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Schaltungsanordnung zur Umsetzung von Amplitudenwerten einer
Nachricht in eine einem binären Permutationscode entsprechende Pulsfolge
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Umsetzung von Amplitudenwerten (Analogwerten), einer Nachricht in eine einem Permutationscode entsprechende Pulsfolge.
Die Übertragung einer Information über einen leitungsgebundenen Übertragungsweg oder einen Funkweg geschieht meist durch Amplitudenmodulation oder Frequenzmodulation einer Hochfrequenzträgerschwingung mit einer der Information im Amplitudenverlauf entsprechenden elektrischen Grösse, z. B. einer Spannung oder einem Strom. Am Ende des Übertragungsweges wird aus der modulierten Trägerschwingung die Spannung oder der Strom und damit die Information durch Demodulation wiedergewonnen. FUr die verzerrungsfreie Übertragung ist es hiebei wichtig, dass das übertragene Frequenzband auch die bei der Modulation entstehenden Seitenbänder enthält.
Aus Gründen eines guten Signalspannung/Geräuschspannung-Verhaltens werden bei der Übertragung mittels Frequenzmodulation nicht nur die trägornächsten, sondern noch weitere Seitenbänder übertragen, weshalb ein wesentlich breiteres Frequenzband benötigt wird, als für die Übertragung mittels Amplitudenmodulation. Die Amplitudenmodulation hat aber den Nachteil, dass die für die Übertragung zur Verfügung stehende Energie von der Modulationsamplitude abhängig und damit zeitlich nicht konstant ist. Das Verhältnis Signalspannung/Geräuschspannung ist daher unter Zugrundelegung gleicher Spitzenleistung bei Amplitudenmodulation schlechter als bei Frequenzmo- dulation.
Aus Gründen eines günstigen Verhältnisses von Signalspannung zu Geräuschspannung wurde an Stelle einer kontinuierlichen Amplitudenmodulation oder einer kontinuierlichen Frequenzmodulation auch eine derartige Modulation von Impulsen einer hochfrequenten Trägerschwingung angewendet. Hiedurch tritt jedoch keine grundlegende Änderung dieser Verhältnisse ein.
Dar Vorteil eines günstigen Verhältnisses von Signalspannung und Geräuschspannung, verbunden mit geringen Anforderungen an die gleichförmige Übertragung der Seitenbänder lässt sich jedoch dann gleichzeitig erreichen, wenn der der Information entsprechenden elektrischen Grösse periodisch eine Probe der jeweils gerade vorhandenen Amplitude entnommen und diese Amplitudenproben getrennt mittels codierter Signale übertragen werden. Für diese Art der Modulation ist der Ausdruck Pulscode-Modulation (PCM) gebräuchlich.
Hinsichtlich des Aufbaues und der Zuordnung der einzelnen Signale zu den einzelnen Amplitudenwerten bei PCM sind verschiedene Möglichkeiten bekannt, von denen die des nach den digitalen Rechenregeln aufgebauten Binärcode als besonders günstig anzusehen ist, weil bei diesem die empfangsseitig Rückgewinnung der der Information entsprechenden Grösse aus den Codesignalen besonders einfach ist.
Hiebei wird in der Weise vorgegangen, dass für den Amplitudenverlauf 2n, beispielsweise 16, verschie-
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signale geschieht meist durch besondere Codierröhren, das sind Röhren, bei denen ein Elektronenstrahl ähnlich wie in einer Fernsehbildröhre in Zeilen über eine Fläche geführt wird, jedoch unter Zwischen-
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schaltung einer Abdeckmaske. Diese ist senkrecht zur Zeilenrichtung entsprechend der Anzahl von Ampli- tudenstufenunterteiltund hat in den einzelnen Zeilen den Codesignalen entsprechende Aussparungen. Zur VermeidungvonMehrdeutigkeiteninderartigen Codierröhren ist es jedoch erforderlich, einen vom vorstehend erläuterten Binärcode abweichenden Code zu verwenden, den sogenannten Stibitz-Gray-Code. Aus diesem kann dann durch Umwandlung der Binärcode gewonnen werden.
