DE2003712B2 - N-pfad-filter unter verwendung eines digitalfilters als zeitinvarianter bestandteil - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein /V-Pfad-Filter, gebildet aus einer Vielzahl von Eingangsmodulatoren zur Modulation eines zugeführten Eingangssignals, einer an die Ausgänge der Modulatoren angeschalteten Filteranordnung für das modulierte Eingangssignal und einer Vielzahl von an den Ausgang der Filteranordnung angeschalteten Ausgangsdemodulatoren zur Demodulation des gefilterten Signals.

Zeitvariante Netzwerke von der Art eines /V-Pfad-Filters spielen inzwischen eine wohldefinierte Rolle im Bereich der Netzwerktheorie. Bei der heute üblichen Verwendung von integrierten Schaltungen sind /V-Pfad-Netzwerke besonders vorteilhaft, da sich mit ihrer Hilfe Bandpaß-Übertragungseigenschaften ohne Verwendung induktiver Elemente verwirklichen lassen.

Ein N-Pfad-System weist im allgemeinen ein zeitinvariantes Netzwerk mit 2/V-Anschlüssen in Reihe mit Eingangs- und Ausgangsmodulatoren auf. In typischer Weise enthält jeder Pfad des Systems einen Eingangsmodulator, ein zeitinvariantes Netzwerk und einen Ausgangsmodulator. Die Eingangs- und Ausgangsmodulationssignale für jeden Weg sind periodische, üblicherweise identische Signale und unterscheiden sich von Weg zu Weg um eine teste Zeitverzögerung. Eine erschöpfende Erläuterung solcher Systeme findet sich in einem Aufsatz »An alternative approach to the realization of network transfer functions: the /V-path-filter« in der Zeitschrift »Bell System Technical Journal«, 9/1960, Seiten 1321 bis 1350.

Ein Hauptnachteil vorhandener /V-Pfad-Filter ist die Forderung, daß die Übertragungseigenschaften jedes Pfades im wesentlichen identisch sind, damit sich zeitvariante "rvioduiationsprodukte am Ausgang des /V-Pfad-Systems durch Interferenz auslöschen. Wegen dieser Forderung ist die Verwendung von /V-Pfad-Systemen bisher beschränkt gewesen.

Die Erfindung hat sich demgemäß die Aufgabe gestellt /V-Pfad-Filter zu schaffen, bei denen di< Forderung nach identischen Übertragungseigenschaf ten jedes Pfades auf einfache Weise erfüllt werden kann

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung au; von einem /V-Pfad-Filter der eingangs genannten Ar und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Filteranord nung einen Abtaster-Multiplexer zur Bildung vor Multiplex-Abtastimpulsen des modulierten Eingangssig nals, eine einzige Digitalfilterschaltung zur Filterung dei Multiplex-Abtastimpulse und eine Demultipiexer-Schal tung zum Demuliiplexen des gefilterten Signals von dei Digitalfilterschaltung enthält.

Entsprechend der erfindungsgemäßen Grundgedan ken wird daher unter Verwendung eines einheitlicher Digitalfilters, das mit einer Zeitfolge betrieben wird, die ein Zusammenführen angelegter Signale im Zeitmultiplexverfahren ermöglicht, die Forderung nach einei Vielzahl von Netzwerken vereinfacht. Da nur ein Filtci benutzt wird, müssen folglich die Übertragungseigen schäften nicht aneinander angepaßt werden, weil jede; Signal das gleiche Netzwerk durchläuft.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeich nungen näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 ein typisches N-Pfad-Filtersystem,

Fip. 2 das /V-Pfad-Filtersystem nach der Erfindung unter Verwendung eines Digitalfilters,

F i g. 3 eine Abwandlung der ersten drei Stufen genial: F i g. 2,

Fig.4A und 4B mehrere Modulations-Kurvenformen, die bei der Erfindung benutzt werden,

Fig.5 eine vereinheitlichte Modulator-Multiplexer schaltung nach der Erfindung,

Fig. 6 eine Anzahl von Schaltkurvenformen für die Schaltung nach Fig. 5,

Fig. 7 eine bei der Erfindung benutzte Kurvenform-Erzeugüngseinrichtung,

Fig. 8 und 9 eine Anzahl von Kurvenformen, die bei der Erfindung benutzt werden,

Fig. 10 Logikschaltungen zur Steuerung der Multiplex-Operation der Schaltung nach F i g. 5.

