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Verfahren und Einrichtung zur Umwandlung eines Analogsignals in ein
Signal von Digitalform Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Umwandlung
eines Analogsignals in ein Signal von Digitalform, insbesondere für Zwecke der f7bertragung
von Informationen mittels Impuls-Code-Modulation.
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Für die Umwandlung eines Analogsignals in ein Signal von Digitalform
sind im wesentlichen drei Verfahren bekannt. Allen Verfahren ist gemeinsam, daß
aus dem Analogsignal ein Momentanwert in gewissen Zeitabständen entnommen und auf
seinen Amplitudenwert mit einem einen bestimmten Amplitudenwert aufweisenden Normsignal
verglichen wird. Bei dem ersten der drei Verfahren (Zählmethode) wendet man nur
ein einziges Normsignal an und stellt lediglich fest, wie oft dieses Normsignal
in dem Abtastwert des Analogsignals enthalten ist. Bei dem zweiten Verfahren, das
auch Iterationsmethode genannt wird, wendet man mehrere, vorzugsweise dual in der
Amplitude gestaffelte Normsignale in der Weise an, daß zunächst mit dem größten
Normsignal festgestellt wird, ob es kleiner oder größer als der Abtastwert des Analogsignals
ist. Dann wird, falls vorhanden, für den Amplitudenrest des Abtastsignals diese
Probe gegebenenfalls noch mit den anderen kleineren Normsignalen wiederholt. Beim
dritten bekannten Verfahren werden alle überhaupt möglichen Normsignal-Amplitudenwerte
gleichzeitig mit dem Abtastwert des Analogsignals verglichen, und nur der am besten
mit dem Abtastwert übereinstimmende Normsignalwert wird ausgewertet.
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Diese Verfahren sind hinsichtlich gerätemäßigem und zeitlichem Aufwand
untereinander verschieden zu werten. Bei Verwendung nur eines Normsignals ist zwar
der apparative Aufwand relativ gering. Die Anzahl der zu wiederholenden Takte ist
aber sehr groß. Bei dem letztgenannten Verfahren ist der apparative Aufwand am größten,
die Gewinnung der gewünschten Digitalangabe erfordert aber die geringste Zeit, nämlich
nur einen Takt. Beim zweiten Verfahren wird ein mittlerer Wert zwischen Aufwand
und Zeit erhalten.
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Wie der Erfindung zugrunde liegende Untersuchungen gezeigt haben,
lassen sich aber besonders günstige Verhältnisse hinsichtlich apparativem Aufwand
und zeitlichem Aufwand dann erreichen, wenn ein Zwischenverfahren zwischen dem ersten
und dem zweiten der drei erläuterten Verfahren angewendet wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Umwandlung eines Analogsignals
in ein Signal von Digitalform, insbesondere für Zwecke der Übertragung von Informationen
mittels Impuls-Code-Modulation, bei dem ein mehrmaliger Amplitudenvergleich des
Analogsignals mit Normsignalen vorgegebenen Amplitudenwertes durchgeführt und die
Anzahl und der Amplitudenwert der dabei zur Bildung des Analogsignal-Amplitudenwertes
erforderlichen Normsignale für die Ableitung des Signals in Digitalform ausgewertet
wird (Zählmethode), ist gekennzeichnet durch folgende Merkmale: a) Es werden, wie
aus der Iterationsmethode bekannt, wenigstens zwei unterschiedlichen Amplitudenwert
aufweisende Normsignale erzeugt; b) das in der Amplitude jeweils größte Normsignal
wird von dem Analogsignal so oft abgezogen, bis ein Differenzsignal entsteht, dessen
Amplitudenwert kleiner als der dieses Normsignals ist; e) von dem Differenzsignal
wird jeweils das nächstkleinere Normsignal so oft abgezogen, bis ein Restsignal
verbleibt, das einen kleineren Amplitudenwert als das kleinste Normsignal hat; d)
aus der Anzahl der vom Analogsignal abgezogenen Normsignale der verschiedenen Amplitudenwerte
wird das Signal in Digitalform abgeleitet.
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Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn dual oder dezimal in der
Amplitude gestaffelte Normsignale verwendet werden.
