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Übertragungssystem für Signale mit Impulskodemodulation und dabei anzuwendende Sender und Empfänger
Die Erfindung betrifft ein Übertragungssystem für Signale mit Impulskodemodulation und dabei anzu- wendende Sender und Empfänger, wobei der Sender mit einem an einen Impulsgenerator angeschlossenen
Kodemodulator versehen ist, dessen Ausgangsimpulse nach dem mit dem Sender zusammenwirkenden Emp- fänger ausgesandt und gleichzeitig einem Vergleichskreis mit einem darin enthaltenen Ortsempfänger zum Erzeugen einer Vergleichsspannung zugeführt werden, welche gemeinsam mit dem zu übertragenden
Signal einen Differenzbildner steuert, um eine Differenzspannung zu erzielen, die in dem Kodemodulator die Übertragung der von dem Impulsgenerator stammenden Impulse steuert,
wobei das Übertragungssystem zur Dynamikregelung mit einer Dynamikregelvorrichtung versehen ist.
Das vorerwähnte Modulationsverfahren ist bekannt unter dem Namen Deltamodulation und ist z. B. bereits in der österr. Patentschrift Nr. 181293 beschrieben.
Bei Impulskodemodulation im allgemeinen und somit auch bei Deltamodulation entstehen infolge der Amplitudenquantisierung durch das sogenannte Quantisierungsrauschen Abweichungen zwischen der auf der Empfangsseite wiedergegebenen Signalspannung und der ursprünglichen Signalspannung. Insbesondere ist bei verhältnismässig niedriger Signalspannung oder bei einem niedrigen Signalpegel dieses Quantisierungsrauschen störend wirksam, wobei ausserdem mit Rücksicht auf die Amplitudenquantisierung die Übertragung der niedrigen Signalspannungen ungenau ist.
Durch Steigerung der Impulsfrequenz wird in dieser Vorrichtung für die Deltamodulation die Genauigkeit der Wiedergabe verbessert und nimmt dabei die Leistung des Quantisierungsrauschens im Signalfrequenzbereich ab, u. zw., wie dies nachgewiesen wurde, mit der dritten Potenz der maximalen Impulsfrequenz, wodurch bei Übertragung hoher Qualität sehr hohe Impulsfrequenzen und somit eine grosse Bandbreite erforderlich sind. Es ist z. B., um die durch die CCITT für übliche Fernsprechverbindungen aufgestellten Empfehlungen in bezug auf Übertragungsqualität eines Gesprächssignals zu erfüllen, eine maximale Impulsfrequenz von mehr als 120 kHz erforderlich.
Auch war es aus der Schweizer Patentschrift Nr. 323791 bereits vorbekannt, die Störwirkung des Quantisierungsrauschens, insbesondere bei niedrigem Signalpegel durch Ausgleichen der Unterschiede im Signalpegel mittels einer Dynamikregelvorrichtung zu beschränken, die darin besteht, dass an der Sendeseite die zu übertragenden Signale über einen eine Dynamikkompression bewirkenden Pegelregler dem Differenzbildner zugeführt werden, während an der Empfängerseite die demodulierten Signale über einen eine Dynamikexpansion bewirkenden Pegelregler der Wiedergabevorrichtung zugeführt werden.
Dabei wird die Dynamikregelspannung an der Sendeseite sowie an der Empfängerseite mittels eines Polaritätswechseldetektors zur Umwandlung des in den Kodeimpulsen durch 01-oder 10-Impulspaare gekennzeichneten Polaritätswechsels in Messimpulse und einer darauffolgenden Frequenzdemodulationsstufe erzeugt, die durch Bestimmung der mittleren Frequenz der Messimpulse die Pegelreglerspannung liefert.
Bei Anwendung dieser Vorrichtung zeigten sich praktische Schwierigkeiten. Es werden nämlich durch die Pegelregler, die in üblicher Weise durch ein Dämpfungsnetzwerk mit nichtlinearen Widerständen gebildet werden, dessen Dämpfungsgrad durch die Pegelreglerspannung in einem breiten Gebiet, z. B. von
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30 bis 50 db geändert wird, Verzerrungen in den übertragenen Signalen hervorgerufen, während darüber hinaus, um die Dynamik der ursprünglichen Signale genau zurückzugewinnen, die Charakteristiken der
Pegelregler an der Sendeseite und an der Empfängerseite über das ganze Dynamikregelgebiet genau kom- plementär sein müssen.
Die Erfindung bezweckt, ein Übertragungssystem der eingangs erwähnten Art mit einer Dynamikre- gelvorrichtung von einer andern Konzeption zu schaffen, wobei ausser einem überraschend einfachen Auf- bau eine erheblich genauere Wiedergabe der zu übertragenden Signale und eine wesentliche Verringerung des Quantisierungsrauschens erzielt werden.
Die Vorrichtung nach der Erfindung hat das Merkmal, dass die Sendevorrichtung mit einem durch die übertragenen Signale gespeisten Pegelspannungsgenerator versehen ist, dessen Ausgangskreis an einem
Punkt im Kreis des Ortsempfängers nach dem Eingang des Kodemodulators angeschlossen ist, während im
Ortsempfänger sowie in dem mit dem Sender zusammenwirkenden Empfänger die von dem Kodemodula- tor ausgesandten Kodeimpulse einem Impulsmodulator zugeführt werden, in dem der Energieinhalt der zugeführten Kodeimpulse durch eine geglättete Gleichspannungskomponente moduliert wird, die einem durch die übertragenen Kodeimpulse gespeisten Glättungsfilter entnommen wird.