Fig.4 zeigt ein herkömmliches /V-Pfad-Filter des Typs, der beispielsweise in der vorgenannten Literaturstelle beschrieben ist. Ein zugeführtes Eingangssignal x(t) wird in seiner Bandbreite begrenzt und dann in Λ Modulatoren 11-1 bis H-N moduliert. Jedes modulierte Signal wird dann einem Tiefpaßfilter 12-1 bis 12-Λ zugeführt. Das Ausgangssignal jedes Filters wird dann wiederum in einem der Modulatoren 13-1 bis 13-Λ moduliert, wonach alle /V-Signale additiv in einer Kombinationsschaltung, d. h. Summierschaltung 14, zur Erzeugung eines Ausgangssignals y(t) nach einer weiteren Filterung zusammengeführt werden. Die Modulationssignale p\(t) ... Pn(O und q\(t) ... q^t, können eine Folge identischer periodischer Wellen sein, die in ihrer Phasenlage um den Faktor T/N verschoben

2 -,
sind, wobei Tder Grundperiode-"^der Wellen p(t) und

q(t) und N der Anzahl von Pfaden in dem System entspricht. Da sich die Übertragungsfunktion des gezeigten Systems durch die in der Frequenz umgesetzte und symmetrisch mit Bezug auf die Mitte jeder der Frequenzkomponenten von p(t) angeordnete Übertragungsfunktion eines der Tiefpaßfilter 12 darstellen läßt, zeigt das System die Eigenschaften eines Bandpaßfiiters. Eines der Hauptprobleme bei der praktischen Verwirklichung des gezeigten /V-Pfad-Filters ist die gegenseitige Anpassung der Ubertragungseigenschaften jedes Pfades. Im Idealfall soll jedes Tiefpaßfilter 12-1 bis 12-/V

identisch sein, wenn zeitvariante Modulationsprodiikte _bich durch Interferenz am Ausgang des Systems auslöschen sollen. Weiterhin sollten die Eigenschaften jedes Modulators und jedes Pfades auf entsprechende Weise identisch sein. Der Fachmann erkennt, daß solche s Forderungen zwar in der Theorie, nicht aber in der Praxis leicht zu verwirklichen sind.

Ein erfindungsgemäßes System, das diese Schwierigkeiten überwindet, ist in Fig.2 dargestellt. Ein zugeführtes Signal ^durchläuft ein Bandbegrenzungsfilter 15 zur Beseitigung unerwünschter Signalanteile. Das gefilterte Signal f(t) wird dann einer Vielzahl von Modulatoren U-I bis H-N zugeführt, die in jeder Hinsicht mit den in F i g. 1 dargestellten Eingangsmodulatoren identisch sind. Entsprechend der folgenden Erläuterung ist bei der praktischen Verwirklichung der Erfindung nicht generell eine Vielzahl von Eingangsmodulatoren erforderlich.

Die Erläuterung des gezeigten Systems dürfte aber noch zu besprechende Weiterbildungen der Erfindung jo besser verständlich machen.

