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s'Asynchroner Deltamodulator" Die Erfindung betrifft einen asynchronen
Deltamodulator zur adaptiven Digitalisierung von analogen Signalen, bei dem das
Differenzsignal zwischen dem augenblicklichen Analogsignal und einem Prädiktorsignal
als Kriterium für die Polarität zu bildenden des/binären Ausgangssignals dient.
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Im Bestreben, analoge Signale wie Sprache bzw. Videosignale digital
zu verarbeiten, sind verschiedene Verfahren zur Umwandlung analoger Signale in eine
digitale Form entwickelt
worden. Das zu verarbeitende Analogsignal
läßt sich jedoch prinzipiell bei allen Verfahren /nur mit begrenzter Genauigkeit
aus dem digitalisierten Signal zurückgewinnen.
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Das Ziel aller I)igitalisierungsverfahren besteht nun darin, bei möglichst
geringem Schaltungsaufwand und geringer Bitrate am Ausgang eine bestmögliche Wiedergabequalität
zu erreichen.
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Unter den bekannten Verfahren benötigt die Delta-Modulation (IEEE
Spektrum, Okt. 1970, 5. 69 - 78) als einfache Art der Delta-Puls-Code-Modulation
(DPCM) einen besonders geringen Schaltungsaufwand, weshalb ihr eine relativ große
praktische Bedeutung zukommt.
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Nachteilig bei der Delta Modulation ist jedoch die relativ hohe Bitrate,
die man vorzugsweise mit Eompandierungsverfahren (IEEE Trans.Com. 19; No. 4, Aug.
71, p. 570) bei gleichbleibender Wiedergabequalität zu verringern versucht.
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Aus der Literatur sind taktgesteuerte oder synchrone Deltamodulatoren
bekannt, die nur ein einziges Quantisiertingsin
tervall besitzen,
zum jeweiligen Taktzeitpunkt den Momenihn tanwert des Eingangssignals abfragen und/mit
dem vorher übertragenen Signal vergleichen. Dabei verhindert der ständige Vergleich
des Eingangssignals mit dem jeweils vorher übertragenen Signal ein Anwachsen oder
eine Fortpflanzung eines einmal gemachten Quantisierungsfehlers.
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Nachteilig bei dieser Delta-Modulation ist die hohe Bitrate am Modulatorausgang
von ca. 56 k Bit/s bei einem Signal/Rauschverhältnis von S/N46 dB (Philips Technical
Review, 1970, Vol. 31, No. 11/12, pp. 335 - 353), weshalb an Stelle des relativ
einfachen linearen Prädiktors komplizierte Schaltungen mit Kompandierungseigenschaften
(Electronic Letters, April 1970, Vol. 6, No. 9, pp. 272 - 274) verwendet werden,
um bei gleichbleibender Wiedergabequalität die Bitrate zu verringern.
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Aus der Zeitschrift Electronic and communication in Japan, 49, March
1966, pp. 34 - 42 ist ein asynchroner Deltamodulator bekannt. Er unterscheidet sich
von dem getakteten Deltamodulator vor allem in drei Punkten:
1.
Der asynchrone Deltamodulator benötigt keinen externen Cakt, Die Steuerung der erzeugten
Ausgangsimpulse wird in Abhängigkeit vom Eingangssignal und dem vom Prädiktor erzeugten
Signal vorgenommen. An seinem Ausgang liefert er bipolare Impulse, deren Flanken
völlig unregelmäßig erscheinen.
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2. Die Information ist in den Flanken des digitalen Signals enthalten.
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3. Der Deltamodulator enthält einen zusätzlichen Impulsgenerator.
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Das bekannte Verfahren weist jedoch einen relativ hohen Schaltungsaufwand
auf.