Bei Durchführung der Massnahmen nach der Erfindung wird bewerkstelligt, dass bei einer ausserordent- lich niedrigen Impulsfrequenz, z. B. bei 40 kHz, eine Übertragungsqualität erzielt wird, die den CCITT-
Empfehlungen für übliche Fernsprechverbindungen genügt.
Der Impulsmodulator wird zu Modulation des Energieinhaltes der zugeführten Kodeimpulse, vorzugs- weise durch einen Impulsamplitudenmodulator, gebildet ; es ist jedoch auch möglich, zu diesem Zweck
Impulsdauermodulation anzuwenden.
Die Erfindung und ihre Vorteile werden nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. In die- ser zeigen Fig. la und lb in einem Blockschema einen Sender bzw. einen Empfänger für Deltamodulation nach der Erfindung. Die Fig. 2 und 3 zeigen einige Zeitdiagramme zur Erläuterung der in den Fig. la und 1b dargestellten Vorrichtungen. Die Fig. 4 und 5 zeigen Einzelheiten eines Senders und eines Empfängers für Deltamodulation nach der Erfindung in transistorisierter Ausführung und Fig. 6 zeigt ein Strom-Span- nungsdiagramm zur Erläuterung der in Fig. 4 dargestellten Sendevorrichtung.
Bei dem in Fig. la in einem Blockschema dargestellten Sender für Deltamodulation werden die einem Mikrophon 1 entnommenen Gesprächssignale über ein Gesprächsfilter 2 mit einem Durchlassbereich zwischen 300 und 3400 Hz und einen Niederfrequenzverstärker 3 einem Differenzbildner 4 zugeführt.
Dem Differenzbildner 4 wird ausserdem über die Leitung 5 ein auf weiter unten zu beschreibende
Weise erhaltenes Vergleichssignal eines Ortsempfängers 6 zugeführt, um ein Differenzsignal zu erzielen, das einen an einen Impulsgenerator 7 angeschlossenen Kodemodulator 8 steuert. Der Impulsgenerator 7 liefert dabei äquidistante Impulse mit einer Wiederholungsfrequenz, die um einen bestimmten Faktor höher als die höchste zu übertragende Frequenz des Gesprächssignals ist.
In Abhängigkeit von der Polarität der Ausgangsspannung des Differenzbildners 4 treten von dem Impulsgenerator 7 stammende Impulse am Ausgang des Kodemodulators 8 auf oder sie werden unterdrückt und die so erhaltene Reihe von Kodeimpulsen wird einem Impulsregenerator 9 zum Unterdrücken der in dem Kodemodulator 8 entstandenen Änderungen in der Amplitude, in der Dauer, in der Wellenform oder Zeit des Auftretens der Impulse zugeführt. Die Regeneration erfolgt z. B. durch Ersatz, der zugeführten Impulse durch direkt dem Impulsgenerator 7 entnommene Impulse.
Die regenerierten Impulse werden über die Leitung 10 gegebenenfalls nach Modulation auf eine Trägerfrequenz nach dem mit dem Sender zusammenwirkenden, in Fig. lb dargestellten Empfänger ausgesandt und ausserdem dem Ortsempfänger 6 in einem Vergleichskreis zugeführt, der mit einem Signalfrequenz-Integrationsnetzwerk 11 versehen ist, dessen Zeitkonstante z. B. 0,01 sec beträgt. Am Ausgang des Ortsempfängers 6 entsteht die vorerwähnte Vergleichsspannung, die über die Leitung 5 dem Differenzbildner 4 zugeführt wird.
Der beschriebene Kreis versucht die Differenzspannung auf Null herabzusetzen, wodurch das dem Ortsempfänger 6 in dem Vergleichskreis entnommene Vergleichssignal eine quantitative Annäherung des Eingangssignals wird.
Anders gesagt, und in einem Zeitdiagramm gesehen, schwingt das Vergleichssignal um das Eingangssignal, wobei der Rhythmus der Schwingung durch die Impulswiederholungsfrequenz bedingt wird. Es sei bemerkt, dass bei Deltamodulation die Kodeimpulse nicht stets den Momentanwert des zu übertragenden Signals kennzeichnet, sondern den Unterschied zwischen diesem Momentanwert des Signals und dem vorangehenden Momentanwert, der dem Vergleichssignal entnommen wird. Das Impulsmuster der Kodeimpulse kennzeichnet somit die Flanke des Signals.
Fig. 1b zeigt einen bei dem Sender nach Fig. la anzuwendenden Empfänger. Die über die Leitung 12
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empfangenen Impulse, die verformt sein können, werden durch einen Impulsregenerator 13, der an einen mit dem Impulsgenerator des Senders synchronisierten örtlichen Impulsgenerator 14angeschlossen ist, durch örtlich erzeugte Impulse ersetzt.
Diese regenerierten Impulse werden einem die Signalfrequenzen inte- grierenden Netzwerk 15 entsprechend dem Integrationsnetzwerk des im Vergleichskreis des Senders ent- haltenen Ortsempfängers zugeführt, wodurch am Ausgang des integrierenden Netzwerkes 15 ein dem Ver- gleichssignal im Sender entsprechendes Signal auftritt. Über ein Tiefpassfilter 16, das für den gewünsch- ten Gesprächsfrequenzbereich durchlässig ist und das höher liegende Frequenzen unterdrückt, wird das Si- gnal einem Niederfrequenzverstärker 17 zugeführt, der mit einer Wiedergabevorrichtung 18 verbunden ist.
