Wzmacniacz. Bell PCM T1

Wzmacniacz. Bell PCM T1

Bell w 1961 roku rozpoczął szeroki test pierwszego w świecie telefonicznego systemu PCM o nazwie T1. System szczegółowo opisano w BSTJ 1962 , January, o objętości 383 stron. Podano rozważania teoretyczne i szczegóły realizacji systemu.

W zamierzeniu system eksperymentalny wdrożono do produkcji !

Praktyczna realizacja systemu PCM stała się możliwa dopiero wraz z planarnymi tranzystorami krzemowymi o dużej niezawodności. W ramach AT&T ramie badawcze Bell Laboratories wraz potężnym koncernem produkcyjnym Western Electric są w stanie bardzo szybko wdrożyć nowe skomplikowane opracowanie. Tranzystory są prawdopodobnie z końca 1960 lub początka 1961 roku.

Prace teoretyczne i doświadczalne w dziedzinie PCM Bell rozpoczął tuż po wojnie.

Do systemu dołączone są 24 linie telefoniczne.

Każda z 24 linii telefonicznych na swój rozgałęźnik dwukierunkowy ( za nim są już dwa niezależnie sygnały w kierunku nadania i odbioru linią ) czyli Hybrid. Sygnał nadawany podany jest do antyaliasingowych filtrów LC. Na wyjściu filtrów dodano niewielką indukcyjność L taką aby wraz z opornością załączonego klucza układu Sample Hold S/H ( próbkująco / pamiętającego ) i pojemnością kondensatora S/H Cc stworzyć odpowiedz aperiodyczną. Dzięki temu filtr na wyjściu widzi praktycznie rezystancje obciążającą co jest bardzo istotne aby nie zniekształcać jego charakterystyki częstotliwościowej i nie wprowadzić zniekształceń nieliniowych. Kondensator Cc układu S/H przed pobraniem próbki z kolejnego kanału ma być wyzerowany aby nie było przesłuchów między kanałami i aby filtr antyaliasingowy był obciążony „rezystancyjne”. Idea zrobienia z kluczowanego kondensatora rezystora odrodziła się po latach w filtrach z przełączanymi pojemnościami. Jako kluczy użyto czterodiodowych mostków. Są one sparowane a raczej skwartetowane. Impuls próbkujący jest podany do mostka diodowego poprzez transformatorek impulsowy. Aby klucz izolował przy pewnym napięciu między jego wejściem – wyjściem, na kondensatorze dwójnika RC wytwarza się podczas przepływu prądu próbkującego napięcie ujemnie polaryzujące diody klucza co pozwala tolerować napięcia In-Out oraz zmniejszyć pojemność „przesłuchową” diod.

Mostki próbkujące ( mieszające ) z diodami Schottky są obecnie stosowane tylko w zakresach radiowych i mikrofalowych ale w dacie tworzenia systemu T1 nie było dobrego klucza i wybór był racjonalny. Jak powiedziano Bell nie musi się przejmować transformatorkami bowiem WE błyskawicznie je zaprojektuje i pięknie wyprodukuje.

Sygnał z kondensatora Cc pamiętającego podano do szerokopasmowego wzmacniacza z kompresorem i dalej do 7 bitowego przetwornika analogowo - cyfrowego A/D z rejestrem aproksymacyjnym. Powinien to być szerokopasmowy wzmacniacz prądu stałego o małym niezrównoważeniu i dryfcie bowiem wzmacniacz prądu zmiennego wprowadzi przesłuchy między kanałami. Ponieważ szerokopasmowy wzmacniacz operacyjny dopiero się rodził zastosowano wzmacniacz prądu zmiennego. Kompresor wykonano na diodach – o nim dalej.

Próbki głosu są 7 bitowe natomiast ósmym bitem nadawane są stany prądu w linii telefonicznej – do celów sygnalizacji.

Z racji 7 bitowych próbek system nie spełnia wymogów CCITT jeśli chodzi o szumy i zniekształcenia. W znacznie późniejszych systemach Bell przeszedł na próbki 8 bitowe.

Ponieważ przetwornik A/D i kompresory są zbyt wolne dwa tory S/H i A/D pracują z przeplotem.

Po 24 ośmiobitowych bitowych ( 24 x 8 = 192 bitów ) próbkach głosu i stanu linii nadawanych co 8 KHz dodano 1 bit synchronizacji negowany co ramkę. Sygnał głosu o częstotliwości 4 KHz mógłby imitować bit synchronizacji ramki i z tego względu w filtrach antyaliasingowych dano zera na częstotliwości 4 KHz.

Zastosowano prosty kod kanałowy później nazwany AMI. Całe słowo z przetwornika A/D jest zanegowane aby zwiększyć ilość nadawanych symboli +1 i -1 co umożliwia dobrą prace regeneratorów i warunkuje niską stopę błędów w transmisji sygnału PCM.

Po stronie odbiorczej traktu PCM 7 bitowy przetwornik cyfrowo analogowy za rejestrem jest tylko jeden.

Sygnał z niego podano do szerokopasmowego wzmacniacza AC z diodowym ekspanderem ( o charakterystyce odwrotnej do kompresora ) i dalej szerokopasmowego wzmacniacza prądu zmiennego o mocnym wyjściu – oczywiście powinien to być szerokopasmowy wzmacniacz prądu stałego DC. Na schemacie tym wzorowali się następnie producenci akustycznych wzmacniaczy mocy !

Sygnał z tego wzmacniacza 24 przełącznikami Sample Hold podano poprzez niewielkie indukcyjności do 24 rekonstrukcyjnych filtrów LC przy układach rozgałęźników Hybrid. Idea symulowania przełączanym kondensatorem rezystancji jest taka sama jak w układzie S/H części nadawczej. Kluczami znów są mostki diodowe ale podano znaczny prąd kluczujący jako że sygnał ze wzmacniacza „mocy” przez filtr LC idzie wprost przez filtr i rozgałęźnik Hybrid do linii telefonicznych bez dalszego wzmacniania.

W artykułach w BSTJ nie podano rozważań teoretycznych jaka musi być dolna częstotliwość wzmacniaczy AC zastosowanych zamiast wzmacniaczy DC dla uzyskania wystarczająco małych przesłuchów.

W dacie opracowania części cyfrowej systemu T1 nie były produkowane scalone układy cyfrowe - bramki, przerzutniki. Tranzystory były drogie i należało je ostrożnie dozować. Bell miał do wyboru wykonać na tranzystorach multiwibratory, generatory samodławne i układy z nasycanymi ferrytami. W części cyfrowej systemu T1 dokonując cudów pomysłowości Bell zastosował głównie generatory samodławne. Wraz pojawieniem się cyfrowych układów scalonych te uciążliwe rozwiązania wszyscy całkowicie porzucili.

Mocno niedoskonałe, kompresor i ekspander wykonano na sparowanych diodach umieszczonych w izolowanym termicznie termostacie o temperaturze pracy 120 +-0.1C !