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Ferner ist ein asymmetrischer Deltamodulator bekannt, der aus einer
Differenzstufe mit nachgeschaltetem symmetrischem Begrenzer mit Hysterese besteht
und bei dem das Ausgangssignal des Begrenzers integriert und mit dem Eingangssignal
verglichen wird (Electronic Letters, Jan. 1966, Vol. 2, No. 1, S. 7 - 9). Hier wird
zunächst die Differenz zwischen Eingangs- und Prädiktorsignal und anschließend-in
dem symmetrischen Begrenzer mit Hysterese festgestellt, ob der Betrag-der Abweichung
einen vorgegebenen Wert überschreitet. Es sind zur Realisierung der
Schaltung
beispielsweise zwei Differenzverstärker erforderlicht von denen der erste in der
Differenzstuf, der zweite als symmetrischer Begrenzer mit Hysterese verwendet wird.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, den Stand der technik zu verbessern,
insbesondere soll der Schaltungsaufwand des asynchronen Deltamodulators reduziert
werden.
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Diese Aufgabe wird gemäß der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung gelöst.
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Durch die erfindungsgemäße Lösung ist es nunmehr möglich, einen asynchronen
Deltamodulator zu realisieren, der mit einem sehr geringen Schaltungsaufwand auskommt.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind
in den Unteransprüchen angegeben.
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Durch die Ausgestaltungen der Erfindung gemäß den Ansprüchen 2 und
3 läßt sich der asynchrone Deltamodulator den charakteristischen Eigenschaften des
zu modulierenden Signals optimal anpassen. So ermöglicht die Ausgestaltung nach
Anspruch 3 die Anpassung des Modulators an beispielsweise sinusförmige Eingangssignale.
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Die erfindungs gemäße Lösung benötigt keine Impuls generatoren, sondern
lediglich einen einzigen Differenzverstärker, der so beschaltet ist, daß die Schaltung
eine Hysterese aufweist.
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Im folgenden wird nun die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels
naher erläutert. Es zeigen: Figur 1 Blockschaltbild des erfindungsgemäßen asynchronen
Deltamodulators.
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Figur 2 Zeitdiagramm zum asynchronen Deltamodulator.
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In Figur 1 ist ein Blockschaltbild eines asynchronen Deltamodulators
gemäß der Erfindung dargestellt. Das analoge Eingangssignal s gelangt zu einem ersten
Eingang E1 eines Differenzverstärkers 1. Der Ausgang A des Differenzverstärkers
ist gleichzeitig Ausgang des asynchronen Deltamodulators.
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Das Ausgangs signal k des Differenzverstärkers gelangt ferner über
einen Prädiktor 2 zum zweiten Eingang E2 des Differenzverstärkers.
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Als Prcdiktor kann ein Integrator, bestehend aus einem durch einen
Kondensator rückgekoppelten Operationsverstärker verwendet werden, oder auch einfach
eine geeignete RG-Kombination, wie z. B. nachfolgend beschrieben.
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Besonders vorteilhaft ist es, einen Prädiktor gemäß Figur 1 zu verwenden.
Dieser Prädiktor besteht aus der Reihenschaltung der Widerstände R1, R2 und R3 und
des Kondensators C2, dessen freies Ende an das Bezugspotential gelegt ist. Zwischen
dem Verbindungspunkt der Widerstände R1 und R2 und dem Bezugspotential ist zusätzlich
ein Kondensator C1 geschaltet.
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Das freie Ende des Widerstandes R1 stellt den Eingang des Prädiktors
dar, der mit dem Ausgang des Differenzverstärkers verbunden ist und der Verbindungspunkt
der Widerstände R2 und R3 bildet den Ausgang des Prädiktors, der das Signal y an
den Eingang E2 des Differenzverstärkers abgibt.
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Erfindungsgemäß ist der Differenzverstärker so beschaltet, daß die
Schaltung eine Hysterese aufweist. Die Hysterese läßt sich erfindungsgemäß mittels
eines üblichen Differenzverstärkers und zweier Widerstände realisieren. Hierzu wird,
wie in Figur 1 gezeigt, der eine Eingang E1 über einen ersten Widerstand R6 und
der Ausgang A über einen zweiten Widerstand R7 mit dem ersten positiven Eingang
Eo s des Differenzverstärkers 11 verbunden. Der andere Eingang E2 und der Ausgang
entsprechen demzweiten Eingang bzw. dem Ausgang des Differenzverstärkers, Die gewünschte
Hysterese des Differenzverstärkers ist hier durch die Wahl der Widerstandswerte
der Widerstände R6 und/oder R7 einstellbar.