Zur Erläuterung des Verhaltens des soweit beschriebenen Übertragungssystems zeigt Fig. 2 einige Zeit- diagramme ; in Fig. 2a stellt die Kurve a ein zu übertragendes Gesprächssignal in der Voltskala dar, wobei die um die Kurve a schwingende, sägezahnförmige Kurve b die Vergleichsspannung am Ausgang des integrierenden Netzwerkes 11 darstellt.
Jeweils dann, wenn die Vergleichsspannung b im Zeitpunkt eines von dem Impulsgenerator 7 stam- menden Impulses kleiner als das zu übertragende Signal a ist, d. h. wenn eine positive Differenzspannung auftritt, lässt der Kodemodulator 8 einen Impuls durch, der nach Impulsregeneration über die Leitung 10 dem mit dem Sender zusammenwirkenden Empfänger und ausserdem dem Eingang des Ortsempfängers 6 zugeführt wird, wodurch die Spannung am Ausgang des integrierenden Netzwerkes 11 um einen festen Wert zunimmt.
In der nächstfolgenden Zeitperiode nimmt die Spannung des integrierenden Netzwerkes 11 sägezahnförmig ab, wobei in Abhängigkeit von der Positivität oder Negativität der Differenzspannung beim Auftreten eines nächstfolgenden Impulses des Impulsgenerators CI dieser Impuls von dem Kodemodulator 8 durchgelassen oder unterdrückt wird. Auf diese Weise entsteht an dem integrierenden Netzwerk 11 eine Spannung b, die einen Sägezahnverlauf aufweist, um die zu übertragende Gesprächsspannung schwingt und also eine Annäherung dieser bildet.
Fig. 2b zeigt die zum Entstehen der Annäherungskurve oder der Vergleichsspannung b erforderlichen Impulse durch volle Linien, während die von dem Impulsgenerator 7 stammenden Impulse, welche von dem Kodemodulator 8 wegen des Fehlens einer positiven Differenzspannung unterdrückt werden, in Fig. 2b gestrichelt angedeutet sind.
Zum Veranschaulichen des Verhaltens der betreffenden Einrichtung im Falle kleiner Signalspannungen und somit eines niedrigen Signalpegels, sind in Fig. 3 Zeitdiagramme entsprechend denen der Fig. 2 dargestellt, wobei in Fig. 3a die Kurve a'das zu übertragende Gesprächssignal andeutet, von dem lediglich die Amplitude von jener der in Fig. 2a dargestellten Gesprächsspannung a verschieden ist : die Amplitude der Gesprächsspannung a'ist erheblich kleiner, z. B. einen Faktor 10 kleiner als die der Gesprächspannung in Fig. 2a. Die Gesprächsspannung A'ist nach einer Zehntelvoltskala angedeutet, d. h. die Gesprächsspannung wird hier nach einer Zehnfachskala im Vergleich zu der Gesprächsspannung a in Fig. 2a veranschaulicht, ähnlich wie die Vergleichsspannung b', die durch Integration der Impulsreihe erzielt wird.
Fig. 3b zeigt wieder die übertragene Impulsreihe.
Infolge der Amplitudenquantisierung nimmt die Genauigkeit der Annäherung der Gesprächsspannung a'mit kleiner Amplitude infolge der Vergleichsspannung b'ab : insbesondere werden Details der Gesprächs- spannung oder wird die Gesprächsspannung an sich unterhalb eines bestimmten Schwellwertes nicht mehr übertragen. Die'gestrichelte Kurve c'der Fig. 3a deutet die Niederfrequenzkomponente der integrierten Impulsreihe beispielsweise an, die, wie dies aus der Figur ersichtlich ist, eine sehr grobe Annäherung des Gesprächssignals a'bildet. Ausserdem ist bei der Gesprächsspannung mit kleinerAmplitude das Quantisierungsrauschen besonders störend wirksam.
Das Quantisierungsrauschen ist unabhängig von der Gesprächspannung und in seinem absoluten Wert konstant, d. h. das Verhältnis zwischen Gesprächsspannung und Quantisierungsrauschen nimmt ab in Richtung nach den Gesprächsspannungen mit kleiner Amplitude.
Beide insbesondere bei kleineren Gesprächsamplituden störend wirksame Effekte, d. h. einerseits die Ungenauigkeit der Wiedergabe und anderseits das bei kleinerer Gesprächsamplitude abnehmende Verhältnis zwischen Gesprächsspannung und Quantisierungsrauschen werden durch das erfindungsgemässe Übertragungssystem zweckdienlich verringert, da die Einrichtung weiter mit einem durch die zu übertragenden Gesprächssignale gespeisten Pegelspannungsgenerator versehen wird, der durch einen Detektor 19 und ein sich daran anschliessendes Tiefpassfilter 20 mit einer Grenzfrequenz von z.
B. 50 Hz gebildet wird, und dessen Ausgangsspannung als Steuerspannung über den Differenzbildner 4 dem Kodemodulator 8 zugeführt wird, während im Ortsempfänger 6 die durch den Kodemodulator 8 über den Impulsgenerator 9 ausge- iandten Kodeimpulse einem Impulsmodulator 21 zugeführt werden, in dem der Energieinhalt der daran zugeführten Kodeimpulse durch eine geglättete Gleichspannungskomponente moduliert wird, die einem
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durch übertragene Kodeimpulse gespeisten Glättungsfilter22 entnommen werden. In der dargestellten Ein- richtung ist der Impulsmodulator 21 als Impulsamplitudenmodulator ausgebildet, während die Pegelspan- nung des Pegelspannungsgenerators 19,20 dem Differenzbildner 4 zugeführt wird.
