DD224730A1

DD224730A1 - Anordnung zur darstellung der faltungsoperation

Info

Publication number: DD224730A1
Application number: DD26403184A
Authority: DD
Inventors: Roland Sickert; Klaus Kabitzsch; Ruediger Papke
Original assignee: Ilmenau Tech Hochschule
Priority date: 1984-06-12
Filing date: 1984-06-12
Publication date: 1985-07-10

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Signalverarbeitung mit akustischen Oberflaechenwellenbauelementen. Ziel der Erfindung ist es, die moegliche Bandbreite derartiger Anordnungen zu vergroessern und den Aufwand an Filterschaltungen zu verringern. Die Aufgabe besteht darin, eine solche Anordnung zu schaffen, die entstehende Stoerfrequenzanteile bei der Demodulation des Nutzsignals unterdrueckt. Erfindungsgemaess wird deshalb vor einer als Modulator arbeitenden Mischstufe ein Phasenschieber so angeordnet, dass zwischen dem Nutzsignaltraeger und dem frequenzgleichen Stoersignaltraeger eine Phasendifferenz von 90 auftritt und damit eine Unterdrueckung des Stoersignaltraegers bei der Produktdemodulation erreicht werden kann. Die Erfindung wird angewendet im Zusammenhang mit Anordnungen zur Darstellung der Faltungsoperation unter Verwendung von mikroakustischen, angezapften Verzoegerungsleitungen.

Description

Titel der Erfindung

Anordnung zur Darstellung der Faltungsoperation

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft Anordnungen zur Darstellung der Faltungsoperation unter Verwendung von mikroakustischen, angezapften Verzögerungsleitungen, die in der analogen und digitalen-Signalverarbeitung benötigt werden. Besonders bei Signal- und Objekterkennungssystemen ist die Anwendung derartiger Bausteine auf Grund erhöhter Arbeitsgeschwindigkeit vorteilhaft. Die Erfindung betrifft Faltungsbausteine, bei denen die.Ein- . gangssignale durch zwei unterschiedliche Trägerfrequenzen in den Arbeitsbereich der Verzögerungsleitung verschoben werden müssen und die Ergebnisfunktion als Amplitudenmodulation auf einer der sich aus den Trägerfrequenzen ergebenden Summen- oder Differenzfrequenz dargestellt wird. Die Anwendung der erfindungsgemäßen Anordnung ermöglicht neben einer größeren Bandbreite auch Einsparungen an sonst nötigen Filterschaltungen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Convolverbauelemente bestehen im wesentlichen aus einem piezoelektrischen Substrat, auf dem gegenüberliegend zwei Interdigitalwandler als Sender für die akustische Oberflächenwelle angebracht sind. An die Wandler werden Spannungen der Form U₁Ct) = U₁Ct) Csin2 f.jt) und U₁₁Ct) = U₂Ct) Csin2 fgt) angelegt. u,Ct) und u-j.jCt) 3ind die mit den Signalspannungen u^Ct), UpCt) modulierten Trägerfrequenzen f, und fp.

! /uv;. I ; w ^ f ± i

Dabei können die Träger durch Anwendung reiner Vierquadrantenmultiplikatoren unterdrückt sein.

Im Laufraum zwischen den Sendewandlern überlagern sich damit dieangeregten akustischen Oberflächenwellen und werden entweder durch mehrere äquidistant angeordnete Interdigitalwandler abgetastet und elektrisch weiterverarbeitet, z. B. DE 3240794-ΑΪ und DE 2949155-A1, oder durch auf dem Substrat aufgebrachte halbleitende oder andere nichtlineare Schichten, die von dem die akustische Welle begleitenden elektrischen Feld beeinflußt werden, detektiert DE 2846186-A1.

Die bei der Faltung notwendige Multiplikation wird durch Mischung der amplitudenmodulierten Träger an einer nichtlinearen Kennlinie realisiert.

