NO851376L - System for multipleksing av digitale signaler. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører et system for multipleksing på en felles hovedåre av et antall analoge inngangssignaler, spesielt der hvor de analoge inngangene er fysisk separert over en avstand.

Typiske eksempler på anvendelsen av oppfinnelsen er et hydrofon lyttesystem hvor det akustiske signalet fra et stort antall hydrofontransdusere må overføres til en enkelt kontroll og databehandlingsenhet. Noen av problemene man møter i et slikt system er som følger: i) Faseforsinkelse. Når et antall hydrofoner er fordelt lineært over en avstand, på la oss si 100 meter, vil det være en absolutt forsinkelsesforskjell mellom ankomsten av analoge signaler ved et felles punkt, f.eks. en multiplekser i den ene enden av systemet, og differensiell frekvensforsinkelse vil oppstå over frekvensbåndet i sig-nalspektret. Begge disse forsinkelser vil forårsake en differensiell forvrengning av hydrofonsignalet.

ii) Kryssmodulasjon. Med et antall signaler som for-planter seg i kanaler i den samme kabelen, vil et nivå

av kryssmodulasjon eksistere mellom disse kanalene. Den-

ne kryssmodulasjonen kan ikke bli fjernet ved filtrering fordi den vil bli i båndet.

iii) Dempning. Dempningen som vil eksistere mellom hy-drofonen og en multiplekser vil være forskjellig for hver kanal, og derfor vil en viss justering eller kallibrering være nødvendig.

iV) Filtrering. Når filtrering blir anvendt på en basis av et filter for hver analog kanal før multipleksing,

vil det måtte være meget nøyaktig og nødvendiggjør kost-bare filterenheter slik at ingen tilleggsforvrengning blir innført på forskjellig måte i de individuelle kanaler .

Disse problemer kan unngås ved å benytte en fullstendig digital fremgangsmåte, dvs. en hvor de individuelle akustiske signaler blir digitalt kodet så nær kilden som mulig før videre transmisjon og multipleksing. Hvis vi ser på

de problemene som er angitt ovenfor, vil en digital fremgangsmåte ha følgende fordeler: 1) Faseforsinkelse. Forsinkelse i de analoge signaler som blir tilført en felles kodeenhet eksisterer ikke lenger. Enhver signalforsinkelse i de digitale signaler kan bli ret-tet opp eller balansert ut, og meget nøyaktige fasesammen-henger vil eksistere mellom alle signalene i de digitale kanalene.

ii) Kryssmodulasjon. Kryssmodulasjonen mellom kanalene vil nå være mellom digitale signaler, og kan bli elimi-nert ved terskeldeteks jon eller tidsdiskriminering.

iii) Dempning. Dempning av de digitale signaler vil ikke representere noen dempning av det analoge signalet.

iV) Filtrering. Filtreringen kan bli utført digitalt ifølge en bestemt regel, denne regelen er den samme for hver kanal, og derfor vil det ikke bli introdusert noen differensiell forvrengning. Videre kan det digitale fil-teret bli multiplekset til å utføre filterfunksjonen på

mer enn en kanal, og derved redusere prisen på filtrering .

Ifølge oppfinnelsen er det sørget for en anordning for digital multipleksing av et antall analoge inngangssignaler inn på en felles hovedåre, anordningen inkluderer m tidsdelte multipleksingenheter, som hver har for hver av n separate analoge inngangssignaler, en signalkanal som består av en anordning for analog til digital omforming, et skiftregister hvor det kodede signal kan bli midlertidig lagret, anordninger for periodisk å lese ut inn holdet av skiftregisteret til en felles utgang for alle n kanaler, klokke og anordning for tidsangivelse og anordning for synkronisering for å kontrollere kodeenheten og skiftregistrene, hvorved det digitalt kodede signalet i det n skiftregisteret blir lest ut til den felles utgang på en på forhånd bestemt sekvens, utgangene fra de m tidsdelte multipleksingsenhetene blir ført til en felles multiplekser, hvor de m utgangene fra n kanaler hver blir multiplekset inn på en felles hovedåre,karakterisert vedat klokke, tidsdelings og synkroniseringsanordningene i de m tidsdelte multipleksingsenhetene er i kaskade, enheten lengst fra den felles multiplekser har klokke og anordning for å generere synkroniseringspulser som genererer de opprinnelige klokke og synkroniseringspulser for de n kanalene i den enheten, hver følgende enhet nærmere den felles multiplekser, og den felles multiplekser i seg selv har anordning for å regenerere de klokke og synkroniseringspulser som blir mottatt fra den foregående enhet, og anordninger for fra de regenererte pulser å finne frem de lokale klokke og synkroniseringspulser som trengs i den enheten eller felles multiplekser.