Die JV-modulierten Signale werden an einen Abtaster-Multiplexer 17 angelegt. Diese Einrichtung, die irgendeine bekannte Ausführung sein kann, tastet die JV-modulierten Signale auf bekannte Weise ab und erzeugt eine serielle Signalfolge der verschiedenen Abtastimpulse. Ein üblicher Analog-Digitalwandler 18 codiert die Multiplex-Abtastimpulse und gibt sie an ein Digitalfilter 19. Dort werden die codierten Impulse nach einem vorbestimmten Filterschema verarbeitet. Es kann irgendein Digitalfilter bekannter Art benutzt werden. Die Synchronisation zwischen dem Filter 19 und dem Abtaster-Multiplexer 17 stellen Abtast-Taktsignale sicher, die vom Filter 19 über die Leitung 16 an die Einrichtung 17 angelegt werden. Die vom Digitalfilter 19 ausgehenden Digitalsignale werden an einen Demultiplexer 21 gegeben, der, wie sein Name sagt, N parallele Ausgangssignale, die die digitalgefilterten Abwandlungen der ursprünglichen, an die Einrichtung 17 angelegten A/-Signale darstellen. Der Digital-Analogwandler 22 arbeitet mit Hilfe eines Umschalters 23a sequentiell und wandelt die N digitalgefilterten Signale in N Analogsignale um. Wie die gestrichelte Linie andeutet, ist der Umschalter 23b mit dem Umschalter 23a synchronisiert und gibt daher jedes der /V-Signale an einen Querkondensator G, C₂ ... CW ab, der die umgewandelten Signale in ihrer Amplitude glättet. Falls gewünscht, können die Kondensatoren durch Haltenetzwerke üblicher Art ersetzt werden. Die Modulatoren 13-1 bis 13-N, die mit den entsprechend bezeichne- so ten Modulatoren in Fig. 1 identisch sind, demodulieren jedes der N Signale. Diese werden dann durch ein Netzwerk 14 additiv zusammengefaßt. Zur Beseitigung störender Komponenten wird das sich ergebende Signal durch ein Filter 24 in seiner Bandbreite begrenzt, wonach dann das gewünschte Ausgangssignal y(t) entsteht. Die Signale jedes der N-Pfade werden also durch das gleiche Filter statt durch eine Gruppe ähnlicher Filter verarbeitet. Die einzigen, nicht gemeinsam benutzten Bauteile sind die Kondensatoren sowie < >o die Eingangs- und Ausgangsmodulatoren. Wie später noch erläutert wird, können die Eingangsmodulatoren 11-1 bis H-N in einer Form verwirklicht werden, die eine Verdoppelung der Eingangsmodulationseinrichtung vermeidet. Demgemäß ist das Problem einer genauen Anpassung der Übertragungseigenschaften mehrerer Filter wesentlich erleichtert, und es wurde entsprechend gefunden, daß zeitvariante Modulationsprodukte um 10 bis 2OdB besser als in herkömmlichen /V-Pfad-Filtern unterdrückt werden.
Es läßt sich zeigen, daß, wenn N eine gerade Zahl ist,

das /V-Pfitd-System unter Verwendung von nur y Eingangs-Kanalmodulatoren verwirklicht werden kann. Wenn beispielsweise N gleich 4 ist, so läßt sich das /V-Pfad-System unter Verwendung von nur zwei Modulatoren und zwei Modulationssignalen aufbauen, wobei das zweite Modulationssignal gegen das erste um

₄ Sekunden verzögert ist, d. h. in der Phase um ---■ rad abweicht. Fig.3 zeigt beispielsweise in Form eines Blockschaltbildes die ersten drei Stufen des Systems nach Fig. 2. Wie oben erläutert worden ist, wird das Eingangssignal x(t)\n seiner Bandbreite durch das Filter 15 zur Erzeugung eines Signals f(t) begrenzt, das im Modulator 11 durch Signale m(l) und mU- ■■'-) moduliert wird. Das Produkt aus f(t) und dem ersten Modulationssignal m(t) wird mit Mi und das Produkt von f(t) und m (t - vjmit M₂ bezeichnet. Mu und Mis stellen die ineinandergeschobenen, durch den Abtaster-Multiplexer 17 erzeugten Abtastwerte der Signale Mi und M2 dar.