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Eine vorteilhafte Einrichtung zur Ausübung eines Verfahrens nach der
Erfindung besteht darin, daß eine erste Differenzbildungsstufe vorgesehen ist, die
mit ihrem einen Eingang den Eingang für das Analogsignal bildet und deren anderer
Eingang mit einem Generator für ein treppenförmig in der Amplitude gestaffeltes
Normsignal verbunden ist, dessen Stufenhöhe dem Amplitudenwert des größten Normsignals
entspricht, und daß Mittel vorgesehen sind, die am zweiten Eingang der Differenzbildungsstufe
das
Potential des treppenförmig gestuften Normsignals festhalten,
wenn am Ausgang der Differenzschaltung die Differenz aus den beiden Signalen ihr
Vorzeichen umkehrt, und daß diese Art der Vergleichsschaltung für jedes Normsignal
in der Weise vorgesehen ist, daß jeweils die Vergleichsschaltung für das niedrigere
Normsignal mit dem Differenzausgang der Differenzschaltung für das höhere Normsignal
verbunden ist und daß außerdem eine Einrichtung zur Zählung der einzelnen angewendeten
Normsignale unter Bewertung ihres Amplitudenwertes vorgesehen ist, die das Ergebnis
als Signal in Digitalform ausgibt.
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Bei der Erfindung wird von folgenden überlegungen ausgegangen. Der
Nachteil der an und für sich recht einfachen Zählmethode ist die große Anzahl der
erforderlichen Rechenschritte. Es sind wenigstens (m-1)-Schritte nötig, wenn m Amplitudenstufen
vorgesehen sind.
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Diese Zahl läßt sich wesentlich reduzieren, wenn man z. B. außer dem
bei der Zählmethode vorkommenden Normal der Größe 1 ein zweites Normal von der doppelten
Größe verwendet. Man beginnt dann die Messung mit dem Normal 2 und kommt dadurch
doppelt so schnell voran. Erst am Ende der Messung mit der groben Unterteilung 2,
durch die also der Analogwert auf gerade Zahlen genau bestimmt wurde, schließt man
noch eine Messung mit dem Normal 1 an und erhält auf diese Weise die geforderte
Genauigkeit auf 1 genau. Man macht also das Rechenprogramm so, daß nach jedem Vergleich
um 2 weitergegangen wird. Ergibt sich nach einem Vergleich, daß das jeweils um das
Normal 2 verlängerte Maß größer als der Analogwertrest geworden ist, ersetzt man
die letzte Verlängerung um 2 durch eine solche um das Normal 1 und findet dadurch
den richtigen Wert. Zweckmäßigerweise läßt man - falls vorher kein Vergleich gefunden
wurde - das jeweilige Weitergehen um 2 bis zu dem Wert (m -2) laufen. Nimmt man
beispielsweise m = 256 an, dann sind dies 127 Schritte. Den nächsten Amplitudenvergleich
macht man in diesem Fall mit einer Verlängerung um 1 und hat dann bei dem
128. Schritt den Wert 255 erreicht. Damit sind genügend Amplitudenvergleiche
gemacht, um den Analogwert zu bestimmen. Findet man nämlich bei 255 keinen Vergleich,
so weiß man, ohne einen weiteren Vergleich machen zu müssen, daß die Analoggröße
den Wert 256 hat. Dieses Verfahren erfordert also z. B. bei zwei Normalen und m
= 256 Amplitudenstufen maximal 128 Schritte. Die eben beschriebene Codiermöglichkeit
ist nur ein spezieller Fall der erweiterten Zählmethode. Das gleiche Prinzip läßt
sich auch mit drei oder mehr Normalen durchführen. Wählt man für den Fall von drei
Normalen die Größen 3, 2 und 1, so beginnt man den Vergleich mit dem Normal 3 und
verbessert das damit erhaltene Ergebnis zunächst durch das Normal 2 und schließlich
durch das Normal 1. Im Fall von m = 256 erfordert dieses Verfahren wenigstens 87
Schritte zur Unterscheidung zwischen den Amplitudenwerten 255 und 256.
