchronisierimpulse Störungen hervorgerufen werden können.
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Es ist daher bereits vorgeschlagen worden, die Laufzeitketten durch
Abzählschaltungen zu ersetzen. In diesem Falle muß der Steuergenerator nicht wie
bisher mit der Abtastfrequenz, sondern mit der Impulsfolgefrequenz schwingen. Auch
hierbei müssen die Abzählschaltungen der Empfangsseite synchron mit denen der Sendeseite
arbeiten.
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Der vorliegende Vorschlag befaßt sich nun mit der Steuerung und Synchronisierung
der Verteilereinrichtungen bei Systemen der letztgenannten Art und hat neben einer
wirksamen Synchronisierung zum Ziel, den Störanteil, der durch das Rauschen des
Markierimpulses entsteht, zu verringern.
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Dies wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß sende- und empfangsseitig
Steuergeneratoren vorgesehen sind, die mit einem ganzzahligen Vielfachen der Impulsfolgefrequenz
schwingen und deren Frequenz in einer ersten Abzählschaltung durch dieses Vielfache
geteilt wird, und daß der im übrigen frei schwingende, empfangsseitige Steuergenerator
mitHilfe von übertragenen Markierimpulsen synchronisiert wird.
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Die Erläuterung der Erfindung, soll auf Grund eines Anwendungsbeispieles
und an Hand der Zeichnungen erfolgen.
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Fig. i zeigt das Blockschaltbild eines PPM-Systems mit 23 Kanälen,
das die Merkmale der Erfindung trägt; Fig.2 gibt das Prinzipschaltbild des empfangsseitigen
Steuergenerators (Teil 8 von Fig. i) wieder und dient zusammen mit den Fig. 3 a
bis 3 c (Diagramme) der Erläuterung der in der Beschreibung durchgeführten Berechnung;
Fig. 4 zeigt ein Diagramm, das ebenfalls die Rechnung verdeutlichen soll.
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Das Impulsphasenmodulationssystem der Fig. i ist nur insoweit dargestellt,
als es das Verständnis des Erfindungsgedankens erfordert. Alle übrigen Teile sind
weggelassen. Die linke Hälfte der Figur zeigt im wesentlichen die Anordnung zur
zeitlichen Verschachtelung der Kanäle, die rechte Hälfte die entsprechende Anordnung
zur Verteilung. Das System arbeitet mit Abzählschaltungen Z1, Z2, Z3 bzw. empfangsseitig
Z,', Z2 , Z3. Die Abtastfrequenz betrage 8ooo Hz. Es sind 23 Übertragungskanäle
vorgesehen; unter Einbeziehung eines Markierimpulses ergibt sich dann die Kanalzahl
24. Die Impulsfolgefrequenz beträgt demnach 192 ooo sec-'. Es würde nun dem Stand
der Technik, wie er sich aus hiermit vergleichbaren Anordnungen ergibt, entsprechen,
von einem zentralen Steuergenerator mit einer Eigenfrequenz von 192 kHz auszugehen.
Demgegenüber verwendet die Erfindung einen Steuergenerator i, dessen Eigenfrequenz
ein ganzzahliges Vielfaches der Impulsfolgefrequenz beträgt. Im Beispiel ist die
dritte Harmonische gewählt, der Generator i schwingt also mit 576 kHz. Die Welle
von 576 kHz wird nun über eine Impulsformerschaltung 2 auf die erste Abzählschaltung
Z1 gegeben. In dieser erfolgt in an sich bekannter Weise eine Teilung der zugeführten
Frequenz, indem den drei Taktleitungen a1, a2, a3 in zyklischer Folge nur jeder
dritte Impuls der vom Impulsformer 2 kommenden Reihe zugeführt wird. An den drei
Taktleitungen liegen also gegeneinander versetzte Impulsreihen mit der Folgefrequenz
192 ooo sec-', was der Impulsfolgefrequenz des Systems entspricht. Die Taktleitungen
a1, a2, a3 führen zu den zentralen Teilen des Systems. Aufbau und Funktion dieser
Teile gehört nicht in den Rahmen der vorliegenden Erfindung, so daß hierauf nicht
näher eingegangen zu werden braucht. Von der Abzählschaltung Z1 wird die herabgesetzte
Folgefrequenz von 192 ooo sec-' auf die Abzählschaltung Z2 gegeben, die im Prinzip
wie Z1 arbeitet. Sie teilt jedoch durch 6, so daß die Taktleitungen b1 bis b6 Impulsreihen
der Folgefrequenz 32 ooo sec-' führen. Die Dauer dieser Impulse beträgt 5,2,usec.