An Stelle dieser in der Regel nur eine geringe Lebensdauer aufweisenden Codierröhren kann nach der deutschen Auslegeschrift Nr. 1052457 zur Codierung auch eine Schaltung vorgesehen werden, bei der jedem Codeelement einer Codegruppe ein Kombinationskreis mit einem oder mehreren Elementarkreisen zugeordnet ist, von denen jeder nur innerhalb bestimmter, für das jeweilige Codeelement charakteristischer Amplitudenbereiche wirksam ist. Je- der Kombinationskreis bestehthiebei aus einer Brückenschaltung und jeder Elementarkreis aus zwei in verschiedenen Brückenzweigen liegenden elektronischen Umschalter, die von den umzuwandelnden amplitudenmodulierten Impulsen gesteuert werden und die bei Spannungen ansprechen, die den Grenzen des jeweiligen charakteristischen Amplitudenbereiches entsprechen.
Nach einem älteren Vorschlag kann zum Codieren ferner eine Schaltung mit Kippwiderständen verwendet werden, bei der. ausgehend von den verschiedenen Amplitudenwerten, in der Schaltung beispielsweise Signale nach dem Stibitz-Gray-Code ge- wonnen werden. die dann in der Schaltung in die erwähnten binären Codesignale umgewandelt werden und der Übertragung dienen.
Im einzelnen betrifft der ältere Vorschlag eine Schaltungsanordnung zum Umsetzen von Analogwerten in eine einen binären Permutationscode entsprechende Impulsfolge mit einer Reihenschaltung von stromabhängigen Widerständen mit Kippeigenschaften (Kippwiderständen), die von einem den umzusetzenden Analogwert entsprechenden Strom (Analogstrom) durchflossen wird, wobei die einzelnen Kippwiderstände bei verschiedenen Werten des Analogstromes von einem Zustand niederen Widerstandes in einen Zustand hohen Widerstandes und umgekehrt kippen, mit dem wesentlichen Merkmal, 'dass für jede Stelle des binären Permutationscodes zwei parallele Reihenschaltungen von Kippwiderständen vorgesehen und deren Kippunkte derart abgestuft sind.
dass bei stetig veränderlichem Analogstrom abwechselnd Kippwiderstände inder einen und in der andern Reihenschaltung kippen, und dass das der zugeordne- ten Stelle des binären Permutationscodes entsprechende binäre Ausgangssignal durch Differenzbildung zwischen den an beiden Reihenschaltungen abfallenden Spannungen gebildet wird.
DerErfindungliegtdie Aufgabe zugrunde, diesen älteren Vorschlag in der Weise weiterzubilden, dass aus den Analogwerten unmittelbar einem Binärcode beliebigen Bildungsgesetzes entsprechende Signale ge-
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von einer Schaltungsanordnung zurNachricht in eine einen binären Permutationscode entsprechende Impulsfolge unter Verwendung einer Rei- henschaltung von im Widerstandswert von dem sie durchfliessenden Strom abhängigen Widerständen mit Kippeigenschaften (Kippwiderständen), die von einem den umzusetzenden Amplitudenwert entsprechenden Strom (Analogstrom) durchflossen wird, und bei der die einzelnen Kippwiderstände bei verschiedenen Werten des Analogstromes von einem Zustand niedrigen Widerstandes in einen Zustand höheren Widerstandes und umgekehrt kippen,
wird erfindungsgemäss diese Aufgabe in der Weise gelöst, dass eine der geforderten Anzahl von Amplitudenstufen entsprechende Anzahl von Kippwiderständen vorgesehen ist, die in wenigstens zwei zueinander parallelen Reihenschaltungen angeordnet sind, und dass eine wenigstens der geforderten Stellenzahl des Code entsprechende Anzahl von auf getrennte Übertragungswege oder gegen- seitig zeitverzögert auf einen gemeinsamen Ausgang arbeitenden Differenzverstärkern od. dgl. vorgesehen ist. in denen die an den Kippwiderständen von zwei Reihen abfallenden Spannungen verglichen werden.
Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die Information hinsichtlich ihrer Amplituden impulsförmig abgegriffen wird und die entsprechenden Amplitudenproben in Form kurzer Impulse der Schaltunganordnung zugeführt werden.
