DE102004052418B4

DE102004052418B4 - Gewichtungsschaltung und Verfahren zum Einregeln eines Regelkreises

Info

Publication number: DE102004052418B4
Application number: DE102004052418A
Authority: DE
Inventors: Andreas Menkhoff
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Intel Deutschland GmbH
Priority date: 2004-10-28
Filing date: 2004-10-28
Publication date: 2012-05-10
Anticipated expiration: 2024-10-29
Also published as: CN1776548A; US7496336B2; DE102004052418A1; US20060111069A1; CN100559310C

Abstract

Gewichtungsschaltung zum Einregeln eines Regelkreises auf ein Eingangssignal (xe) wobei der Regelkreis einen Subtrahierer (4) aufweist, der von dem Eingangssignal ein gewichtetes Ruckkoppelsignal (xR) zur Erzeugung eines Regeldifferenzsignals (xd) subtrahiert, das an eine Regelstrecke (6) des Regelkreises (1) abgegeben wird, wobei ein Ausgangssignal der Regelstrecke (6) durch die Gewichtungsschaltung (13) mit einer Folge von Multiplikationsfaktoren (MF) zur Erzeugung des gewichteten Rückkoppelsignals (xR) multipliziert wird, wobei eine Frequenzbandbreite (fg) des Regelkreises (1) durch die Folge von Multiplikationsfaktoren (MF) schrittweise vermindert wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung und ein Verfahren zum Einregeln eines Regelkreises auf ein Eingangssignal, insbesondere für einen Signalempfänger.
In vielen technischen Gerten, insbesondere in Signalempfängern, sind ein oder mehrere Regelkreise vorgesehen.
1 zeigt einen Regelkreis nach dem Stand der Technik. Ein Subtrahierer des Regelkreises subtrahiert von einem an einem Eingang E anliegenden Eingangssignal x_e ein Rückführsignal x_R, das von einem internen Schleifenfilter abgegeben wird. Die durch den Subtrahierer erzeugte Regeldifferenz bzw. Regelabweichung x_d gelangt über eine Regelstrecke zu einem Ausgang A des Regelkreises. Das Ausgangssignal x_a der Regelstrecke bzw. die Regelgroße wird durch das Schleifenfilter gefiltert und als Rückführsignal x_R an den Subtrahierer abgegeben. Das Schleifenfilter bzw. der Regler koppeln das Ausgangssignal des Regelkreises an den Eingang zurück. In Abhängigkeit von der zu regelnden Regelstrecke wird das Schleifenfilter bzw. der Regler gewählt. Der in 1 dargestellte Regelkreis nach dem Stand der Technik enthält einen PID-Regler, der sich aus einem Proportional-(P-)Regler, einem Integral-(I-)Regler und einem Differential-(D-)Regler zusammensetzt.
Das Rückführsignal, das von dem PID-Regler bzw. dem Schleifenfilter abgegeben wird, ergibt sich aus dem Ausgangssignal wie folgt:
wobei K_P, K_I, K_D die Übertragungswerte bzw. Regelparameter des Reglers darstellen.
Die Übertragungsfunktion des Schleifenfilters lautet:
1 zeigt einen Regelkreis mit einem PID-Regler, bei dem ein Proportionalregler, ein Integratorregler und ein Differentialregler parallel in einem Schleifenfilter geschaltet sind. Ein derartiges Schleifenfilter kann durch Parallelschaltung von weiteren Signalzweigen, in denen beispielsweise mehrere Integratoren oder Differentiatoren in Reihe geschaltet sind, erweitert werden. Die Wahl des Schleifenfilters bzw. Reglers richtet sich nach der zu regelnden Regelstrecke. Regelstrecken mit einem verzogernden Übertragungsverhalten benötigen einen I- bzw. PI-Regler. Regelstrecken mit einem Integrationsverhalten kommen zwar mit einem P-Regler aus, allerdings sind gewisse zusätzliche Verbesserungen mit einem PI-Regler möglich. Bei vielen Regelaufgaben ist ein PID-Regler hinsichtlich Realisierungsaufwand, Handhabung und erzielbarer Wirkung vorteilhaft.
