Verzögerungsspeicher

Verzögerungsleitungen (engl. delay line) dienen der Zeitverschiebung oder temporären Speicherung (Laufzeitspeicher) eines seriellen Signales (analog oder digital) mittels der Signallaufzeit in einer elektrischen Leitung bestimmter Länge oder auch in einer akustischen Übertragungsstrecke.

Die Verzögerungszeit ergibt sich dabei aus dem Quotienten aus Länge und Wellengeschwindigkeit.

Funktionsprinzip

Elektromagnetische Verzögerungsleitung

Elektrische Verzögerungsleitung, t_v = 450ns, Impedanz 1kOhm
VEB ELFEMA Mittweida, ca. 1980

Die Verzögerung erfolgt ohne Signalwandlung durch eine elektrische Leitung oder eine äquivalente Anordnung bestimmter Länge. Auf der Leitung/Struktur breitet sich eine leitungsgebundene elektromagnetische Welle aus. Die geometrische Länge kann dabei wesentlich geringer als die elektrisch zur Signalverzögerung wirksame Länge sein:

• ein Dielektrikum mit einer Dielektrizitätszahl > 1 bewirkt einen sog. Verkürzungsfaktor
• über die Länge verkoppelte Induktivität bewirkt eine geometrische Verkürzung (Drahtwendel, siehe Bild, jedoch auch in Wanderfeldröhren)
• die „Leitung“ kann bei Zugeständnissen an die Signalbandbreite auch aus diskreten Induktivitäten und Kapazitäten aufgebaut werden, um eine hohe Laufzeit zu erreichen.
• Die Leitung kann aus Resonatoren bestehen (Hohlraumresonatoren, kammartige Strukturen); sie ist dann nur in einem schmalen Frequenzband wirksam und dient meist der Geschwindigkeitsanpassung (Verzögerung) der Welle an einen Elektronenstrom (Beispiele: Undulatoren im Freie-Elektronen-Laser, Schlitzanode von Magnetrons)

Elektronische Verzögerungsleitung

Eine elektronische Form einer Verzögerungsleitung ist der sogenannte Eimerkettenspeicher, bei der die Ladungen einer Vielzahl von Kondensatoren auf ein Taktsignal hin an den nächsten weitergegeben werden. Das Prinzip ist in Form Integrierter Schaltungen als charge coupled device (CCD) bekannt. Da dieses Prinzip zeitdiskret arbeitet, ist die Bandbreite auf die halbe Taktfrequenz begrenzt. Die digitale Form sind FIFO – (first in first out) Speicher, dieser wird auch mit DRAMs realisiert.

Akustische Verzögerungsleitung

Ultraschall-Verzögerungsleitung (Farbfernseher), t_v = 64µs, im Hintergrund rechts das Gehäuse
VEB ELFEMA Mittweida, ca. 1980

Um höhere Signallaufzeiten zu erhalten, werden Ultraschall-Verzögerungsleitungen eingesetzt. Bei diesen wird das elektrische Signal mit piezoelektrischen Wandlern in eine akustische Welle Ultraschalls und zurück gewandelt.

Da diese Wandler eine geringe Signalbandbreite haben, muss mit einer Trägerfrequenz gearbeitet werden. Solche Verzögerungsleitungen bestehen aus einem Körper geringer akustischer Dämpfung (meistens Kieselglas) und zwei piezoelektrischen Wandlern. Der akustische Signalweg kann gerade oder durch Reflexionen gefaltet sein, um die Baugröße zu verringern.

Massenhafte Anwendung fanden solche Verzögerungsleitungen in Farbfernseh-Empfängern zur Signalverzögerung des Farbsignales um genau eine Zeilenlänge. Nebenstehendes Bild zeigt eine solche Anordnung: die beiden piezoelektrischen Wandler sind in Form schmaler Streifen auf die Stirnseiten einer Quarzglasplatte geklebt, zu sehen sind nur die Aluminium-Anschlussdrähte.
Um den Signalweg definiert einzugrenzen, sind dazwischen quadratische Dämpfungs-Pads aufgetragen.

Frühe Formen bestanden aus magnetostriktiv angeregten Drähten.
Auch mechanische Hallgeräte (Federhall) sind im Prinzip Verzögerungsleitungen.