Wenn in der beschriebenen Einrichtung statt des Gesprächssignals eine Gleichspannung in Form der
Pegelspannung dem Kodemodulator zugeführt wird, wobei einstweilen von dem Impulsamplitudenmodu- lator 21 abgesehen wird, wird ähnlich wie bei einem Gesprächssignal der Kreis die Differenzspannung auf
Null herabzusetzen suchen. Dieser Kreis ist somit bestrebt, die dem Ortsempfänger 6 entnommene Gleich- spannung, die durch die mittlere Gleichspannungskomponente der zugeführten Kodeimpulse bedingt wird, der zugeführten Gleichspannung gleich zu machen, d. h. bei der Zufuhr einer Gleichspannung wird sich die Anzahl von dem Kodemodulator 8 durchgelassener Kodeimpulse und somit die Impulsdichte selbsttätig derart einstellen, dass die Differenzgleichspannung praktisch auf den Nullwert gebracht wird.
Am Ausgang des Glättungsfilters 22 entsteht durch Glättung der ausgesandten Kodeimpulse eine
Gleichspannung, die aus einer konstanten Komponente, die durch die Impulsdichte in Abwesenheit einer
Pegelspannung bedingt wird, und aus einer sich mit der Pegelspannung ändernden Gleichspannungskompo- nente zusammengesetzt ist, die die dem integrierenden Netzwerk 11 zugeführten Kodeimpulse im Im- pulsamplitudenmodulator 21 in der Amplitude moduliert, wobei der dargestellte Kreis wie vorher stets bestrebt ist, die Vergleichsspannung, die durch Glättung der Kodeimpulse erhalten wird, deren Dichte und Amplitude dabei veränderlich sind, der zugeführten Gleichspannung gleichzumachen.
Um dafür zu sorgen, dass die Ausgangsspannung des Glättungsfilters 22 den Pegeländerungen folgen kann, ist die Grenzfrequenz des Glättungsfilters 22 mindestens gleich der Grenzfrequenz des Ausgangsfilters 20 des Pegelspannungsgenerators 19, 20 ; die Grenzfrequenz des Glättungsfilters 22 beträgt z. B. 100 Hz und die des Ausgangsfilters 20 des Pegelspannungsgenerators 50 Hz.
Auf diese Weise wird in der dargestellten Vorrich- tung eine Änderung einer dem Kodemodulator zugeführten Gleichspannung durch eine Dichteänderung gemeinsam mit einer Amplitudenänderung der dem integrierenden Netzwerk 11 zugeführtenKodeimpulse kompensiert ; es ist für eine optimale Übertragungsqualität günstig, eine Änderung der Pegelspannung grösstenteils durch die Amplitudenänderung der dem integrierenden Netzwerk 11 zugeführten Kodeimpulse ausgleichen zu lassen, d. h. dafür zu sorgen, dass die Amplitude dieser Kodeimpulse praktisch proportional zu der Ausgangsspannung des Pegelspannungsgenerators 19 ist.
Dies wird auf einfache Weise dadurch bewerkstelligt, dass dem Impulsamplitudeamodulator 21 über eine Leitung 23 ausserdem eine konstante Bezugsspannung angemessener Grösse als Modulationsspannung zugeführt wird, die zu diesem Zweck in der dargestellten Ausführungsform zunächst der Ausgangsspannung des Glättungsfilters 22 in einer Addiervorrichtung 24 zugeordnet wird. Die Grösse der Bezugsspannung ist derart eingestellt, dass bei Abwesenheit eines Gesprächssignals in dem Impulsamplitudenmodulator die Amplitude der Kodeimpulse grösstenteils, z. B. bis auf 50/0. reduziert ist.
Bei einer Änderung der Pegelspannung ändert sich die Amplitude der dem Impulsamplitudenmodulator 21 entnommenen Kodeimpulse praktisch proportional zur Pegelspannung, wobei ausserdem eine Änderung der Impulsdichte auftritt, die bei Abwesenheit eines Gesprächssignals durch eine dem Differenzbildner 4 zugeführte Einstellspannung von einer Gleichspannungsquelle 25 derart eingestellt wird, dass die dabei auftretende Impulsdichte etwa das 0,3-fache der Dichte bei der maximalen Impulswiederholungsfrequenz ist.
Die Fig. 2c und 3c veranschaulichen wieder in einem um das Zehnfache voneinander verschiedenen Massstab die in den Fig. 2a und 3a durch a und a* angedeuteten Gesprächssignale. Fig. 2c zeigt die Signalspannung a in Volt und Fig. 3c zeigt die Signalspannung a'in Zehntelvolt. Wird in dieser Vorrichtung der Pegel des Gesprächssignals a in Fig. 2a allmählich verringert bis zu dem zehnmal kleineren Pegel des Gesprächssignals a', so nimmt infolge dieser Verringerung der Ausgangsgleichspannung des Pegelspannungsgenerators 19, 20, wie vorstehend erläutert wurde, die mittlere Impulsdichte der ausgesandten Kodeimpulse ab und. somit auch die Ausgangsgleichspannung des Glättungsfilters 22.
Die Gleichspannungsänderung hat zur Folge, dass die Amplitude der dem Impulsamplitudenmodulator 21 entnommenen Kodeimpulse praktisch proportional zur Pegelspannung abnimmt. Insbesondere ist bei Übertragung des Gesprächssignals a. in Fig. 3c die. Amplitude der dem integrierenden Netzwerk 11 zugeführten Kodeimpulse praktisch um einen Faktor 10 kleiner als bei Übertragung des in Fig. 2c dargestellten Gesprächssignals a.