En av hovedfordelene av oppfinnelsen er at en grunnleggende n kanal, f.eks. 16 kanal enhet er at den kan bli anvendt i et hvert av et antall av systemkonfigurasjoner uten at det er nødvendig å modifisere den grunnleggende enhet. I sammenheng med et hydrofonsystem, er to hovedbruksmåter:

a) et tauet system, og

b) et statisk system.

I et tauet system kunne tre forskjellige konfigurasjoner

være :

a^) en førende enhet som grunnleggende består av en 16-kanal multiplekser på første nivå, med muligheter for å ut-vide forbindelsene til et antall følgende enheter.

aii) Mellomliggende enheter som består av den samme grunnleggende første nivås 16-kanal multiplekser, forbindelsen til denne er ført forover gjennom den førende enheten, og den har også muligheter for å videreføre forbindelsene til andre følgende enheter-

aiii) En enhet i bakkant, som består av den samme grunnleggende første nivå 16-kanal multiplekser, som har sine forbindelser ført forover gjennom de foregående enheter.

Når mer enn en enhet blir slept, trenger ikke utvidelses-mulighetene i hver enhet å være mer enn gjennomgående forbindelser. Utgangene av enhetene blir multiplekset ved en felles gruppemultiplekser.

I et statisk lyttesystem, kan utformingen være et antall første nivå 16-kanal multipleksere som hver er separat forbundet til en felles gruppe-multiplekser. For at en grunnleggende multiplekser-enhet skal være brukbar i enhver av de forannevnte konfigurasjoner, trengs en allsidig innret-ning for å generere klokke og synkroniseringspulser. I de utførelsene som skal beskrives, er tidskretsene utformet for å være både frittløpende og frekvens regenerative kretser. I det tauede system vil således den bakerste enheten generere klokke og synkroniseringspulser for dens eget bruk, og samtidig føre disse forover til den neste enheten som referansepulser. I den neste enheten er tidskretsene frekvens låste til referansepulsene. Uavhengig av overfør-ingsdistansen vil derfor forsinkelsen i både datakanalene og klokke og synkroniseringskanalene bli den samme så langt som til gruppe multiplekseren. Hvis gruppemultiplekseren har tilsvarende tidskretser, vil forplantningsforsinkels-ene bli de samme hele veien gjennom til databehandlingsen-heten på fartøyet som tauer. Utforminger av oppfinnelsen vil nå bli beskrevet med referanser til de medfølgende teg-ninger hvor:

Figur 1 illustrerer den grunnleggende layout av et tauet hydrofonsystem, Figur 2 illustrerer den grunnleggende layout av en 18-kanals multiplekser, og Figur 3 illustrerer de grunnleggende kretsene i enheten i figur 2.

I systemet som er vist i figur 1, blir en enhet 1, heretter betegnet som en hale, tauet i en avstand av la oss si 5 km bak fartøyet (ikke vist) ved hjelp av en tauekabel 2, som kombinerer et styrkeelement med elektriske ledninger, den sistnevnte sørger for elektriske forbindelser mellom utstyret i halen og utstyret ombord på tauefartøyet. I halen er det et transmisjonsmodem 3, en gruppe multiplekser 4, og et antall av kanalmultipleksere 5a, 5b, 5c og 5d. Hver kanalmultiplekser 5a etc. håndterer 16 datakanaler

og to adressekanaler (totalt 18 kanaler). I tillegg har hver enhet også en klokkekanal og en synkroniseringskanal. I en fireenhets hale trengs multiplekseren 4 for å multi-plekse 4 x 18 = 72 kanaler. Modemet 3 trengs for å over-føre de 72 multipleksede kanalene plus de to kanalene som inneholder klokke og synkroniseringspulser.