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Die Auswahl der Normale - 3, 2 und 1 - ist indes nicht optimal für
das 3-Normal-Verfahren. Wesentlich weniger Rechenschritte sind nötig, wenn Normale
mit den Werten 4, 2 und 1 verwendet werden. Die maximale Schrittzahl für m = 256
- sie ergibt sich wieder, wenn die Analoggröße den Wert 255 oder 256 hat - ermittelt
man wie folgt. Man verlängert zunächst im Viererrythmus bis zum vorletzten Wert
256-4=252. Hätte man mit dem Normal 4 bis zum Maximalwert gezählt, wären 256: 4
= 64 Schritte erforderlich; bis zum vorletzten Wert sind es (256: 4) -1 = 63 Schritte.
Bisher hat man erst vom Normal 4 Gebrauch gemacht, nun benötigt man die anderen
beiden. Der nächste Vergleich wird mit dem Normal t durchgeführt, dies ist der 64.
Schritt, der zum Wert 254 führt, und schließlich der letzte, der 65. Schritt, der
mit dem Normal 1 den Wert 255 bzw. 256 ergibt. Bei drei Normalen sind also nach
der erweiterten Zählmethode 65 Schritte nötig.
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Die gleiche Betrachtung zur Ermittlung der Rechenschritte soll nun
in allgemeiner Form wiederholt werden. h ist die Anzahl der Normale. Die Normale
haben die Werte 2j1-1, 2h-2, 2'1-s ... 22, 21 und 20. Zunächst wird
das größte Normal mit dem Wert 2h-1 verwendet, mit dem um einen Schritt weniger
als bis zum Maximalwert m gezählt wird. Bis zum Maximalwert sind es
, bis zu dem hier gesuchten vorletzten Wert -
Schritt. Von den insgesamt vorhandenen h Normalen wurde erst eines gebraucht. Jetzt
werden die restlichen h-1 Normale benutzt, und zwar jedes gerade einmal, so daß
noch h-1 Schritte hinzukommen. Ist i die Anzahl der Schritte, dann
ergibt sich
Es ist sinnvoll, dieses Verfahren bis zu einer Normalzahl von h=lb m anzuwenden.
In nachstehender Tabelle sind, wieder für das Beispiel m = 256, einige Daten der
erweiterten Zählmethode angegeben. Zahl der Größe der Normale Schritte Normale (Takte)
h 2j1-1, 2j1-2 ... 4, 2, 1 i 1 1 255 2 2, 1 128 3 4, 2, 1 65 4 8, 4, 2, I
34 7. 64,.32,.16 , 8, 4, 2, 1 . .9 8 128, 64, 32, 16, 8, 4, 2, 1 8 Die hier vorgeschlagenen
erweiterten Zählmethoden liegen nach Aufwand und Leistungsfähigkeit zwischen der
klassischen Zählmethode und der klassischen Iterationsmethode, in die sie auch übergehen.
Dies zeigt auch die Tabelle. Der spezielle Fall der erweiterten Zählmethode mit
h = 1 ist direkt die klassische Zählmethode, ein anderer spezieller Fall mit
h = 1b m = 8 ist direkt die klassische Iterationsmethode. 1b bedeutet
hierbei den Logarithmus zur Basis 2, der manchmal auch log, geschrieben wird.
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Nachstehend wird noch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
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Die F i g. 1 zeigt als Beispiel den Amplitudenverlauf eines Analogsignals
A in Abhängigkeit von der Zeit t in Form eines Diagramms. Wie in der F i g. 1 angedeutet,
werden in der Regel bei Puls-Code-Modulation dem Analogsignal in äquidistanten Zeitabständen
to kurze Amplitudenproben S1 der Zeitdauer d t entnommen. Diese Amplitudenproben
S1
werden bei Puls-Code-Modulation in der einleitend
geschilderten
Art lediglich als Information in Form von Signalfolgen, beispielsweise in einem
Binärcode, übertragen, und aus diesen Signalfolgen wird empfangsseitig ein dem ursprünglichen
Amplitudenprobenwert entsprechender Analogsignalwert wiedergewonnen. Die zeitliche
Folge der so auf der Empfangsseite erhaltenen Folge von Analogsignalwerten gibt
dann durch Anwendung eines Tiefpaßfilters in an sich bekannter Weise das ursprüngliche
Analog-Signal wieder.