Nun wird die Folgefrequenz von 32 ooo-' auf die Abzählschaltung Z3 gegeben, die
durch 4 teilt, so daß an ihren Taktleitungen Cl bis C4 Impulsreihen der Folgefrequenz
8ooo sec-' auftreten. Die Dauer der Impulse beträgt dabei etwa 3i,2,usec.
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Die Taktleitungen b und c führen zu den individuellen Schaltteilen
der einzelnen Kanäle und betätigen diese nacheinander in zyklischer Reihenfolge.
Es sind normalerweise alle Kanäle gesperrt. Jedem Kanal ist je eine Taktleitung
aus den Gruppen b und c zugeordnet, z. B.
| dem Kanal i b1 und cl, dem Kanal 2 b2 und cl, |
| dem Kanal 3 b3 und cl, dem Kanal 4 b4 und cl, |
| dem Kanal 5 b5 und cl, dem Kanal 6 b6 und cl, |
| dem Kanal 7 b1 und c2 usw. |
Es entstehen so entsprechend der Kanalzahl 24 Zuordnungsmöglichkeiten. Die Kanäle
werden nun immer dann geöffnet, wenn von den ihnen zugeordneten Taktleitungen kommende
Impulse koinzidieren.
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Im hier besprochenen Beispiel dient der Kanal i (Taktleitungen b1
und cl) der Übertragung des Markierimpulses. Dieser wird im Markierimpulsgenerator
3 ausgelöst, wenn Impulse der Taktleitungen a1, b1 und cl koinzidieren. Der Markierimpuls
wird dem Mischverstärker 5 zugeführt. Auf den Mischverstärker werden weiterhin die
parallel geschalteten Ausgänge 4 der einzelnen Kanäle gegeben.
Vom
Mischverstärker 5 gelangt die kombinierte Impulsreihe auf das Übertragungsmittel
6. Es kann sich beispielsweise um eine Dezimeterwellenverbindung handeln.
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Empfangsseitig wird die kombinierte Impulsreihe den parallel geschalteten
Kanaleingängen io zugeführt. Der Markierimpulsempfänger 7 trennt den Markierimpuls
aus dem Impulszug heraus und führt ihn dem Gitter einer Röhre (i2 von Fig. 2) zu
(diese Röhre 12 kann dem Markierimpulsempfänger 7 oder dem gesteuerten Generator
8 zugeordnet sein), die sie in Stromimpulse umwandelt. Die Stromimpulse laden den
Kondensator C des Schwingkreises L, C (Fig. 2) des Steuergenerators auf, d. h.,
sie stoßen den Schwingkreis zusätzlich zu seiner Eigenschwingung in Phase mit dem
sendeseitigen Steuergenerator an. Die Röhre 12 erfüllt gleichzeitig die Forderung,
den Schwingkreis L, C vom Ausgang des Markierimpulsempfängers zu trennen. Vom Steuergenerator
8 aus erfolgt dann die Verteilung der Kanäle über einen Impulsformer 9 und die Abzählschaltungen
Zl', Z2 und Z3' in einer der Sendeanordnung entsprechenden Weise.
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Die Rückstellung der empfangsseitigen Abzählschaltungen erfolgt jeweils
durch die Markierimpulse über die Leitung ii, um den Einfluß von Störungen in den
Abzähleinrichtungen zu beseitigen. Die Synchronisierung des empfangsseitigen, frei
schwingenden Generators erfolgt nun so, daß der Schwingkreis bzw. der schwingende
Quarz im richtigen Zeitpunkt durch den Markierungsimpuls zusätzlich so angestoßen
wird, daß sein Weiterschwingen in der Phase beeinflußt wird. Die rasche Folge der
Phasenbeeinflussung durch die empfangenen Markierimpulse stellt im Effekt eine Frequenzregulierungdar.
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Die Arbeitsweise dieser Synchronisierung soll nun an Hand der Fig.
2 bis q. erläutert werden. Fig. 2 zeigt schematisch den empfangsseitigen Steuergenerator
8 (Fig. _) mit der schon erwähnten Vorröhre 12. Zwischen Anode und Gitter der Röhre
13 liegt der Schwingkreis L, C. An Stelle des Schwingkreises kann auch ein in Parallelresonanz
schwingender Quarz treten. Duale Verhältnisse ergeben sich durch einen in Reihenresonanz
schwingenden Quarz.