Der in 1 dargestellte Regelkreis nach dem Stand der Technik kann in digitaler oder in analoger Form aufgebaut werden. Regelkreise werden insbesondere in den Signalempfängern eingesetzt. Diese Regelkreise sind je nach unterschiedlichen Anforderungen unterschiedlich einzustellen. Beim Einregeln auf ein Eingangssignal wird der Regelkreis in einem sog. Akquisitionsmodus zunächst derart eingestellt, dass er möglichst schnell ist, d. h. derart, dass er die Regelabweichung möglichst schnell minimiert. Anschließend wird der Regler des Regelkreises in einem sogenannten Trackingmodus derart eingestellt, dass er träge bzw. langsam ist, um Störungen der Regelabweichung gut zu unterdrücken. Die Einstellung des Reglers bzw. des Schleifenfilters erfolgt mit Hilfe der Regelparameter K_P, K_I, K_D. Im Akquisitionsmodus weist der Regler eine hohe Frequenzbandbreite und im Trackingmodus eine kleine Frequenzbandbreite auf. Im Akquisitionsmodus ist der Regelkreis schnell und im Tackingmodus unterdruckt der Regelkreis gut Rauschstörungen.
In einer integrierten Schaltung befinden sich bei vielen Anwendungen eine Vielzahl von Regelkreisen. Beispielsweise ist es ublich, auf einem digitalen Empfänger einen Regelkreis zur analogen Verstarkungseinstellung, einen weiteren Regelkreis zur digitalen Verstärkungseinstellung, einen Regelkreis zur Tragerfrequenzeinstellung, einen Regelkreis zur Trägerphaseneinstellung und schließlich einen weiteren Regelkreis zur Taktphaseneinstellung vorzusehen. Darüber hinaus sind weitere Regelkreise zur Kanalschätzung innerhalb eines Empfängers vorgesehen. Die Einstellung der jeweiligen Regelparameter bewirkt eine Änderung der Grenzfrequenz fg des jeweiligen Regelkreises.
9 zeigt die Sprungantwort eines Regelkreises nach dem Stand der Technik. Wird das in 9a dargestellte Sprungsignal an einen Regelkreis nach dem Stand der Technik angelegt, ergeben sich die in 9 dargestellten Signalverläufe. Die Kurve I zeigt die Sprungantwort eines herkommlichen Regelkreises, der in dem Akquisitionsmodus arbeitet, während die Kurve II die Sprungantwort eines herkömmlichen Regelkreises im Trackingmodus darstellt. 9b zeigt die Sprungantwort am Ausgang des Schleifenfilters. Wenn sich der Regelkreis im Trackingmodus langsam dem Sollwert von I annähert, schwankt im Akquisitionsmodus das Signal stark um den Sollwert von 1. Bei herkömmlichen Regelkreisen befindet sich der Regelkreis zunächst im Akquisitionsmodus und wird dann in den Trackingmodus umgeschaltet. Dies geschieht, indem man zwischen zwei Sätzen von Regelparametern k_p, k_l, k_d zur Einstellung des Schleifenfilters umschaltet. Durch das harte Umschalten zwischen zwei Regelparametersätzen wird keine Minimierung der im Zeitverlauf integrierten Regelabweichung, d. h. der Energie des Regelfehlers bzw. des Regeldifferenzsignals Xd erreicht. Als weiterer St. d. T. sind die Druckschriften WO 83/00753 A1 und JP 1026902 A zu erwähnen. Diese beschreiben Regelkreise mit Gewichtungsschaltungen.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gewichtungsschaltung zum Einregeln eines Regelkreises auf ein Eingangssignal zu schaffen, mit der die Regelabweichung minimiert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Gewichtungsschaltung mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen und durch ein Verfahren mit den im Patentanspruch 17 angegebenen Merkmalen gelöst.