Zu diesem Zweck sind die Anzapfungen mit Dioden, Transistoren oder anderen nichtlinearen Bauelementen beschaltet, oder es werden die Eigenschaften der auf das Substrat aufgebrachten Schichten genutzt. Darüber hinaus gibt es die Möglichkeit, nichtlineare Eigenschaften des piezoelektrischen Substrates zu nutzen. Da es jedoch nicht gelang, die extrem hohen Einfügedämpfungen der auf dieser Basis arbeitenden Bauelemente zu verringern, haben sich diese Prinzipien bisher nicht durchsetzen können. Es entstehen an den Nichtlinearitäten u. a. Mischfrequenzen, deren zeitlicher Amplitudenverlauf genau dem Produkt der beiden Eingangsamplitudenverläufe entspricht. Damit entsteht bei Anordnungen mit angezapften Verzögerungsleitungen nach Addition aller von den einzelnen Anzapfungen gelieferten Mischfrequenzanteile ein Wechselstrom, dessen zeitlicher Amplitudenverlauf das Faltungsergebnis der SignalSpannungen darstellt. Die Addition wird dabei durch Parallelschalten der einzelnen Stromanteile auf einen niedrigen Lastwiderstand erreicht.

Sind jedoch im Laufraum der akustischen Welle halbleitende Schichten aufgebracht, so kann das Faltungsergebnis direkt an zwei parallel zur Substratoberfläche angebrachten Elektroden abgenommen werden. Obwohl diese Anordnungen Vorteile bezüglich Auflösung haben,, sind zu ihrer Herstellung neben Spitzentechnologien auch komplizierte technische Verfahren nötig, die eine Serienproduktion in absehbarer Zukunft kaum zulassen werden. Neben den erwünschten Mischprodukten entstehen aber auch neue Frequenzen, deren Amplituden nur von einer Eingangsamplitude ab-

hängen und deshalb in einer Filterschaltung, zweckmäßigerweise nach der Addition, unterdrückt werden müssen. Als besonders störend, wirken dabei die durch Kennlinienanteile mit geradzahligen Exponenten hervorgerufenen Frequenzen mit den Trägern hei f = 0, f = 2f., f = 2fo, da diese mit ihren Seitenbändern weit an die nutzbaren Frequenzen mit f = f. + fp heranreichen und sich ggf. sogar mit deren Seitenbändern überlagern können. Erschwerend kommt hinzu, daß die nötigen Frequenzfilter auch Forderungen aus dem Zeitbereich erfüllen müssen (geringe Ein— Ausschwingzeiten). Diese Filter sind in keiner der erwähnten Patentschriften erläutert und bedeuten im wesentlichen bei Anordnungen mit angezapften Verzögerungsleitungen, wie z. B. in

DE 2949155-A1 oder DE 3240794-A1, erhöhten Aufwand und bei Forderung nach hoher Bilinearität eine Verringerung der möglichen' Bandbreite. Deshalb besteht die Forderung, die Differenz beider Trägerfrequenzen f^, fp so hoch wie möglich zu wählen. Da jedoch die bei AOW - Bauelementen üblichen Interdigitalwandler nur eine begrenzte Bandbreite haben, wird die maximale Signalfrequenz nicht von der Anzahl der Anzapfungen, sondern der Bandbreite des AOW - Bauelementes bestimmt.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, gegenüber herkömmlichen technischen Lösungen den Schaltungsaufwand bei der Ausfilterung des Mischfrequenzträgers zu vereinfachen und die von der AOW Verzögerungsleitung bestimmte Bandbreite voll auszunutzen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Ursachen der Mängel bisheriger Anordnungen liegen darin begründet, daß die erwünschte Ergebnisfunktion als Amplitudenmodulation auf einer aus den ursprünglichen Trägerfrequenzen resultierenden Summen- oder Differenzfrequenz erscheint und der Frequenzabstand zu störenden Spekträlanteilen auf Grund der begrenzten AOW - Bandbreite nicht beliebig vergrößert werden kann. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine solche Schaltung zu finden, die unter Verwendung mikroakustischer und angezapfter Verzögerungsleitungen das Faltungsergebnis im Basisband

bei geringem Aufwand an Filtersohaltungen liefert. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Anordnung gelöst, die eine Unterdrückung störender Signalantei.le bei der Demodulation bewirkt.. Hierzu sind neben der sonst üblichen Frequenzbereitstellungselektronik, den zwei Mischstufen zum Modulieren der von der Frequenzbereitstellungselektronik gelieferten zwei Trägerfrequenzen mit den beiden Eingangsfunktionen, der mikroakustischen Verzögerungsleitung mit den an ihren Anzapfungen angeschlossenen nichtlinearen Bauelementen und einer weiteren Mischstufe zur Demodulation der von den Anzapfungen gelieferten und aufsummierten Mischfrequenzanteile, im wesentlichen zwei Phasenschieber erforderlich. Ein Phasenschieber ist zwischen der Fre— quenzbereitstellungselektronik und einer der beiden^als^Ämpllirtp-denmodulatoren dienenden Mischstufen angeordnet.