Figur 2 viser skjematisk en kanalmultiplekser. Hver enhet har 16 analoge innganger fra hydrofoner, som blir ført til individuelle enkeltkanals pulskodere 6. Enheten har også en frittløpende/regenerativ tidskrets 7, som kon-trolerer de enkelte kanalkoderne 6. Når det gjelder den siste enheten er det ingen input til terminalene 8 og 9, og den frittløpende tidskretsen 7 genererer klokke og synkroniseringspulser for de 16 kanalene. To tilleggs-kanaler 10 inneholder generatorer for adresseringskoder. Det totale av 16 + 2 = 18 kanaler blir lest ut perio-

disk i tidsdelt multipleksing via terminal 12. Klokke

og synkroniseringspulsene blir også ført via terminalene 13, 14 til inngangsterminalene (8,9) av den neste enheten, hvor tidskretsen (7) er frekvens og faselåst til de inn-komne pulsene. Endelig inneholder hver enhet forbigåen-

de forbindelser 15, 16 og 17 som er anordnet for å føre forover de tidsdelte multipleksede gruppene av 18 kanaler fra etterfølgende enheter. Karakteristisk, i en m-enhets hale, vil hver enhet ha (m -1) forbipasserende forbindelser, men bare i den første enheten vil alle forbipasserende forbindelser bli utnyttet, mens i den siste enheten vil ingen av dem bli brukt.

Figur 3 viser i større detalj komponentene av enheten i figur 2. Tidskretsen 7 består av en detektor for synkroniseringspulser 7a, som mottar både klokke og synkroniseringspulser fra en etterfølgende enhet (hvis det er noen), en regenerator for synkroniseringspulser 7b, og faselåst oscillator 7c som også mottar klokkepulsene fra den etter-følgende enhet (hvis noen). Klokke og synkroniseringspulsene fra tidskretsen 7 blir ført til de 16 kanalkretsene 6. Hver kanalkrets 6 har en lokal klokke og tidskrets 6a som utleder klokke og taktpulser for den kanalen. Den analoge inngang fra en hydrofon 18 blir først ført til et ana-logt filter og forsterker 6b. Det filtrerte og forsterk-ede signalet blir så lineært kodet i en enkelt kanals koder 6c. En spesielt egnet form av koder, er en hvor det analoge signalet blir først kodet i et pulstetthets modu-lert signal (PDM), hvor den øyeblikkelige amplituden av analogsignalet er representert ved forholdet mellom antall 1 og antall 0 i et binært signal. Mens det i en PDM kanal kan være nødvendig ved høy bitrate for å overføre på en adekvat måte informasjonsinnholdet i det analoge signalet, er etterfølgende signalbehandling av PDM signalet mulig for å gi en pulskodet utgang med en bitrate sammenlignbar med konvensjonelle PCM systemer. Slik signalbehandling er gjengitt i britisk patent 1,436,878 (M.J. Gingell-11).

På det grunnleggende nivå består denne form for signalbehandling av digital filtrering av PDM signalet, og der-etter utvalgt ved hjelp av logiske kretser, av hver qte gruppe av r pulser i det digitalt filtrerte signalet. I det eksemplet som er gitt i det ovenfor nevnte patentet, som er for et telefonsystem, vil et PDM signal som har en PDM rate på 8.06 4 Mb/s betraktes. Etter filtrering kan dette bli betraktet som en vilkårlig strøm av 14-bits ord med en ordrate på 8.064 Mw/s. Hvis nå hvert 50 4de 14-bits ord blir valgt, vil utgangen være et PCM signal på 16 Kw/s. Imidlertid er det åpenbart at i det foreliggende tilfellet som involverer hydrofoner, vil frekvensene, bitratene og ordratene være signifikant forskjellig fra de som er nevnt ovenfor for en telefon-anvendelse. PCM-ordene fra koderen 6c blir midlertidig lagret i et skiftregister 6d. Til riktig tid blir de lagrede ordene lest ut av registeret, og bitene blir registrert ifølge den såkalte "top hat" (bipolar) kode i rekkefølge 6e for overføring til gruppemultiplekseren. De 16 hydrofonkanalene blir betraktet som en gruppe, og assosiert med den gruppen er en adressekode generet i kanal 17 og 18. Hver av disse to kanalene har en lokal klokke og tidskrets 10a, som mottar klokke og synkroniseringspulser fra tidskretsen 7. En generator for adressekode 10b genererer et r-bit (f.eks. 14-bit) ord som blir lagret i skiftregisteret 10c og registrert i koderen 10d på nøyaktig samme måte som PCM ordene i de 16 hydrofonkanalene. Både kanal 16 og 17 genererer det samme ordet, de to adresseordene danner sammen effektivt en 2 r-bit kode.