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In der folgenden Rechnung ist mit U" die Schwingung bezeichnet, die
ohne Markierimpulse auftreten würde.
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42C" ist die Schwingung, die auftreten würde, wenn die Anfangsbedingungen
nur durch den Markierimpuls gegeben wären. Fig. 3 a, 3 b und 3 c deuten die Schwingungen
graphisch an. Der Zeitpunkt, in dem die Ladung q (vom Markierimpuls) auf den Kondensator
C gebracht wird, sei t1.
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Dann lassen sich die beiden Schwingungen wie folgt darstellen
Die resultierende Schwingung Ures ergibt sich dann zu
oder nach Umformung Ures = sin c) t (U, + d U, sin co t1) + cos u)
t (d U, .cos c) t1). (3)
Stellt man andererseits die resultierende
Schwingung Ures in üblicher Schreibweise dar als Ures = UOres sin (CO
t + 97) = sin CUt (Ures cos 97) + cos OJt`(UOres sin 97) (3 a) so
ergeben sich aus der Gleichsetzung von Gleichung (3) und (3a) für die resultierende
Schwingung Ures folgende Bestimmungsstücke
In der Praxis ist der Phasenwinkel «)t1 gegeben, um den die Schwingung maximal auswandern
darf, sowie der Winkel 9p, um welchen die Schwingung durch jeden Markierimpuls zurückgeholt
werden muß. Das erforderliche Amplitudenverhältnis berechnet sich dann zu
Die Abhängigkeit des Rückstellwinkels vom Zeitpunkt (t1) des Eintreffens des Markierimpulses
gemäß der Gleichung (q.) ist in der Fig. q. gegeben. Dabei ist der Parameter v =
o,i gewählt, d. h., es ist ein Amplitudenverhältnis d U,: Uo = i : io angenommen.
Man erkennt, daß der Rückstellwinkel bei kleinen Winkelabweichungen (cotl) diesen
annähernd proportional ist.
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Aus der Gleichung (q.) gelangt man auf Grund folgender Überlegung
zu einer Näherung für den Rückstellwinkel 97. Im angeführten Beispiel schwingen
der sende- und der empfangsseitige Generator mit einer Frequenz von 576 kHz. Sind
die beiden Generatoren
quarzstabilisiert, so ist ein relativer
Gleichlauf von zo-4leicht zu erreichen, d. h. in einer Impulsperiode (also dem zeitlichen
Abstand zwischen zwei Markierimpulsen) von 125 ßsec kann nur eine Zeitabweichung
von etwa 1/l00,usec auftreten, was bei 576 kHz eine Winkelabweichung von etwa 2°
bedeutet. Wie man aus Fig. 4 sieht, ist der zugehörige Rückstellwinkel p sehr klein,
so daß man in Gleichung (4) an Stelle des Tangens den Winkel selbst setzen kann.
Da der Anstoß durch den Markierimpuls normalerweise auf
liegt, kann in der Gleichung (4) sin (»t1 gleich i gesetzt werden, so daß näherungsweise
gilt
Es soll nun noch der Einfluß des Rauschens des Markierimpulses auf den Rückstellwinkel
und damit auf die Synchronisierung untersucht werden. Zu diesem Zweck ist 9p nach
(et, zu differenzieren. Es ergibt sich
wenn wiederum sin cotl gleich i gesetzt wird und im Nenner v (v << i) vernachlässigt
wird.
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Man sieht, daß v den Faktor angibt, um den der Einfluß des Rauschens
des Markierimpulses unterdrückt wird.
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Neben der rein elektrischen Regelung des empfangsseitigen Steuergenerators,
wie sie obenstehend beschrieben wurde, ist auch eine Regelung auf elektromechanischem
Wege möglich. Zu diesem Zweck kann man zwischen den Generator 8 und den Impulsformer
9 (Fig. i) einen elektromechanischen Phasendreher einschalten. Dieser hat die Aufgabe,
die Differenzfrequenz zwischen der sende- und empfangsseitigen Quarzfrequenz auszugleichen.
Dies erfolgt in Abhängigkeit von einer Regelspannung, die aus der Zeitdifferenz
zwischen dem Eintreffen des Markierimpulses und dem Zeitpunkt, in dem die empfangsseitigen
Abzählschaltungen eine Impulsperiode beendet haben, gewonnen wird.