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Die F i g. 2 zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen
Einrichtung zur sendeseitigen Umwandlung der Amplitudenprobenfolge S 1 in die den
einzelnen Proben jeweils entsprechenden Code-Signale. Die Folge S1 von Amplitudenproben
wird einem Amplitudenvergleicher 1 zugeführt, dem zusätzlich noch Normsignale S2
über eine zweite Eingangsleitung zum Vergleich eingespeist werden. Der Amplitudenvergleicher
1 ist eine Schaltung, die die Differenz (S1 - S2) bildet und nur dann in ihrem Ausgang
ein Signal abgibt, wenn das Signal S2 den Amplitudenwert des Signals SI überschreitet.
Die Quelle für das Signal S2 ist mit 2 bezeichnet.
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In der F i g. 3 ist die Form der Signale S1 und S2 gezeigt. S 1 hat
während einer längeren Zeitdauer am Eingang der Stufe 1 einen konstanten Amplitudenwert,
nämlich den der jeweils zu codierenden Abtastprobe. S2 hat einen treppenartigen
Amplitudenverlauf. Die Stufenhöhe Ao entspricht dabei dem Amplitudenwert des größten
anzuwendenden Normsignals. Durch die treppenartige Formung der Signalfolge S2 wird
erreicht, daß diese zu einer ganz definierten Zeit tx den Amplitudenwert des Signals
S1 überschreitet. Mit dem überschreiten dieses Amplitudenwertes von S1 durch S2
gibt der Ausgang der Differenzbildungsstufe 1 erstmalig ein Ausgangssignal
ab, und zwar mit dem Amplitudenwert (S1-52). Gleichzeitig wird beim Auftreten dieses
Ausgangssignals (S1-52) in einer Stufe 3 ein Schaltbefehl abgeleitet, der
die Quelle derart steuert, daß ein weiteres Ansteigen der Amplitude des treppenartigen
Signals S2 unterbleibt. Vor dem Eingang der Stufe 1 wird ferner die treppenartige
Spannung S2 abgezweigt und einer Differenzierstufe 5 zugeführt, die in ihrem Ausgang
jeweils beim Amplitudensprung um den Wert A, einen kurzen Impuls an die Zähleinrichtung
6 abgibt, die, wie später noch zu erläutern, alle ihr zugeführten Impulse zählt
und für die Dauer einer Abtastprobe zu einem Codesignal umwandelt.
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Auf die vorhergehend erläuterte Weise wird (vgl. F i g. 3) beim Ausführungsbeispiel
die Information erhalten, daß in dem Amplitudenwert S 1 fünfmal der Amplitudenwert
A" des Normalsignals enthalten ist und daß die Hinzufügung eines sechsten Amplitudenwertes
Ao ein Signal ergibt, das größer als der Amplitudenwert von S 1 ist. Es muß demzufolge
nur noch unterschieden werden, ob die Differenz x zwischen der fünften Amplitudenstufe
von S2 und S1 größer oder kleiner als das nächste anzuwendende Normsignal ist. Ordnet
man z. B. aus Vereinfachungsgründen Ao den Amplitudenwert 2 zu, so wäre beispielsweise
der nächstkleinere Normwert A 1 = 1. Im Ausgang der Stufe 1 ist aber nicht das Signal
mit der Amplitude x, sondern ein Signal mit der Amplitudendifferenz (S1-S2) vorhanden,
wobei S2 größer als S1 ist. Der Amplitudenwert (S1-SZ) entspricht jedoch zusammen
mit dem Amplitudenwert A, des größten Normsignals dem Wert x, so daß aus dem Wert
(S1- S2) unmittelbar auf x geschlossen werden kann. Ist nämlich (S1-52) betragsmäßig
kleiner als das nächste niedrige Normsignal mit dem Amplitudenwert A 1 =
1, so ist x größer als der Amplitudenwert des Normsignals A 1. Umgekehrt,
ist (S 1-S2) größer als A 1, dann ist x kleiner als A 1.