I praksis er hver enhet 5a etc. fabrikert som et sett

av trykte kretser forbundet med tvunnede par av ledere, fordelt over en avstand av kanskje 100 meter for å gi adekvat avstand mellom de individuelle hydrofoner.

Hele halen kan således være over 400 meter i lengde.

Ved gruppemultiplekseren 4 blir de fire PCM gruppene med 18 kanaler hver multiplekset etter kjente teknikker for overføring via modemet 3 og tauekabelen 2 til tauefartøyet.

Claims (5)

1. Anordning for digital multipleksing inn på en felles hovedåre av et antall analoge inngangssignaler, arrange-mentet inkluderer m tidsdelte multipleksingsenheter, som hver har for hver av n separate analoge inngangssignaler en signalkanal som består av en anordning for analog til digital koding, et skiftregister hvor utgangen fra kode-anordningen kan bli midlertidig lagret, anordninger for periodisk å lese ut innholdet av skiftregisteret til en utgang som er felles for alle n kanaler, klokke og tids-anordninger og synkroniseringsanordninger for å kontrollere kode og skiftregistrene, hvorved det digitalt kodede signalet i de n skiftregistrene blir lest ut til en felles utgang i en på forhånd bestemt multiplekset sekvens, utgangene fra de m tidsdelte multipleksingsenhetene blir ført til en felles multiplekser hvor de m utgangene av n kanaler hver blir multiplekset inn på en felles hovedåre, karakterisert ved at klokke, tids-og synkroniseringsanordningene i de m tidsdelte multi-pleksings enhetene er i kaskade, enheten lengst fra den felles multiplekser har anordninger for å generere klokke og synkroniseringsenheter som genererer de opprinnelige klokke og synkroniseringspulsene for de n kanalene i den enheten, hver påfølgende enhet nærmere den felles multiplekseren, og den felles multiplekseren selv har anordninger for å regenerere klokke og synkroniseringspulser som blir mottatt fra den foregående enhet, og anordninger for å utlede fra de regenererte pulsene de lokale klokke og synkroniseringspulser som trengs i den enheten eller felles multiplekser.

2. Anordning ifølge krav 1, karakterisert v e d at anordninger for analog til digital omforming for hver kanal inkluderer anordninger for å kode det analoge inngangssignalet til et pulstetthets-moduler.t (PDM) signal, hvor den øyeblikkelige amplituden av analogsignalet er representert ved forholdet mellom antall 1 til antall 0 i et binært signal, anordninger for digitalt å filtrere PDM signalet, og anordninger for å velge hver qte gruppe av v pulser i det digitalt signalet for å gi et pulskodet utgangssignal.

3. Anordning ifølge krav 2, karakterisert ved at anordningene for analog til digital signal for hver kanal, videre inkluderer anordninger for å registrere den binært pulskodede utgang fra skiftregisteret for overfør-ing til den felles multiplekser.

4. Anordning ifølge ethvert foregående krav, karakterisert ved at hver av de m tidsdelte multipleksingsenhetene er forsynt med m-l uavhengige forbind-elsesvegger i parallell hvorved de m enhetene kan bli forbundet i serie med hverandre slik at mens klokke, tids- og synkroniseringsanordningene i de m enhetene og den felles multiplekseren er i kaskader, blir utgangene fra de m enhetene ført i parallell til den felles multiplekser.

5. Anordning ifølge et hvert av de foregående krav, karakterisert ved at hver av de m tidsdelte multipleksingsenhetene inkluderer minst en videre tids-kanal multiplekset med de n kanalene, den videre kanal eller kanaler har ikke en analog input, men har anordninger for å generere kodeord i den hensikt å generere et adressekodeord, eller ord for den assosierte gruppe av n kanaler i den enheten.