Im Idealfall sollte das Modulationssignal m(t) eine reine Sinuswelle mit der gewünschten Bandpaß-Mittenfrequenz sein. Da es außerordentlich wünschenswert ist, daß /V-Pfad-Filter abstimmbar sind, d.h., daß sich die Mittenfrequenz des gewünschten Durchlaßbandes leicht ändern läßt, würde ein System unter Verwendung eines sinusförmigen Modulationssignals einen abstimmbaren Sinusoszillator und abstimmbare Phasenschieber zur Erzeugung der benötigten Modulationssignale erfordern. Die für /V-Pfad-Systeme verlangte Genauigkeit läßt sich jedoch auf wirtschaftliche Weise leider nicht unter Verwendung solcher Einrichtungen verwirklichen. Eine Alternative besteht in der Benutzung eines Modulationssignals, das aus Rechteckimpulsen mit einer Wiederholungsfrequenz besteht, die gleich der gewünschten Mittenfrequenz ist. Eine Impulsfolge dieser Art läßt sich zwar leicht erzeugen, aber impulsförmige Signale sind so reich an harmonischen Komponenten, daß dadurch schwierige Betriebsbedingungen für das /V-Pfad-System entstehen. Ein Modulationssignal, das viele Vorteile der oben beschriebenen Signale und wenige ihrer Nachteile besitzt, ist die in Fig.4A gezeigte mehrstufige Annäherung Phase 1 eines Sinussignals m(t). Fig.4B zeigt die Phase 2, nämlich das

gleiche, zeitlich um -j Sekunden verzögerte Signal, also K)-

Entsprechend dem Grundgedanken der Erfindung isl es nicht erforderlich, daß die angegebenen Modulationssignale erzeugt, in individuellen Modulatoren mit derr angelegten Eingangssignal gemischt, und schließlich durch getrennte Einrichtungen multiplext werden. Stat dessen kann ein Operationsverstärker-Schaltungsauf bau, beispielsweise entsprechend F i g. 5, zur gleichzeiti gen Erzeugung, Mischung und Multiplex-Zusammenfüh rung der gewünschten Signale benutzt werden. Entspre chend Fig.5 wird das vom Bandbegrenzungsfilter 1! gemäß F i g. 2 oder 3 ausgehende Signa! f(t) auf zwe Widerstände und Transistorschalter Qi, Q₂ usw. enthal tende Wege gegeben, die an den Operationsverstärke 31 angeschaltet sind. Am Ausgang des Abtasters 41, de

vom Operationsverstärker 31 beaufschlagt wird, entste- Flipflops ihren Zustand ändern, wenn das an ihren hen die gewünschten modulierten, abgetasteten Multi- Anschluß »T« angelegte Signal »0« wird, so erkennt plexsignale Mu, M₂S usw. Falls gewünscht, kann der man, daß alle gewünschten Kurvenformen von der Abtaster 4t auf einfache Weise in die Operationsver- Schaltung nach F i g. 7 erzeugt werden.
Stärkerschaltung eingegliedert werden. Die Schaltung s Es wird ein Multiplex-Netzwerk benötigt, das nach F i g. 5 besitzt eine Verstärkerkennlinie entspre- abwechselnd an die Transistoren Qi, Q. usw. in F i g. 5 chend dem in Fig.4A gezeigten Modulationssignal. die in Fig.6 gezeigten Schaltkurvenformen für die Wenn das zugeführte Signal f(t) entsprechend einer Phasen 1 und 2 anlegt. Es ist außerdem erforderlich, daß solchen Kennlinie verstärkt wird, so erkennt man, daß ein Abtastwert jeder modulierten Kurvenform erzeugt das sich ergebende Ausgangssignalidentisch mit einem ι ο wird und daß die Abtastwerte zwischen den beiden Signal ist, das durch Mischen des Eingangssignals mit Modulationsphasen mit der richtigen Frequenz wechdem gezeigten Modulationssignal gebildet wird. Die sein. Wenn das durch das Digitalfilter t9 (F i g. 2) Transistorschalter Qi, Q2, Q₃ und Qa werden entspre- erzeugte Abtast-Taktsignal eine Rechteckwelle der in chend der Angabe unter den Kurvenformen in den F i g. 9 gezeigten Art ist, deren Grundfrequenz doppelt F i g. 4A und 4B gesättigt betrieben. Die Verstärkung 15 so groß wie die Abtastfrequenz f_s für eine Phase ist, so der gezeigten Einrichtung läßt sich wie folgt ausdrük- läßt sich die Bedingung vorgeben, daß bei jeder ken: Rückflanke der Kurvenform sich die an die Transistor