Die Erfindung schafft eine Gewichtungsschaltung zum Einregeln eines Regelkreises auf ein Eingangssignal x_e, wobei der Regelkreis eine Einrichtung aufweist, die von dem Eingangssignal x_e ein gewichtetes Rückkoppelsignal x_R zur Erzeugung eines Regeldifferenzsignals x_d subtrahiert, das an eine Regelstrecke des Regelkreises abgegeben wird, wobei die Gewichtungsschaltung aufweist: (a) ein steuerbares erstes Schieberegister, das einen Ausgangssignalwert der Regelstrecke von m höherwertigen Bits (MSB) eines zwischengespeicherten Steuerdatenwortes (Z) nach links verschiebt; (b) einen Multiplizierer, der den durch das steuerbare erste Schieberegister nach links verschobenen Signalwert mit n niederwertigen Bits (LSB) des Steuerdatenwortes (Z) multipliziert; (c) ein zweites Schieberegister, das den durch den Multiplizierer erzeugten Produktwert nach rechts entsprechend der Anzahl n von niederwertigen Bits (LSB) des Steuerdatenwortes (Z) verschiebt; und (d) einen Addierer, der den durch das erste Schieberegister nach links verschobenen Signalwert mit dem durch das zweite Schieberegister nach rechts verschobenen Produktwert addiert und an einen Signalausgang abgibt; (e)
wobei der Ausgangssignalwert xa der Regelstrecke durch die Gewichtungsschaltung mit einer Folge von Multiplikationsfaktoren MF zur Erzeugung des gewichteten Ruckkoppelsignals x_R multipliziert wird, wobei der Multiplikationsfaktor MF von den höherwertigen Bits und den niederwertigen Bits des Steuerdatenwortes abhängt; (f) wobei eine Frequenzbandbreite fg des Regelkreises durch die Folge von Multiplikationsfaktoren MF schrittweise vermindert wird.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gewichtungsschaltung wird die Frequenzbandbreite f_g des Regelkreises durch die Folge von Multiplikationsfaktoren MF schrittweise halbiert.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird jeder Multiplikationsfaktor zur Gewichtung des Ausgangssignals der Regelstrecke mit dem Ausgangssignal für eine bestimmte Zeitdauer multipliziert.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gewichtungsschaltung ist die Multiplikationsfaktorfolge derart, dass ein Zeit-Bandbreiteprodukt aus der Zeitdauer für die Halbierung der Frequenzbandbreite und der während des Einregelvorgangs aktuell eingestellten Erequenzbandbreite des Regelkreises während des Einregelvorgangs konstant ist.
Bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform der erfindungsgemäßen Gewichtungsschaltung wird die Regelstrecke durch eine Signalverzögerungsschaltung gebildet.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gewichtungsschaltung ist die Gewichtungsschaltung digital aufgebaut.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gewichtungsschaltung ist das Steuerdatenwort (Z) dabei in einem Register zwischengespeichert.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Gewichtungsschaltung einen zweiten Addierer auf, der einen Offsetwert mit einen Signalwert (S) addiert, wobei der Signalwert (S) durch einen Signalfolgegenerator erzeugt wird.
Dabei ist der Signalfolgegenerator vorzugsweise programmierbar.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gewichtungsschaltung weist diese einen Speicher zum Zwischenspeichern des Offsetwertes auf.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die erfindungsgemaße Gewichtungsschaltung in einem Schleifenfilter des Regelkreises vorgesehen.
Der erfindungsgemäßen Gewichtungsschaltung ist vorzugsweise ein Proportionalglied nachgeschaltet.
Der erfindungsgemäßen Gewichtungsschaltung ist alternativ ein Integrator nachgeschaltet.
Der erfindungsgemäßen Gewichtungsschaltung ist alternativ ein Differenziator nachgeschaltet.
Bei einer alternativen Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Gewichtungsschaltung analog aufgebaut.