Ein anderer vorteilhafter Weg besteht darin. dass elektronische Schaltmittel vorgesehen sind. die die Rückführung der gesamten Schaltungsanordnung in den Ausgangszustand. beispielsweise mittels Gegenspannungen oder Gegenströme. sicherstellen.
Fernerhin empfiehlt es sich, die Zeitdauer zwischen diesen einzelnen kurzen Amplitudenproben derart gross zu wählen, dass während der Pause die Schaltungsanordnung in ihren Ausgangszustand zurückkippen kann. Gegebenenfalls empfiehlt es sich, dass von dem gesamten erfassbaren Amplitudenbereich nur
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Nachstehend wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Beim Ausführungsbeispiel werden als Kippwiderstände Tunneldioden verwendet. Weiterhin ist beim Ausführungsbeispiel angenommen, dass dem Modulator die zu codierende Nachricht in Form eines einge-
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prägten Stromes angeboten wird.
Die Fig. l zeigt die Kennlinie einer Tunneldiode. Wird ihr ein kleiner Strom It eingeprägt, so fällt an ihr die kleine Spannung U1 ab. Durch Erhöhen des Stromes steigt diese Spannung kaum nennenswert an (I,U). Erst wenn der eingeprägte Strom die Grösse des sogenannten Maximalstromes der Tunneldiode er- reicht,"springt"die Spannung an der Diode auf einen grösseren Wert ; dies geschieht hier bei I. U. Eine weitere Vergrösserung des Stromes ändert wieder kaum den Spannungsabfall (fizz U).
Man stelle sich nun mehrere in Reihe geschaltete Tunneldioden vor. Durch alle fliesst, wegen der Hintereinanderschaltung, der gleiche eingeprägte Strom. Da nicht alle Dioden den gleichen Maximalstrom haben,"springen"sie bei verschiedenen Werten des eingeprägten Stromes. Zunächst"springt"die Diode mit dem niedrigsten Maximalstrom auf den höheren Spannungsabfall und so fort.
Man kann nun erreichen, dass bei bestimmten vorgegebenen Grössen des Eingangsstromes je ein Span- nungssprung entsteht. Hiezu könnte man beispielsweise die Reihenschaltung aus nach Maximalstrom aus- gesuchten Dioden aufbauen ; die Maximalströme müsstenso gross sein. wie die Werte der eingeprägten Strö- me. bei denen man Spannungssprünge wünscht. Eine andere Möglichkeit besteht darin, Tunneldioden mit beliebigen Maximalströmen zu verwenden und ihnen durch einen zusätzlichen Stromkreis Vorströme ge- eigneter Polarität zu geben ; hiebei "springen" die Dioden bei eingeprägten Strömen, die gleich der Sum- me aus Vorstrom und Maximalstrom sind.
Der Pulscode-Modulator nach dem Ausführungsbeispiel besteht aus zwei derartigen Diodenreihen ; der eingeprägte Strom ist die zu codierende Nachricht. Der erzeugte Code wird als Differenz der Spannung- abfälle ("Sprünge") an zwei oder mehr Dioden abgegriffen. Das Schema, nach dem die Dioden zusam- mengestellt sind und bei welchen eingeprägten Strömen (zu codierenden Amplitudenwerten) sie"sprin- gen", wird im folgenden an Hand der Fig. 2 und 3 erläutert.
Die Fig. 2 zeigt graphisch den Zusammenhang zwischen der Analoggrösse und einem nach digitalen
Rechenregeln aufgebauten binären Code für das hier verwendete Beispiel von 16 Amplitudenstufen. In Fig. 3 ist der Pulscode-Modulator gezeigt. Hiebei ist N der Nachrichtengenerator, dessen Signale über die bei- den Widerstände R1 und R den zwei Tunneldiodenreihen in Form eines eingeprägten Stromes zugeführt werden. Die Stromkreise rechts und links der Dioden, die aus Batterie und Widerstand bestehen, sollen symbolisch andeuten, dass den Dioden Vorströme gegeben werden.