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Beispielsweise wächst die Hysteresespannung, wenn der Widerstandswert
des Widerstandes R7 verringert wird.
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In Figur 2 ist ein Zeitdiagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise des
erfindungsgemäßen asynchronen Deltamodulators dargestellt.
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Figur 2a zeigt als Beispiel das Eingangssignal s mit dem Verlauf s
= O für die Zeiten t # to und s - e-a(t-tO) für die Zeiten tto Das Ausgangssignal
y des Prädiktors ist zum besseren Verständnis in das gleiche Diagramm strichliert
eingezeichnet. Differenzverstärkers Figur 2b zeigt das Ausgangssignal des / rund
damit des asynchronen Deltamodulators in Abhängigkeit von der Zeit.
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Immer wenn die Abweichung zwischen dem Eingangssignal s und dem Ausgangssignal
y des Prädiktors den Betrag der Hysteresespannung Uh überschreitet, wechselt der
Ausgang des Differenzversarers / seln Vorzeichen.
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Bei konstantem Verlauf der Eingangs spannung hat die nachgebildete
Spannung y den gleichen wellenförmigen Verlauf wie diejenige eines synchronen Deltamodulators.
Auch der Sprung an der Stelle to wird gleichermaßen schlecht wiedergegeben.
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Eine bemerkenswerte Verbesserung wird jedoch in den Bereichen
geringer
bis mittlerer Steigung des Eingangssignals erreicht, wenn diese die Steigung des
Prädiktors nicht übertrifft, da bei fehlendem Zeitraster und /bei der Schaltung
des hier gewählten und in Figur 1 dargestellten Prädiktors das nachgebildete Signal
y höchstens um Differenzverstärkers den Betrag der Hysteresespannung des -- - /
vom Eingang signal s abweicht. Dies macht sich in einem besseren Signal/ Rausch-Verhältnis
und vor allem in einer guten Sprachverständlichkeit, die einem analogen System entspricht,
bemerkbar.
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Die mittlere Zeichenwechselfrequenz des erfindungsgemäßen asynchronen
Deltamodulators beim Eingangs signal s = 0 hängt von der Höhe der Hysteresespannung
Uh ab. Durch geeignete Wahl der Widerstände R6 und R7 läßt sich die ZeRtenwechselfrequenz
entsprechend dem vorgesehenen Einsatz des Modulators den aeweiligen Verhältnissen
optimal anpassen.
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Ein weiterer Grund für die besonders gute Sprachverständlichkeit der
demodulierten Signale des asynchronen Deltamodulators liegt darin, daß die Grundfrequenz
des digitalen Ausgangsignals des Modulators und somit die Grundfrequenz des nachgebildeten
Signals des empfangsseitigen Prädiktors immer exakt mit der Grundfrequenz des Eingangssignals
übereinstimmt. Selbst
wenn der Prädiktor bei höheren Frequenzen
und Amplituden des Eingangssignals s hinsichtlich des Anstiegs seines Ausgangssignals
überfordert ist, so gibt er doch zumindest die Grundwelle des ursprünglichen Signales
s exakt wieder.
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Empfangsseitig besteht der Demodulator, der zur Demodulation der vom
erfindungsgemäßen asynchronen Deltamodulator gelieferten binären Ausgangssignale
gehört, aus dem gleichartig aufgebauten Prädiktor des Modulators und einem nachgeschalteten
Tiefpassfilter, welches das Nutzsignal von den störenden Anteilen der Zeichenwechselfrequenz
trennt.
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Der erfindungsgemäße Modulator hat außer dm sehr geringen Schaltungsaufwand
den Vorteil, daß er sich mit Ausnahme der Kondensatoren G1 und C2 problemlos integrieren
läßt.