Die Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Einregeln eines Regelkreises auf ein Eingangssignal mit den folgenden Schritten, nämlich
Subtrahieren von dem Eingangssignal x_e ein gewichtetes Rückkoppelsignal x_R zur Erzeugung eines Regeldifferenzsignals x_d, das an eine Regelstrecke abgegeben wird,
Multiplizieren eines Ausgangssignals der Regelstrecke mit einer Folge von Multiplikationsfaktoren MF zur Erzeugung des gewichteten Rückkoppelsignals XR, wobei jeder Multiplikationsfaktor MF zur Gewichtung des Ausgangssignalwertes der Regelstrecke mit diesem Ausgangssignalwert für eine bestimmte Zeitdauer multipliziert wird,
wobei die Frequenzbandbreite f_g des Regelkreises durch die Folge von Multiplikationsfaktoren MF schrittweise halbiert wird und ein Zeitdauer-Bandbreite-Produkt ZBP aus der Zeitdauer für die Halbierung der Frequenzbandbreite fg und der während des Einregelvorgangs aktuell eingestellten Frequenzbandbreite fg1 des Regelkreises konstant ist.
Des weiteren werden bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Gewichtungsschaltung und des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Bezugnahme auf die beigefugten Figuren zur Erlauterung erfindungswesentlicher Merkmale beschrieben.
Es zeigen:
1 einen Regelkreis nach dem Stand der Technik;
2 einen Regelkreis, der erfindungsgemaße Gewichtungsschaltungen enthalt;
3 den schaltungstechnischen Aufbau der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gewichtungsschaltung;
4 eine Tabelle zur Erläuterung der Funktionsweise der in 3 dargestellten erfindungsgemäßen Gewichtungsschaltung;
5 ein Diagramm zur Erläuterung der Funktionsweise der in 3 dargestellten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gewichtungsschaltung;
6 die Übertragungsfunktion einer erfindungsgemäßen Gewichtungsschaltung;
7 eine weitere Ausführungsform des Regelkreises, der eine erfindungsgemäße Gewichtungsschaltung enthält;
8 eine weitere Ausführungsform eines Regelkreises, der eine erfindungsgemäße Gewichtungsschaltung enthält;
9a, 9b Signaldiagramme zur Erläuterung des Verhaltens von einem herkömmlichen Regelkreis im Vergleich zu einem Regelkreis, der eine erfindungsgemaße Gewichtungsschaltung enthält.
Wie man aus 2 erkennen kann, weist ein Regelkreis 1 einen Signaleingang 2 zum Anlegen eines Eingangssignals x_e auf. Das Eingangssignal x_e kann komplexwertig sein. Der Signaleingang 2 ist uber eine interne Leitung 3 des Regelkreises 1 an eine Einrichtung 4 angeschlossen, die von dem Eingangssignal x_e ein gewichtetes Rückkoppelsignal x_R zur Erzeugung eines Regeldifferenzsignals x_d subtrahiert. Das von der Einrichtung 4 abgegebene Regeldifferenzsignal x_d wird über eine interne Leitung 5 an eine Regelstrecke 6 des Regelkreises 1 abgegeben. Bei der Einrichtung 4 handelt es sich vorzugsweise um einen Subtrahierer. Bei einer alternativen Ausführungsform wird die Einrichtung 4 durch einen Mischer gebildet, wobei dieser Ausführungsform zusätzlich ein Trägerphasendetektor in den Rückkoppelzweig vor dem Schleifenfilter 12 vorgesehen ist. Alternativ wird die Einrichtung 4 durch ein Resampling-Filter oder durch eine Cordic-Schaltung gebildet. Bei der Regelstrecke 6 kann es sich um eine beliebige Regelstrecke handeln. Bei einer Ausführungsform wird die Regelstrecke 6 durch eine Signalverzögerungsschaltung, beispielsweise eine einfache Signalleitung, gebildet. Das Ausgangssignal der Regelstrecke 6 wird uber eine interne Leitung 7 an einen Signalausgang 8 des Regelkreises 1 abgegeben. An einem Verzweigungsknoten 9 wird das Ausgangssignal der Regelstrecke 6 abgegriffen und über eine interne Leitung 10 an einen Signaleingang 11 eines Schleifenfilters bzw. Reglers 12 angelegt. Das Schleifenfilter 12 weist einen Signalausgang 13 auf, der über eine interne Leitung 14 ein gewichtetes Rückkoppelsignal x_R an die Einrichtung 4 anlegt.
Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform besteht der Regler bzw. das Schleifenfilter 12 aus einem sogenannten PID-Regler, bei dem ein Proportionalglied 12a, ein Integrator 12b und ein Differentiator 12c parallel verschaltet sind. Das Proportionalglied 12a, der Integrator 12b und der Differentiator 12c sind jeweils einer erfindungsgemäßen Gewichtungsschaltung 13a, 13b, 13c nachgeschaltet. Die Gewichtungsschaltungen 13a, 13b, 13c, die in dem Schleifenfilter 12 vorgesehen sind, sind schaltungstechnisch identisch aufgebaut. Die Gewichtungsschaltungen 13a, 13b, 13c erhalten das an dem Signaleingang 11 des Schleifenfilters 12 angelegte Ausgangssignal der Regelstrecke 6 und gewichten dieses Signal mit einer Folge von Multiplikationsfaktoren. Das von den Gewichtungsschaltungen 13a, 13b, 13c abgegebene gewichtete Ausgangssignal der Regelstrecke 6 wird über Leitungen 14a, 14b, 14c an das nachgeschaltete Proportionalglied 12a, den nachgeschalteten Integrator 12b und an den nachgeschalteten Differentiator 12c abgegeben. Das-Proportionalglied 12a, der Integrator 12b und der Differentiator 12c sind jeweils über Ausgangsleitungen 15a, 15b, 15c mit einem Addierer 16 innerhalb des Schleifenfilters 12 verbunden der die Signale zu dem Rückkoppelsignal x_R addiert.
Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform des Regelkreises 1 weist dieser drei erfindungsgemäße Gewichtungsschaltungen 13a, 13b, 13c, innerhalb eines Schleifenfilters 12 auf. Die Gewichtungsschaltungen multiplizieren das Ausgangssignal der Regelstrecke 6 mit einer Folge von Multiplikationsfaktoren MF₁. Dabei wird die Frequenzbandbreite f_g des Regelkreises 1 durch die Folge von Multiplikationsfaktoren MF₁ schrittweise vermindert. Bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform der erfindungsgemäßen Gewichtungsschaltung 13 wird dabei die Frequenzbandbreite fg des Regelkreises 1 durch die Folge von Multiplikationsfaktoren schrittweise halbiert. Jeder Multiplikationsfaktor MF_i der Multiplikationsfaktorfolge wird zur Gewichtung des Ausgangssignals der Regelstrecke 6 mit dem Ausgangssignal x_a für eine bestimmte Zeitdauer multipliziert. Dabei ist das Zeitdauer-Bandbreite-Produkt aus der Zeitdauer für die Halbierung der Frequenzbandbreite fg und der während des Einregelvorgangs aktuell eingestellten Frequenzbandbreite des Regelkreises 1 während des Einregelvorgangs konstant.
3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der in 2 dargestellten Gewichtungsschaltungen 13. Jede Gewichtungsschaltung 13 weist einen Signaleingang 13-1 zum Anlegen des zu gewichtenden Signals auf. Der Signaleingang 13-1 der Gewichtungsschaltung 13 ist mit einem ersten Schieberegister 13-2 verbunden. Das erste Schieberegister 13-2 ist ein steuerbares Schieberegister, das den angelegten Signalwert in Abhangigkeit von m höherwertigen Bits (MSB) eines Steuerdatenwortes Z nach links verschiebt. Bei der in 3 dargestellten Ausführungsform weist die Gewichtungsschaltung 13 ein Register 13-3 zum Zwischenspeichern des Steuerdatenwortes Z auf. Das Steuerdatenwort Z umfasst m höherwertige Bits (MSB) und n niederwertige Bits (LSB). Das Steuerdatenwort Z umfasst beispielsweise bei einer bevorzugten Ausführungsform m = 5 höherwertige Bits und n = 3 niederwertige Bits. Dementsprechend umfasst das Steuerdatenwort Z in dieser Ausführungsform insgesamt 8 Bits. Die höherwertigen Steuerbits MSB, die in dem Register 13-3 zwischengespeichert sind, steuern über m Steuerleitungen das erste Schieberegister 13-2 an. Das Schieberegister 13-2 verschiebt den angelegten Signalwert, der die Wortbreite w_b aufweist in Abhängigkeit von dem m höherwertigen Steuerbits nach links.