In den Fig. 3c und 2c sind die Vergleichsspannungen, die durch Integration dieser Kodeimpulse erhalten sind, deren Amplitude für das Gesprächssignal a'um einen Faktor 10 kleiner ist als für das Gespräch- signal a, durch die Kurven e'bzw. e angedeutet. Aus diesen Kurven ist sofort ersichtlich, dass durch die Durchführung der Massnahmen nach der Erfindung eine wesentlich genauere Annäherung des Gesprächssignals a'kleiner Amplitude durch die Vergleichsspannung e' erhalten ist als bei der bekannten Vorrichtung (vgl. Kurve b'in Fig. 3a).
Die Genauigkeit der Annäherung des Gesprächssignals a und a" durch die zuge-
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hörigen Vergleichsspannungen e und et ist infolge der Anpassung der Amplitude der dem integrierenden
Netzwerk zugeführten Kodeimpulse an den Pegel des Gesprächssignals weitgehend unabhängig von der
Amplitude des Gesprächssignals gemacht, was aus den Fig. 3c und 2c ersichtlich ist.
In den Fig. 2d und 3d sind die zu übertragenden Kodeimpulse angedeutet, die in der Einrichtung nach der Erfindung zwei Informationen des zu übertragenden Gesprächssignals enthalten. Die mittlere Impuls- dichte stellt den Pegel und die Anwesenheit und Abwesenheit der Kodeimpulse den Verlauf des Gesprächs- signals dar, wodurch es möglich ist, die übertragenen Signale mit grosser Genauigkeit wiederzugeben.
In dem in Fig. 1b dargestellten Empfänger werden die beiden Informationsdaten der übertragenen Im- pulsreihe auf gleiche Weise wie bei dem Ortsempfänger in dem Sender verarbeitet, um das übertragene
Gesprächssignal zurückzugewinnen. Die dem Impulsregenerator 13 entnommenen, regenerierten Impulse werden einerseits einem Impulsamplitudenmodulator 26 und anderseits einem Glättungsfilter 27 zugeführt, dessen Ausgangsspannung nach Addition in einer Addiervorrichtung 28 mit einer konstanten Bezugsspan- nung von der Leitung 29, die Modulationsspannung am Impulsamplitudenmodulator 26 bildet.
Die am- plitudenmodulierten Ausgangsimpuls des Impulsamplitudenmodulators werden nach Integration in dem integrierenden Netzwerk 15 und nach Glättung im Tiefpassfilter 16 zur Wiedergabe durch den Niederfre- quenzverstärker 17 der Wiedergabevorrichtung 18 zugeführt. Aus den Fig. 2c und 3c ist ersichtlich, dass die zu übertragenden Signale a und a'unabhängig vom Pegel mit grosser Genauigkeit wiedergegeben wer- den.
Durch die Massnahmen nach der Erfindung wird nicht nur die Genauigkeit der Wiedergabe erheblich verbessert, sondern auch das störende Quantisierungsrauschen nach der geringeren Signalamplitude wird wesentlich verringert ; bei einem niedrigen Signalpegel wird nämlich die Amplitude der Kodeimpulse pro- portional verringert und somit auch das Quantisierungsrauschen. Bei Übertragung des Gesprächssignals a" in Fig. 3c ist die Amplitude der dem Impulsamplitudenmodulator 26 entnommenen Kodeimpulse einen Faktor 10 kleiner als bei dem in Fig. 3a veranschaulichten Gesprächssignal a, dies bedeutet also, dass die
Amplitude des Quantisierungsrauschens bei Übertragung des Gesprächssignals at um einen Faktor 10 ver- ringert ist, was einen Leistungsfaktor von 100 bedeutet.
Unter Beibehaltung aller Vorteile der Impulskodeübertragung werden deren Nachteile infolge der bei Impulskodeübertragung erforderlichen Amplitudenquantisierung, d. h. das bei kleinerer Signalamplitude störende Quantisierungsrauschen und die Ungenauigkeit der Wiedergabe weitgehend herabgesetzt.
Es wurde bei Durchführung der Massnahmen nach der Erfindung eine auffällige Verbesserung von mehr als 25 db der Übertragungsqualität erzielt, wodurch es möglich ist, bei der sehr niedrigen maximalen Impulswiederholungsfrequenz von 40 kHz den Qualitätsempfehlungen der CCITT für normale Fernsprechverbindungen zu genügen, die bei den bekannten Deltamodulationsvorrichtungen erst bei einer Impulswiederholungsfre- quenz von mehr als 120 kHz erfüllt werden. Überraschend ist dabei die besonders Einfachheit der Verwirklichung dieser hervorragenden Verbesserung, so dass diese in technischer und wissenschaftlicher Hinsicht äusserst verfeinerte Vorrichtung für die Praxis besonders zweckdienlich ist.
Ausser der vorstehend beschriebenen, hervorragenden Verbesserung der bei Kodemodulation kennzeichnenden Qualitätsbeeinflussung ermöglicht die geschilderte Vorrichtung auch auf einfache Weise, unabhängig von der Gesprächsfrequenz, über das ganze Frequenzband optimale Übertragungsmöglichkeiten zu erzielen, indem die zu übertragenden Gesprächssignale über ein Differentiationsnetzwerk oder Verzögerungsnetzwerk 30 dem Pegelspannungsgenerator zugeführt werden, was sich dadurch erklären lässt, dass bei Deltamodulation die ausgesandten Kodeimpulse nicht die Amplitude, sondern die Neigung des zu übertragenden Signals kennzeichnen. Es wurde mit der dargestellten Vorrichtung auf diese Weise die ausserordentliche Qualitätsverbesserung von mehr als 30 db gemessen.