Anwendung

Fernsehempfangstechnik

Ultraschall-Verzögerungsleitungen wurden bis ca. 1995 in Farb-Fernsehgeräten (PAL- und SECAM-System) eingesetzt, um das abwechselnd übertragene Farbsignal um die Laufzeit einer Bildzeile (ca. 64 Mikrosekunden) zu verzögern. Bei der Demodulation des Farbfernsehsignals wird das verzögerte und das aktuelle Chrominanzsignal (Farbträger) zusammen mit dem Luminanzsignal (Helligkeitssignal) benutzt, um die drei RGB-Farbkomponenten zu erhalten.

Neuere PAL-Geräte verwenden für diesen Zweck Digitaltechnik (auch bei analogem Empfangsteil). Näheres hierzu siehe PAL.

Audio-Technik

Elektronische Signalverzögerungen nach dem Eimerkettenprinzip, sogenannte Eimerkettenspeicher (engl. bucket brigade memory (BBM) oder auch Bucket Brigade Device (BBD)) werden verwendet, um Störsignale rechtzeitig erkennen und ausblenden zu können oder um den räumlichen Höreindruck durch das Zumischen von verzögerten Signalanteilen zu beeinflussen.

Umschaltbare Verzögerungsleitungen aus Streifenleitungen (Radartechnik)

Auch Echo- und Hall-Geräte sind im Prinzip gekoppelte Verzögerungsleitungen. Früher kamen dafür auch mechanische Verfahren mit einer akustisch angeregten Schraubenfeder zum Einsatz (Federhall).

Wissenschaftliche Geräte und Hochfrequenz

In der Forschung ist es oft nötig, Signale oder Impulse zu verzögern, um Zeitverschiebungen auszugleichen, die Erfassung zu ermöglichen oder Triggerzeitpunkte zu synchronisieren.

Verzögerungszeiten im Nanosekunden- und Sub-Nanosekundenbereich werden oft durch definierte Leitungslängen gewährleistet. Das können fest installierte Leitungen oder auch koaxiale Laborkabel sein.

In der Hochfrequenztechnik und im Antennenbau ist es oft nötig, Signale phasenrichtig zu verteilen oder zusammenzuführen. Die hierfür eingesetzten Verzögerungsleitungen nennt man auch Umwegleitung.

Geschichte

Quecksilber-Laufzeitspeicher des UNIVAC I (1951)

In frühen Computern wie dem UNIVAC I oder EDSAC verwendete man Verzögerungsleitungen zur dynamischen Datenspeicherung (Laufzeitspeicher). Sie bestanden aus einer Quecksilberröhre, an deren beiden Enden ein Schwingquarz angebracht war. Brachte man durch einen kurzen Stromstoß einen Schwingquarz zum Schwingen, so pflanzten sich die erzeugten Ultraschallsignale im Quecksilber mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit von 2 km/s fort und brachten nach entsprechender Verzögerungszeit den anderen Schwingquarz dazu, eine kleine Spannung zu erzeugen. Frischte man nun den sendenden Quarz mit entsprechenden Stromstößen synchron zum Takt des Rechenwerks auf, so konnte man ein serielles Bitmuster einer bestimmten Länge umlaufen lassen und somit speichern.

Auf diese Weise erfolgt die Speicherung allein im Quecksilber durch die Signallaufzeit der akustischen Welle.

Eine andere Variante der Verzögerungsleitung für Laufzeitspeicher benutzte nicht Quecksilber, sondern Nickeldraht – bei dieser wurde der Effekt der Magnetostriktion in Nickel zum Schreiben/Lesen und ein langer aufgerollter Nickeldraht zur Speicherung ausgenutzt. Solche Verzögerungsleitungen sind in der Computertechnik seit den 60er-Jahren überholt.

Die ersten akustischen Glas-Verzögerungsleitungen wurden bereits ab Beginn der RADAR-Technik im Zweiten Weltkrieg entwickelt.

Die Verzögerungsleitungen für Farbfernsehgeräte hatten zu Beginn der 1960er Jahre (also zu der Zeit, in der die PAL-Norm bei Telefunken entwickelt wurde) eine Länge von ca. 15 cm. Später verkleinerte man diese Leitungen durch Benutzung von Mehrfachreflexion im Glaskörper.

Weblinks

• Magnetostriktiver Laufzeitspeicher im Lexikon eines Fördervereins für Technikgeschichte
• Laufzeitspeicher, in einem Museum noch immer in Benutzung