Die Gewichtungsschaltung 13 gemaß der Erfindung weist ferner einen Multiplizierer 13-4 auf, der den durch das steuerbare erste Schieberegister 13-2 nach links verschobenen Signalwert mit den n niederwertigen Bits (LSB) des Steuerdatenwortes Z multipliziert.
Die erfindungsgemäße Gewichtungsschaltung 13 weist ferner ein zweites Schieberegister 13-5 auf, das den durch den Multiplizierer 13-4 erzeugten Produktwert nach rechts entsprechend der Anzahl n von niederwertigen Bits (LSB) des Steuerdatenwortes Z verschiebt. Ausgangsseitig ist das zweite Schieberegister 13-5 mit einem ersten Addierer 13-6 der erfindungsgemäßen Gewichtungsschaltung 13 verbunden. Der erste Addierer 13-6 addiert den durch das erste Schieberegister 13-2 nach links verschobenen Signalwert mit dem durch das zweite Schieberegister 13-5 nach rechts verschobenen Produktwert und gibt den Summenwert an einen Signalausgang 13-7 der Gewichtungsschaltung 13 ab.
Die Gewichtungsschaltung 13 enthält bei einer Ausführungsform ferner einen zweiten Addierer 13-8, der einen Offsetwert mit einem Signalwert S zur Erzeugung des Steuerdatenwortes Z addiert. Dabei wird der Signalwert S vorzugsweise durch einen Signalfolgegenerator 13-9 erzeugt. Bei einer Ausführungsform wird der Offsetwert an einem Signaleingang 13-10 der Gewichtungsschaltung 13 angelegt. Bei einer alternativen Ausführungsform ist der Offsetwert in einem weiteren Zwischenspeicher zwischengespeichert. Der Signalfolgegenerator 13-9 ist vorzugsweise über eine Schnittstelle 13-11 programmierbar. Darüber hinaus erhält der Signalfolgegenerator 13-a bei einer bevorzugten Ausführungsform über einen ersten Steuereingang 13-12 einen Startwert und über einen weiteren Steuereingang 13-13 einen Stopwert.
Wie man 2 entnehmen kann ist der erfindungsgemaßen Gewichtungsschaltung 13 vorzugsweise entweder ein Proportionalglied 12a, ein Integrator 12b oder ein Differentiator 12c nachgeschaltet.
Die in 3 dargestellte Gewichtungsschaltung 13 ist digital aufgebaut. Bei einer alternativen Ausführungsform kann die Gewichtungsschaltung 13 auch analog aufgebaut werden.
Im Weiteren wird die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Gewichtungsschaltung 13 beschrieben.
Der Ausgangssignalwert am Ausgang 13-7 der Gewichtungsschaltung 13 ergibt sich aus dem Produkt des sich an den Signaleingang 13-1 anlegenden Eingangssignal mit einem Multiplikationsfaktor MF: Ausgangssignal = MF·Eingangssignal (1)
Dabei hängt der Multiplikationsfaktor MF wie folgt von den höherwertigen Bits (MSB) und den niederwertigen Bits (LSB) des Steuerdatenwortes Z, das in dem Register 13-3 zwischengespeichert ist, ab:
wobei 0 ≤ MSB ≤ 2^m – 1 (3) 0 ≤ LSB ≤ 2ⁿ – 1 (4)
Der Wertebereich des Multiplikationsfaktors MF ergibt sich bei der erfindungsgemäßen Gewichtungsschaltung 13 wie folgt: 1 ≤ MF ≤ MF_max (5) wobei der minimale Multiplikationsfaktor MF_min eins ist:
Der maximale Multiplikationsfaktor M_max ergibt sich zu
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Anzahl der höherwertigen Bits (MSB) m = 5 und die Anzahl der niederwertigen Bits (LSB) n = 3.