Die
Beurteilung des Amplitudenrestes (S1-52) hinsichtlich seiner Amplitudeneinstufung
erfordert also nur einen einzigen Schritt, um sofort ein eindeutiges Ergebnis zu
erhalten. Zu diesem Zweck wird die Amplitudendifferenz (S1- S2) einer weiteren Amplitudenvergleichsstufe
8 zugeführt, die außerdem noch von 7 das nächstkleinere Normsignal (A 1 = 1) eingespeist
erhält. Diese Amplitudenvergleichsstufe 8 arbeitet genau wie die Amplitudenvergleichsstufe
1, d. h., sie gibt ein Ausgangssignal (S1-S2-S3) nur dann ab, wenn S3 größer als
(S1-S2) ist. S3 hat dabei einen Amplitudenwert A 1 = 1. Ist dieser Amplitudenwert
A 1 von S3 größer als (S1- S2), so bedeutet dies, daß x größer
als A 1= 1 ist. Der im Ausgang der Amplitudenvergleichsstufe 8 entstehende
Ausgangsschaltvorgang wird deshalb einer Differenzierstufe 9 zugeführt, die einen
entsprechenden Zählimpuls in die Zähleinrichtung 6 einspeist.
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Man hat also im vorliegenden Fall zur quantenmäßigen Amplitudenmessung
des Amplitudenwertes A x des Signals S1 zunächst sechs kurze Zählimpulse
in der Stufe 5 erhalten, die angeben, daß sechsmal der Amplitudenwert A, = 2 angewendet
wurde, und weiterhin hat man einen Impuls vom Ausgang der Stufe 8 über die Stufe
9 erhalten, der angibt, daß einmal der Amplitudenwert A 1= 1 von diesem Ergebnis
abgezogen werden muß. Mit anderen Worten bedeutet dies, der Amplitudenwert A x umfaßt
fünfmal das größte Normsignal mit dem Amplitudenwert A, und als beste Näherung einmal
noch den Amplitudenwert A 1= 1.
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Werden, wie vorstehend bereits angedeutet, mehr als zwei Normsignale
angewendet, so ist für diese weiteren Amplitudenvergleiche ebenso zu verfahren,
wie vorstehend für das Normsignal A 1 = 1 erläutert.
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Auf eine spezielle Beschreibung derAmplitudenvergleicherstufe 1, 8
und auf eine spezielle Beschreibung der Generatoren 2, 7 wurde verzichtet, weil
die Ausbildung derartiger Stufen an sich Stand der Technik ist und sich ausführliche
Angaben hierüber bereits in der Literatur finden. Als Amplitudenvergleicher käme
z. B. ein Differenzverstärker in Frage. So ist z. B. hinsichtlich des Amplitudenvergleichers
vor allem an die Verwendung eines Differenzverstärkers gedacht, wie er in dem Buch
»Waveforms«, McGraw-Hill Book Company, 1.9.19, S. 325 bis 363, insbesondere S. 358
bis 363, behandelt ist. Auch an Multiarschaltungen ist gedacht. Generatoren, die
eine treppenartige Spannung abgeben (vgl. F i g. 3, Signal S2), sind in dem
gleichen Buch behandelt, und zwar auf den S. 293 bis 295, sowie in dem Buch »Theorie
und Technik der Pulsmodulation« von E. H ö 1 z 1 e r und H. H o 1 z w a r t h, Springer-Verlag,
1957, S. 245 bis 248. Das letztgenannte Buch behandelt auf den Seiten 169 bis 188
ausführlich auch die Differenzierungsschaltungen. Das gleiche gilt für die Zähleinheit
6.
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Wenn die Amplitudenprobe zeitlich kürzer ist als die für den gesamten
Umsetzungsvorgang benötigte Zeit, dann empfiehlt es sich, so wie in der F i g. 2
gestrichelt angedeutet, einen Speicher Sp für den jeweiligen AbtastwertSl zumindest
der Stufet vorzuschalten,
der jeweils dann gelöscht wird, wenn die
einzelne Abtastprobe S1 in das entsprechende Digitalsignal umgeformt ist.
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Beim Ausführungsbeispiel der F i g. 2 kann die Differenzierstufe 5
auch an den Ausgang des Amplitudenvergleichers 1 angeschaltet werden, wenn es sich
bei diesem beispielsweise um einen Differenzverstärker handelt, in dessen Ausgang
die dort auftretende Ausgangsspannung erst zur Zeit tx ihr Vorzeichen umkehrt, jedoch
im übrigen von einem hohen Amplitudenwert der ursprünglichen Polarität ihren Wert
in Übereinstimmung mit dem stufenförmigen Signal S2 verringert. Die Differenzierung
dieser Amplitudensprünge unterhalb des Wertes A x ergibt dann so viele Impulse,
als Stufen von A, benötigt werden, um gerade noch unterhalb A x zu bleiben.