Die Zahlen in diesen Stromkreisen neben den Dioden zeigen an, bei welchem Amplitudenwert des eingeprägten Stromes die betreffende Diode "springt". Der Vorstrom im Kreis ist also gleich der Differenz dieser Zahl und dem Maximalstrom der zugehörigen Tunneldiode.
Zunächst werde die Erzeugung des höchstwertigen Code-Elementes 23 betrachtet. Dieses Code-Element zwischen den Klemmen a und b als Differenz der Sprungspannungen der unteren beiden Tunneldioden abgegriffen. Ist die Spannung an a b Null, ist auch das Code-Element "0" ; ist sie grösser als Null - hat sie nämlich die Grösse eines Spannungssprunges - ist der Wert des Code-Elementes "1".
Bei eingeprägten Strömen, die kleiner sind als 8, fällt an den Dioden 8 und 16 nur eine sehr kleine Spannung ab. beispielsweise die Spannung U1 nach Fig. 1. Da an beiden Dioden nahezu die gleiche kleine Spannung abfällt, entsteht an den Klemmen a b keine Spannungsdifferenz.
Erst wenn der Nachrichtenstrom den Wert 8 erreicht,"springt"die linke Diode ; ihre Sprungspannung liegt an a b. und dadurch wird der Code "1" abgegeben. Wie Fig. 2 zeigt. muss das Code-Element 2s bei 8 "eingeschaltet" und bei 16 wieder"ausgeschaltet"werden. Bei einem Nachrichtenstrom vom Amplitudenwert 16 "springt" nun auch die zweite Diode 16 und schaltet, wie erforderlich, das Code-Element 2s wieder ab (Fig. 3), da an a b die Differenz aus zwei Sprungspannungen, also wieder die Spannung Null liegt.
Das nächste Code-Element muss, wie man Fig. 2 entnehmen kann, beim Amplitudenwert 4 ein-und bei 8 ausgeschaltet werden, dann wieder bei 12 ein-und bei 16 ausgeschaltet. Dieses Code-Element 2z wird zwischen den Klemmen c und d abgegriffen. Das Einschalten bei 4 geschieht diesmal durch die Tunneldiode 4 der rechten Diodenreihe und das Abschalten bei 8 durch die bereits vorhandene linke Diode 8. Das nächste Einschalten bei 12 wird jetzt von der linken Reihe (Diode 12) vorgenommen, das Abschalten wieder durch die schon vorhandene Diode 16. Da das Ein- bzw. Abschalten teils von der rechten, teils von der linken Diodenreihe durchgeführt wird, ist die Ausgangsspannung c d manchmal positiv und manchmal negativ.
Die später zu erläuternden Differenzverstärker müssen daher derart ausgebildet sein, dass der Polaritätswechsel der Steuerimpulse ohne Einfluss auf den Ausgangsimpuls ist.
In gleicher Weise wird das Code-Element 21 erzeugt. Es entsteht zwischen e und f. Für das Einschalten (bei den Amplitudenwerten 2, 6, 10 und 14) wird jeweils eine neue Diode aufgestockt, das Abschalten besorgen bereits vorhandene. Die Einschaltdiode muss jeweils in der Reihe angebracht werden, die derjenigen gegenüberliegt, die bereits die Abschaltdiode enthält.
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EntsprechendesgiltfUrdie letzte Stelle des Binärcodes 20. Hier sind neue Einschaltdioden hinzuzufügen, die bei den Amplitudenwerten 1, 3, 5, 7, 9,11,13 und 15"springen".
Da beim Übergang von einem Amplitudenwert auf den benachbarten immer nur eine Diode springt, die dann ihrerseits sämtliche notwendigen Code-Änderungen durchführt, ist es ohne Fehler möglich, direkt den beim Ausführungsbeispiel gewählten binären Code zu gewinnen und nicht erst den Stibitz-GrayCode.
. Wegen der grossen Konstanz des Strommaximums bei Tunneldioden kann man sehr kleine eingeprägte Ströme verwenden ; pro Amplitudenstufe genügt z. B. ein Strom kleiner als 1 mA.