Es sei noch bemerkt, dass statt einer Verbindung des Pegelspannungsgenerators 19,20 mit dem Differenzbildner 4 eine Verbindung desselben an einem andern Punkt im Kreis zwischen dem Ausgang des Amplitudenmodulators 21 und des Einganges des Kodemodulators 8 möglich ist, was auch für die Einstellspannung der Gleichspannungsquelle 25 gilt. Aus praktischen Gründen ist es dabei günstig, den Pegelspannungsgenerator 19, 20 direkt mit dem Eingang des integrierenden Netzwerkes 11 zu verbinden, was in Fig. la durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist.
In Fig. 4 ist ein erfindungsgemässer, mit Transistoren bestückter Sender für. Deltamodulation dargestellt.
Der Sender enthält einen Kodemodulator 8, dessen Eingangsklemme 32 äquidistante Impulse eines Impulsgenerators zugeführt werden, weiters einen Impulsgenerator 9, einen Vergleichskreis mit einem integrierenden Netzwerk 11 und einem Differenzbildner 4, der in der dargestellten Ausführungsform mit einem Widerstand 36 versehen ist, dem über einen Transformator 37 die zu übertragenden Gesprächs-
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signale und über die Leitung 38 die Vergleichsspannung zugeführt werden.
Die Differenzspannung wird zu einer konstanten Einstellspannung in einer Transistorstufe addiert, die zwei Transistoren 39, 40 mit einem gemeinsamen Emitterwiderstand 41 enthält, wobei der Basiselektrode des Transistors 39 die Differenzspannung und der Basiselektrode des Transistors 40 die Einstellspannung zu- geführt werden, welch letztere einem zwischen den Klemmen 43, 44 einer Speisespannungsquelle liegen- den Spannungsteiler 42 entnommen wird.
Zu Steuerung des Kodemodulators 8 sind die Kollektorelektroden der Transistoren 39 und 40 an die
Basiselektroden zweier als nicht-lineare Verstärker, in Form einer bistabilen Kippschaltung, geschalteter
Transistoren 45, 46 angeschlossen, deren Kollektorelektroden und Basiselektrodenüber Widerstände kreuz- weise miteinander verbunden sind, während die Emitterelektroden an einen gemeinsamen Emitterwider- stand 47 angeschlossen sind.
An den Kollektorelektroden der Transistoren 39, 40 tritt eine Gegentaktausgangsspannung auf, wobei in Abhängigkeit von der Polarität des Spannungsunterschiedes zwischen den Kollektorspannungen entwe- der der Transistor 45 oder der Transistor 46 Strom führt, während der Kollektorelektrode des Transistors
46 über den Widerstand 48 die Steuerspannung für den Kodemodulator 8 entnommen wird.
Der Kodemodulator enthält zwei in Reihe geschaltete Transistoren 49,50 mit einer zwischen ihren
Kollektoren eingeschalteten Primärwicklung eines Transformators 51, wobei der Basiselektrode des Tran- sistors 50 dem Impulsgenerator entnommene äquidistante Impulse negativer Polarität zugeführt werden, die jedoch keine Übertragung über den Transformator 51 hervorrufen, es sei denn, dass der Transistor 49 durch eine positive Steuerspannung an seiner Basiselektrode freigegeben ist. Sobald nämlich über den Wi- derstand 48 der Basiselektrode des Transistors 49 eine gegenüber seiner Emitterelektrode positive Steuer-
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formator 51 verstärkt auf und werden über eine als Schwellenwertvorrichtung geschaltete Diode 52 dem Impulsregenerator 9 zugeführt.
Der Impulsregenerator 9 enthält zwei kreuzweise gekoppelte Transistoren 53,54, die als monostabiler Kippschwingungsgenerator geschaltet sind. Die Kollektorkreise der Transistoren 53, 54 enthalten Kollektorwiderstände 55, 56 ; die Basiselektrode des Transistors 54 ist durch einen Kondensator 57 mit der Kollektorelektrode des Transistors 53 und die Basiselektrode letzteren Transistors 53 ist durch einen Spannungsteiler 55, 58, 59 direkt mit dem Kollektor des Transistors 54 gekoppelt. Die Emitterelektroden beider Transistoren 54. 53 sind an eine von einer Zenerdiode 60 stammende Vorspannung angeschlossen, während die Basiselektrode des Transistors 54 über einen Widerstand 61 an die negative Spannungsklemme 43 der Speisespannungsquelle gelegt ist, wodurch in der Ruhelage immer der Transistor 54 leitend und der Transistor 53 gesperrt ist.
Die Wirkungsweise der beschriebenen Einrichtung mit zwei kreuzweise gekoppelten Transistoren 53, 54 ist bekannt, so dass eine weitere Erläuterung sich erübrigt. Jeweils wenn an der Basiselektrode des Transistors 53 über den Transformator 51 ein Impuls negativer Polarität auftritt, kippt der Impulsregenerator in seine Arbeitslage um, wobei der Transistor 53 leitend und der Transistor 54 gesperrt ist. In diesem Zustand bleibt der Impulsregenerator während einer Zeitdauer, die durch die Zeitkonstante des Kreises, der durch den Kondensator 57, den Widerstand 56 und den Widerstand 61 gebildet wird, bestimmt ist, worauf er wieder in die Ruhelage zurückkehrt.