Der zweite Phasenschieber ist der Frequenzbereitstellungselektronik und der als multiplikativen Demodulator dienenden Mischstufe zwischengeschaltet.

Die von der Frequenzbereitstellungselektronik gelieferten Trägerfrequenzen ϊ,, fp sind über interne⁴ Frequenzteiler oder Vervielfacher so gekoppelt, daß sie sich genau um einen ganzzahligen Faktor η unterscheiden

f₂=nf_r

Damit werden von dem AOW - Bauelement zwei der dem Interferenzprinzip entspringenden Durchlaßbereiche genutzt. Die Trägerfrequenzen durchlaufen die Mischstufen, werden in bekannter Weise in ihrer Amplitude moduliert und dem AOW — Bauelement zugeführt. Die an dessen Anzapfungen angeschlossenen Mischstufen mischen beide Trägerfrequenzen und liefern neben Gleichanteilen und ganzzahligen Vielfachen der einzelnen-Träger m f^, m fp auch die verwendbaren Mischfrequenzen

f = f₁ + f₂ = (n + Df₁ ,

die jedoch von einem frequenzgleichen Störsignal des Trägers f. überlagert werden. Der dem einen Modulator vorgeschaltete Phasenschieber gestattet jedoch, zwischen dem frequenzgleichen Störsignal und der auszuwertenden Mischfrequenz eine Phasendifferenz, von 90° einzustellen. Die aufsummierten Wechselspannungen werden einer multiplikativen Mischstufe zur Demodulation zugeführt. Dazu erhält dieser Multiplikator aus der Frequenzbereitstellungselektronik über den zweiten Phasenschieber die auszu-

wertende Mischfrequenz in einer solchen Phasenlage, daß das frequenzgleiche Störsignal- unterdrückt, die Ergebnisfunktion im Basisband dargestellt und mit einem einfachen Tiefpaß ausgefiltert wird. Die Phasenschieber sind den Mischstufen vorgeschaltet, um deren Schmalbandigkeit und damit leichte Realisierung zu sichern.

Ausführungsbeispiel

Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild einer möglichen Convolveranordnung mit einer akustischen Oberflächenwellenverzögerungsleitung, bei der alle Wandler aus geteilten Fingern bestehen und der Grunddurchlaßbereich bei f~ liegen soll.

Über eine geeignete und leicht realisierbare Frequenzvervielfa— eher- oder Teilerschaltung werden aus einem.Muttergenerator in der Frequenzbereitstellungselektronik 1 die Frequenzen f^. 2f~ oder 4f~ und 3f₀ abgeleitet. Die beiden Trägerfrequenzen i~ und 3fß werden mit den Singangsspannungen u.(t) und u^Ct) in den' Multiplikatoren 3, 5 amplitudenmoduliert, wobei der Träger 3f₀ durch den schmalbandigen Phasenschieber 2 um maximal 90° phasenverschoben werden kann.

Nach Durchlaufen der Verzögerungsleitung 4 und der an den Anzapfungen vorhandenen Mischstufen, die durch nichtlineare Bauelemente 6 realisiert sind, entsteht am Summationspunkt SU unter anderem die Mischfrequenz Sf^ (4f„), die mit dem folgenden Multiplikator 8 in den Gleichstrombereich zurückverschoben wird. Dazu wird diesem über den ebenfalls schmalbandigen Phasenschieber 7 die in der.Frequenzbereitstellungselektronik erzeugte Frequenz 2fß (4f~) so zugeführt, daß die in den nichtlinearen Bauelementen 6 durch Verdopplung (Vervierfachung) des Trägers f,, entstehende Wechselspannung keinen Gleichstromanteil erzeugt.. Mit dem Phasenschieber 2 läßt sich jetzt eine solche Phasenlage des ebenfalls an den nichtlinearen Kennlinien 6 entstehenden Nutzträgers einstellen, die dessen Amplitudendemodulation im Multiplikator 8 ermöglicht. Ein prinzipiell gleicher Funktionsablauf ergibt sich bei der Demodulation der Nutzfrequenz ^f₀-In Fig. 2 ist eine etappenweise Demodulation des Nutzsignals dargestellt. Hierzu wird das Frequenzgemisch am Summationspunkt SU mit der Trägerfrequenz f~ (3fn) in einer Mischstufe 9 multi-

pliziert und die Differenz ausgewertet.. Der folgende Multiplikator 8 wird über einen Phasenschieber 7 mit f.~ angesteuert und liefert das Faltungsergebnis im Basisband.