Da nur ohmsche Widerstände und die schnellen Tunneldioden verwendet werden, ist die Codiergeschwindigkeit hauptsächlich von der oberen Grenzfrequenz der Dioden abhängig. Bei Tunneldioden mit 2 GHz Grenzfrequenz dürfte z. B. ein Codieren eines Basisbandes von 5 MHz realisierbar sein.
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- hAn Stelle des beim Ausführungsbeispiel gewählten Binärcodes lassen sich analog auch Binärcodes nach andern Bildungsgesetzen und/oder anderer Amplitudenstufenzahl gewinnen.
Bei einer ausgeführten Schaltung für 16 Amplitudenstufen wurde mit 16 Tunneldioden ein Modulator
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innerhalb einzelner Binärstufendie Diodenreihenfolge derart geändert, dass innerhalb der einzelnen Binärstufen eine kontinuierliche Staffelung der Amplitudenwerte, bezogen auf die einzelnen Dioden, gegeben ist. Nurdie obersten beiden Dioden 3 und 1 erhalten den ursprünglichen Vorstrom, der so gewählt ist, dass sie bei 3 bzw. 1"springen". Dieser Vorstrom fliesst durch sämtliche anderen Dioden. Die einzelnen Diodenvorströme werden über die beiden gegensinnig gepolten Stromquellen, zum Teil als Summenströme und zum Teil als Differenzströme mittels der regelbaren Vorwiderstände, denen zur Verfeinerung des jeweiligen Abgleichbereiches Festwiderstände zugeordnet sind, eingestellt.
Durch den niedrigen Innenwiderstand der Tunneldioden sind der hochohmige Eingangskreis und die ebenfalls hochohmigen Vorstromkreise völlig voneinander entkoppelt. Dies ist im älteren Vorschlag bereits erläutert.
Zur weiteren Verarbeitung ist es zweckmässig, die Code-Signale, die manchmal positiv, manchmal negativ sind, in solche gleicher Polarität zu verwandeln und gleichzeitig als Spannung gegen brde zur Verfügung zu stellen. Hiezu sind z. B. vier Differenzverstärker für die vier binären Stellen anzuwenden.
Die Fig. 5 zeigt hiefür geeignete Schaltungen dieser Verstärker in Transistorausführung und Röhrenausfüh-
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Polarität und Amplitude der Eingangsimpuls bei a bzw. b gegen das Bezugspotential hat. Bei gleichen Eingangsspannungen an a und b wird auf Grund der Symmetrie des die Tl und T enthaltenden Schaltungteiles ebenfalls kein Ausgangsimpuls abgegeben. Die mitdargestellte Röhrenschaltung arbeitet analog.
Beim Ausführungsbeispiel wurden 16 Amplitudenstufen vorgesehen. Eine derart geringe Anzahl von dafür benötigten Kippwiderständen lässt sich, vor allem ohne grosse kapazitive Störungen, in zwei parallelen Reihen anordnen. Bei einer grösseren Anzahl von Kippwiderständen empfiehlt es sich jedoch. die Kippwiderstände in mehr als zwei parallelen Reihen anzuordnen. Beispielsweise kann dies so geschehen, dass z. B. 256 Amplitudenstufen auf vier parallele Doppelreihen von je 64 Amplitudenstufen aufgeteilt werden. Die erste Doppelreihe ist dann den Amplitudenstufen 1. 64. die zweite Doppelreihe den Amplitudenstufen 65-128 usw. zugeordnet.
Die Rückstellung des Modulators in den Impulspausen erfolgte beim Ausführungsbeispiel der Fig. 4 dadurch, dasseinhinsichtlichdes Bezugspotentials negativer Rückstellimpuls in den Pausen zwischen den von der Nachrichtenquelle zugeführten Impulsen in den Modulatoreingang gegeben wurde. Beispielsweise kann als derartiger Rückstellimpuls bei Einspeisung einer amplitudenmodulierten Impulsfolge in den Modulator durch Wahl des Gleichstromwertes für diese Impulsfolge (z. B. durch Wahl des Aussteuerbereiches) der zwischenden Nutzsteuerimpulsen liegende Impulsteil mit gegenüber dem erwähnten Gleichstromwert gegensätzlicher Polarität als Rückstellimpuls dienen.