schalter nach F i g. 5 angelegten Schaltsignale von einer

G—Verstärkung mit QIeIn₁Q₂BUs₁Qj₁Q₄ aus; Phase zur anderen ändern und daß bei jeder

-G — Verstärkung mit Q₂ ein, Qi aus, Q₃, Q₄ aus; 20 Vorderflanke der gezeigten Kurvenform ein schmaler aG — Verstärkung mit Qi ein, Q₂ aus, Q₃, Q₄ ein; Abtastwert am Modulatorausgang entnommen wird.

- «G - Verstärkung Q₂ ein, Qi aus, Qz, Q₄ ein, Zusammengefaßt ergibt sich dann insgesamt, daß zwei

Phasen des modulierten Signals abwechselnd abgetastet wobei α in einem als Beispiel gewählten Fall gleich 0,414 werden.

und G eine vorgewählte Verstärkung, beispielsweise 25 Bei der Schaltung nach Fig. 10 wird das Abtast-Takl-G= 1,00 sind. Betrachtet man nur eine Bedingung als signal gemäß F i g. 9 an den Anschluß »T« des Flipflops Beispiel, für das Qi eingeschaltet und Q₂, Q₃, Q₄ 32 angelegt. Die Ausgangsanschlüsse des Flipflops 32 ausgeschaltet sind, so ist der Widerstand R₃ geerdet, und sind mit einer Vielzahl von logischen ODER-Gliedern das Signal f(t) liegt am positiven Anschluß des 33, 34, 35 und 36 verbunden, die wiederum Signale an Verstärkers 3t über die Parallelschaltung der Wider- 30 ODER-Glieder 37 und 38 liefern. Die weiteren stände R₂', R21, R22 in Reihe mit R₄. Für diesen Fall läßt Eingangssignale der logischen Glieder werden von der sich zeigen, daß die Verstärkung G der Modulatorschal- Einrichtung nach F i g. 7 geliefert und sind mit den tung gleich Rn geteilt durch den Gesamtwiderstand der gleichen Buchstaben wie in den F i g. 7 und 8 bezeichnet. Reihenschaltung des Widerstandes R₄ mit der Wider- Eine Negation wird auf übliche Weise durch einen Punkt Standsschaltung R₂', R₂\, R22 mal dem Quotienten aus 35 bei einem Anschluß eines logischen Gliedes angegeben. (Rn +Ri) und Ri ist. Typische Werte für die in der Nimmt man an, daß der Ausgangsanschluß Q des Schaltung nach F i g. 5 verwendeten Widerstände sind in Flipflops 32 zu Anfang den Zustand »0« hat, so ändert der folgenden Tabelle angegeben: das Flipflop 32 jedesmal dann seinen Zustand, wenn das

angelegte Abtast-Taktsignal auf »0« abfällt. Die auf der 40 Leitungen A, B und C für die beiden Zustände de< Flipflops 32 erscheinenden Ausgangssignale sind dam die folgenden:

Ri' -	10,000	k,
R2' =	9,015	k,
R3 =	12,222	k,
Ra =	1,759	k,
Rn =	17,22	k,
Rn =	4,194	k,
Ru =	6,307	k,
R12 =	3,693	k,
R22 =	5,68	k,
R2, =	2,00	k.