In Fig. 3 ist eine Anordnung dargestellt, bei der neben der bereits beschriebenen Unterdrückung von Störsignalen auch eine Unterdrückung der über lineare Kennlinienanteile der nichtlinearen Bauelemente 6 erscheinenden Trägerfrequenzen 3frv, (^n) erreicht werden kann. Hierzu sei angenommen, daß die Summenfrequenz 4f~ als Nutzträger ausgewertet werden soll. Der Mischstufe 9 wird neben dem Frequenzgemisch auch die Trägerfrequenz 3iq über einen Phasenschieber 10 so zugeführt, daß dies'e .keinen Gleichanteil erzeugt und der Nutzträger auf f_fi verschoben wird. Der Multiplikator 8 erzeugt in Verbindung mit dem Phasenschieber 7 das Ergebnis im Basisband und gewährleistet die Unterdrückung der vierfachen Trägerschwingung. Selbstverständlich ist die vorgeschlagene Anordnung unabhängig von der Ausführung der nichtlinearen Kennlinien 6 und damit ebenso auf Convolveranordnungen nach DE 294-9155-A1 und DE 3240794-A1 anwendbar.

Sine besonders günstige und in Fig. 4 dargestellte Variante kann als Trägerfrequenzen zwei frequenzgleiche, aber um 90° phasenverschobene Schwingungen nutzen, die in der Frequenzbereitstellungselektronik 1 neben der doppelten Frequenz erzeugt werden. Der folgende Funktionsablauf ist identisch mit dem schon beschriebenen, es entstehen aber jetzt am Summationspunkt SU zusätzlich zum Nutzsignal zwei frequenzgleiche Störsignale, deren 'Amplitude von je einem Träger abhängt und die zu dem das Amplitudenprodukt widerspiegelnden Nutzträger doppelter Trägerfrequenz eine Phasenverschiebung von 90° aufweisen und damit im als Demodulator wirkenden Multiplikator 8 durch Trägerzusatz aus der Frequenzbereitstellungselektronik und dem Phasenschieber 7 unterdrückt werden. Der Phasenschieber 2 kann hierbei entfallen.

Claims

Erfindungsanspruch

1. Anordnung zur Darstellung der Faltungsoperation unter Verwendung von mikroakustischen, angezapften Verzögerungsleitungen, bestehend aus einer Frequenzbereitstellungselektronik, einem AOW - Bauelement (4) und Mischstufen, wobei die Mischstufen an den Anzapfungen nichtline'are Bauelemente sind und zwei unterschiedliche Trägerfrequenzen durch weitere Mischstufen mit den Eingangssignalen amplitudenmoduliert werden, gekennzeichnet dadurch, daß die Trägerfrequenzen der Frequenzbereitstellungselektronik (1) phasenstarr gekoppelt sind, vor einer der drei Mischstufen, die der Frequenzbereitstellungselektronik nachge-

schaltet sind, ein Phasenschieber (2) zur Erzeugung einer Phasendifferenz von Mischfrequenz zu Störsignalträger von 90" angeordnet ist und vor einer zweiten dieser 3 Mischstufen (8) ein weiterer Phasenschieber (7) zur phasenrichtigen Zuführung des Trägersignals dient, wobei diese ,.Mischstufe einen multiplikativen Demodulator darstellt.
2. Anordnung zur Darstellung der Faltungsoperation unter Verwen- , dung von mikroakustischen, angezapften Verzögerungsleitungen nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß ein Phasenschieber zwischen einer Mischstufe und dem AOW - Bauelement angeordnet ist.
3. Anordnung zur Darstellung der Faltungsoperation unter Verwendung von mikroakustischen, angezapften Verzögerungsleitungen nach Punkt 1 und Punkt 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale am Summationspunkt SU eine weitere Mischstufe (9) durchlaufen und anschließend in der multiplikativen Mischstufe (8) demoduliert werden.
4. Anordnung zur Darstellung der Faltungsoperation unter Verwendung von mikroakustischen, angezapften Verzögerungsleitungen nach Punkt 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Mischstufe (9) ebenfalls eine multiplikative Mischstufe ist und über einen weiteren Phasenschieber (10) mit einer der beiden Trägerfrequenzen angesteuert wird.

Hierzu.A.„Seiten Zeichnungen