Dem Impulsregenerator 9 entnommene, regenerierte Impulse werden einerseits für die weitere Übertragung einem als Ausgangsverstärker geschalteten Transistor 62 mit einer Ausgangsklemme 100 und anderseits dem im Vergleichskreis liegenden Ortsempfänger zugeführt. Die dem Widerstand 55 des Impulsregenerators entnommenen Impulse werden über einen weiter unten zu beschreibenden Transistor 64 einem Transistor 65 zugeführt, der mit dem im Kollektorkreis liegenden integrierenden Netzwerk 11 versehen ist, um die Vergleichsspannung zu erzeugen, die über die Leitung 38 dem Differenzbildner 4 zugeführt wird. Das verwendete Netzwerk ist von der in der österr.
Patentschrift Nr. 177160 ausführlich beschriebenen Art ; es enthält die Kaskadenschaltung eines ersten integrierenden Netzwerkes 66 mit einer Zeitkonstante etwa gleich einer Periode der niedrigsten Gesprächsfrequenz und ein zweites integrierendes Netzwerk 67mit einer erheblich kleineren Zeitkonstante, das die Impulsfrequenzen integriert.
Wie an Hand von Fig. la bereits beschrieben ist, werden dem geschilderten Kreis kodemodulierte Impulse entnommen, wobei die Anwesenheit und die Abwesenheit durch die Polarität des Spannungsunterschiedes zwischen dem Gesprächssignal und dem Vergleichssignal bedingt wird. Die Impulsdichte der ausgesandten Kodeimpulse kann dabei durch die Einstellspannung eingestellt werden, die über den Spannungsteiler 42 der Basiselektrode des Transistors 40 zugeführt wird.
Zur Verbesserung der Übertragungsqualität enthält der beschriebene Deltamodulationssender ausserdem
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einen Pegelspannungsgenerator 19, der über ein differenzierendes Netzwerk durch die übertragenen Gesprächssignale gespeist wird sowie ein Glättungsfilter 22, um die ausgesandten Kodeimpulse zu glätten, und einen Impulsamplitudenmodulator 21, welche Elemente weiter unten einzeln beschrieben werden.
In der geschilderten Einrichtung werden die dem Transformator 37 zugeführten Gesprächssignale über das differenzierende Netzwerk, das durch einen Kondensator 71 und einen Widerstand 72 gebildet wird und das eine Zeitkonstante von z. B. 10 sec hat, dem Pegelspannungsgenerator 19 zugeführt.
Der Pegelspannungsgenerator 19 wird durch einen Transistor 73 gebildet, dessen Kollektorkreis über einen Transformator 74 mit einem Gegentaktgleichrichter mit zwei Gleichrichtern 75 und 76 und einem Ausgangsfilter 20 gekoppelt ist, dessen Ausgangsspannung über den Transistor 65 dem Ausgangskreis des integrierenden Netzwerkes 11 zugeführt wird. Das Ausgangsfilter 20 des Gleichrichters, welches Filter aus Widerständen und einem Kondensator zusammengesetzt ist, hat z. B. eine Grenzfrequenz von 50 Hz.
Um eine sich mit der Dichte der ausgesandten Kodeimpulse ändernde Gleichspannung zu erzielen, ist in den Kollektorkreis des Ausgangsverstärkers 62 das aus Widerständen und Kondensatoren zusammen- gesetzte Glättungsfilter 22 aufgenommen, das z. B. eine Grenzfrequenz von 100 Hz hat. In der beschriebenen Einrichtung werden auf die Ausgangsspannung des Glättungsfilters 22 durch eine Diode 78 die dem Impulsregenerator 9 entnommenen Impulse überlagert, die über einen Kondensator 79 der Diode 78 zugeführt werden ; die auf die Ausgangsspannung des Glättungsfilters 22 überlagerte Impulsreihe wird einem Transistor 64 zugeführt, der durch eine im Emitterkreis auftretende Bezugsspannung derart gesperrt ist, dass bei Abwesenheit einer Pegelspannung nur ein kleiner Bruchteil der dem Transistor zugeführten Impulse durchgelassen wird.
Die Bezugsspannung wird einer Zenerdiode 80 entnommen, die durch einen Widerstand 81 mit der negativen Spannungsklemme 43 der Speisespannungsquelle verbunden ist.
Zur Erläuterung der Wirkungsweise des Impulsamplitudenmodulators ist in Fig. 6 die Basisspannung Vb-Kollektorstrom Ic-Kennlinie des Transistors 64 dargestellt, wobei mit Vz die durch die Zenerdiode 80 hervorgerufene Sperrspannung bezeichnet ist. Bei Abwesenheit einer Pegelspannung Vg werden die dem Transistor 64 zugeführten Kodeimpulse grösstenteils z. B. bis zu 50 unterdrückt, was durch den Impuls 11 angedeutet ist, während bei Anwesenheit einer Pegelspannung Vg die Kodeimpulse auf diese Pegelspannung überlagert werden (vgl. Impuls I.). wodurch der durchgelassene Teil des Kodeimpulses proportional zur Pegelspannung Vg grösser ist.
Daher tritt an der Kollektorelektrode des Transistors 64 eine Reihe von Kodeimpulsen auf, die sich, wie dies bereits an Hand der Fig. la erläutert wurde und in Fig. 6 dargestellt ist, in der Amplitude praktisch proportional zur Amplitude der Pegelspannung ändert und die bei Zufuhr an das integrierende Netzwerk 34 eine Vergleichsspannung liefern, die eine genaue Annäherung des übertragenen Gesprächssignals bildet.
Fig. 5 zeigt den mit dem Sender zusammenwirkenden, transistorisierten Empfänger.