Zustand

β = 0, Q = 1,

A = (k+0) + (i

= k -I- 0 = k , B = A = Ic,

F i g. 6 zeigt die Schaltkurvcnfui inen, die die in der
Schaltung nach F i g. 5 verwendeten Transistoren Qi, Q2
usw. für die beiden Phasen des in den F i g. 4A ur.J 4B ,, _ .TTTTT (rTo) = c

dargestellten Modulationssignals benötigen. Ein Signal
größer als 0 gibt an, daß der jeweilige Transistor ss
gesättigt ist. Man beachte, daß k, k. d. h. / und c die für die Phase

Das Nichtvorhandenscin eines Signals bedeutet, daß benötigte Gruppe von Sehaltsignalcn darstellen (v
der Transistor ausgeschaltet ist. Die Schaltung nach F i g. 6 und 8).
F i g. 7 erzeugt die gewünschten Schaltkurvcnformcn.
Die dargestellten Flipflops F/Fsind herkömmlicher Art. do
Das zugeführte Eingangssignal muß lediglich eine Zustand 2
Impulsfolge mit der richtigen Impulsperiode sein, d. h. . _f

. Die verschiedenen Kurvenformen, die an den

Signalpunktcn (n), (b), (c)... der Schaltung nach F i g. 7 '-s

zur Verfügung stehen, sind in Fig.8 dargestellt. Nimmt β ... ]\ _. ,

man an, daß der Ausgangsanschluß Q aller Flipflops zu

Anfang den logischen Wert «0« hat, und daß alle C - (</ 1 0) \ (c \ !) = </.

Man beachte außerdem, daß i, i,d. h.^'und c/die für die Phase 2 benötigte Gruppe von Schaltsignalen ist. Wenn die Ausgangsleitung B an den Transistor Q\, die Ausgangsleitung A an den Transistor Q₂ und die Ausgangsleitung C an die Transistoren Qi und Q^ (F i g. 5) angelegt werden, so erreicht man die gewünschte Multiplex-Kombination der beiden Modu-

latorphasen.

Bei jeder ansteigenden Flanke des in F i g. 9 Abtast-Taktsignals erregt der monostabile ^ tor 39 den Abtaster 41 (F i g. 5), der eine Abt lung M\s, Mis, Mii... des am Ausgang des N erscheinenden Multiplexsignals erzeugt.

Hier/u 4 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

AS i Patentansprüche:

1. /V-Pfad-Filter, gebildet aus einer Vielzahl von Eingangsmodulatoren zur Modulation eines iiugeführten Eingangssignals, einer an die Ausgänge der Modulatoren angeschalteten Filteranordnung für das modulierte Eingangssignal und einer Vielzahl von an den Ausgang der Filteranordnung angeschalteten Ausgangsdemodulatoren zur Demodulation des gefilterten Signals, dadurch gekennzeichnet, daß die Filteranordnung einen Abtaster-Multiplexer (17) zur Bildung von Multiplex-Abtastimpulsen des modulierten Eingangssignal, eine einzige Digitalfilterschaltung (13) zur Filterung der Multiplex-Abtastimpulse und eine Demultiplexer-Schaltung (21) zum Demultiplexen des gefilterten Signals von der Digitalfilterschallung enthält.

2. /V-Pfad-Filter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Einfügung eines Analog-Digitalwandiers (18) zwischen Abtaster-Multiplexer (17) und Digitalfilter (19), der die Multiplex-Abtastimpulse vom Abtaster-Multiplexer (17) codiert und eines Digital-Analogwandlers (22) zwischen Demultiplexer (21) und Ausgangsdemodulator, der die Signalimpulse vom Demultiplexer (21) codiert und dessen Ausgang wahlweise an den Demodulator angeschaltet ist.

I;S