In dieser Ausführungsform werden die den Eingangsklemmen 82,83 zugeführten, bereits in einem vorgeschalteten Regenerator regenerierten Impulse einem durch einen Kondensator 84 und eine Diode 85 ge - bildeten Gleichspannungsrückbildner zugeführt, wodurch der Fuss der regenerierten Kodeimpulse auf der Spannung der Minusklemme 86 der Speisespannungsquelle fixiert wird.
Die auf diese Weise erhaltenen Kodeimpulse werden in Parallelschaltung zwei Transistorverstärkern 87 und 88 zugeführt, wobei der Kollektorkreis des Transistorverstärkers 88 ein aus Widerständen und Kondensatoren zusammengesetztes Glättungsfilter 27 enthält, um eine sich mit der Impulsdichte ändernde Gleichspannung zu gewinnen. Auf die an Hand der Fig. 4 beschriebene Weise werden auf die Ausgangsspannung des Glättungsfilters 27 durch eine Diode 90 die dem Transistorverstärker 87 entnommenen Kodeimpulse über einen Kondensator 91 überlagert und einem Transistor 92 zugeführt, der durch eine im Emitterkreis wirksame Bezugsspannung gesperrt ist. Ähnlich wie beim Ortsempfänger im Sender nach Fig. 4 wird diese Bezugsspannung einer Zenerdiode 93 entnommen, die über einen Widerstand 94 mit der MinusMemme 86 einer Speisespannungsquelle verbunden ist.
Im Kollektorkreis des Transistors 92 treten, wie dies in Fig. 6 veranschaulicht ist, amplitudenmodulierte Kodeimpulse auf, die über einen Transistor 95 einem integrierenden Netzwerk 15 zugeführt werden, das auf gleiche Weise wie das integrierende Netzwerk 11 im Ortsempfänger des Senders ausgebildet ist.
Die Ausgangsspannung des integrierenden Netzwerkes 15 wird nach Niederfrequenzverstärkung im Verstärker 97 über ein Tiefpassfilter 16 einer Wiedergabevorrichtung 18 zugeführt. Wie bereits bei der Beschreibung zu den Fig. 1, 2 und 3 angegeben wurde, wird durch die Durchführung der Massnahmen nach der Erfindung eine ausserordentliche Verbesserung der Übertragungsqualität bewerkstelligt.
In der Ausführungsform der beschriebenen Einrichtung brauchen zum Erzielen einer vorzüglichen Wiedergabequalität keine besonderen Anforderungen an den Impulsamplitudenmodulator 21,26 sender-
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seitig und empfangsseitig gestellt zu werden, sofern dafür gesorgt wird, dass die Kennlinien der Impuls- amplitudenmodulatoren 21, 26 einander gleich sind.
Es sei noch bemerkt, dass statt der Impulsamplitudenmodulatoren 21,26 nach den Fig. la und 1b in der Einrichtung nach der Erfindung auch ein Impulsdauermodulator benutzt werden kann, der auf bekann- te Weise ausgebildet sein kann. Es können zu diesem Zweck z. B. die Kodeimpulse als Anregeimpulse ei- nem monostabilen Kippschwingungsgenerator zugeführt werden, wobei die Ausgangsspannung des Glät- tungsfilters als Einstellspannung an den monostabilen Kippschwingungsgenerator gelegt ist. In diesen Ein- richtungen entstehen mit der Pegelspannung in der Dauer sich ändernde Kodeimpulse, die nach Integra- tion in dem integrierenden Netzwerk das gleiche Ergebnis wie bei der Amplitudenmodulation der Kode- impulse in den vorstehend geschilderten Ausführungsformen liefern.
Es sei schliesslich noch bemerkt, dass die Massnahmen nach der Erfindung nicht nur bei Deltamodula- tionssystemen, bei denen der Verlauf des übertragenen Signals durch die Anwesenheit und die Abwesen- heit der Kodeimpulse wiedergegeben wird, sondern auch bei Deltamodulationssystemen durchgeführt wer- den können, bei denen das übertragene Signal durch Impulse verschiedener Polarität dargestellt wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Übertragungssystem für Signale mit Impulskodemodulation, wobei der Sender mit einem an einen
Impulsgenerator angeschlossenen Kodemodulatorversehen ist, dessen Ausgangsimpuls nach dem mit dem
Sender zusammenwirkenden Empfänger ausgesandt und ausserdem einem Vergleichskreis mit einem darin enthaltenen Ortsempfänger zum Erzeugen einer Vergleichsspannung zugeführt werden, wobei die Ver- gleichspannung gemeinsam mit dem zu übertragenden Signal einen Differenzbildner.
steuert, um eine Differenzspannung zu erzielen, die im Kodemodulator die Übertragung der vom Impulsgenerator stam- menden Impulse steuert, wobei das Übertragungssystem zur Dynamikregelung mit einer Dynamikregelvorrichtung versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendevorrichtung mit einem durch die übertragenen Signale gespeisten Pegelspannungsgenerator (19,20) versehen ist, dessen Ausgangskreis an einem Punkt im Kreis des Ortsempfängers (6) nach dem Eingang des Kodemodulators (8) angeschlossen ist, während im Ortsempfänger (6) sowie in dem mit dem Sender zusammenwirkenden Empfänger die von dem Kodemodulator ausgesandten Kodeimpulse einem Impulsmodulator (21 ;
26) zugeführt werden, in dem der Energieinhalt der zugeführten Kodeimpulse durch eine geglättete Gleichspannungskomponente moduliert wird, die einem durch die übertragenen Kodeimpulse gespeisten Glättungsfilter (22 ; 27) entnommen wird.