Somit ergibt sich bei dieser bevorzugten Ausfuhrungsform der Wertebereich der einstellbaren Multiplikationsfaktoren MF wie folgt: 0 ≤ MSB ≤ 2⁵ – 1 = 31 (8) 0 ≤ LSB ≤ 2³ – 1 = 7 (9)
Der durch Gleichung (2) definierte Multiplikationsfaktor MF lässt sich mit: MSB = n + k (12) wie folgt darstellen:
wobei 2^k die absolute Schrittweite ASW der erfindungsgemäßen Gewichtungsschaltung 13 darstellt. Wenn im Fall der Gewichtungsschaltung 13 n = 3 niederwertige Bits LSB vorgesehen sind ergeben sich die Multiplikationsfaktoren MF₁ der erfindungsgemäßen Gewichtungsschaltung 13 wie folgt:
Die absolute Schrittweite ASW der erfindungsgemäßen Gewichtungsschaltung 13 ergibt sich zu: ASW = 2^k (15)
Die relative Schrittweite RSW der erfindungsgemäßen Gewichtungsschaltung 13 ergibt sich somit zu:
Für die bevorzugte Ausfuhrungsform bei der die Anzahl der niederwertigen Bits (LSB) n = 3 beträgt, ergibt sich somit die relative Schrittweite RSW der erfindungsgemäßen Gewichtungsschaltung 13 zu: RSW = 9 + LSB / 8 + LSB (17) wobei 0 ≤ LSB ≤ 2ⁿ – 1 = 7 (18)
Die relative Schrittweite RSW der erfindungsgemäßen Gewichtungsschaltung 13 ergibt sich damit in Abhängigkeit von den niederwertigen Bits LSB für n = 3 zu: RSW(LSB = 0) = ⁹/₈ RSW(LSB = 1) = ¹⁰/₉ RSW(LSB = 2)= ¹¹/₁₀ RSW(LSB = 3) = ¹²/₁₁ RSW(LSB = 4) = ¹³/₁₂ RSW(LSB = 5) = ¹⁴/₁₃ RSW(LSB = 6) = ¹⁵/₁₄ RSW(LSB = 7) = ¹⁶/₁₅ (19)
Die relative Schrittweite RSW für unterschiedliche absolute Schrittweiten K der erfindungsgemäßen Gewichtungsschaltung 13 konstant. So gilt: ⁹/₈(K = 0) = ¹⁸/₁₆(K = 1) = ³⁶/₃₂(K = 2) = ⁷²/₆₄(K = 3) (20)
Ein Vorteil der erfindungsgemaßen Gewichtungsschaltung 13, wie sie an dem Schleifenfilter 12 des Regelkreises 1 eingesetzt wird, gegenüber herkömmlichen Multiplizierern, wie sie in dem Schleifenfilter des in 1 dargestellten herkömmlichen Regelkreises eingesetzt werden, besteht darin, dass die Quantisierung der erfindungsgemäßen Gewichtungsschaltung 13 nicht wie bei herkömmlichen Multiplizierern linear ist. Herkommliche Multiplizierer weisen inhärent eine lineare Quantisierung auf. Dies bedeutet, dass die Änderung eines niederwertigen Bits (LSB) relativ gesehen sehr unterschiedliche Auswirkungen haben kann. Beispielsweise wird bei einem 7 bit-Multiplizierer bei einem Ubergang des niederwertigen Bits LSB von eins auf zwei ein Multiplikationsfaktor von 1/128 auf 2/128 geändert, d. h. der Multiplikationsfaktor MF ändert sich um 100%. Bei Änderung eines höherwertigen Bits, beispielsweise von 100/128, 101/128 ändert sich der Multiplikationsfaktor MF dahingegen lediglich um 1%. Herkömliche Gewichtungsschaltungen mit Multiplizierern sind daher fur einen Anwender intuitiv nur sehr schlecht einstellbar, da bei kleinen Werten durch Änderung eines niederwertigen Bits LSB der Multiplikationsfaktor MF stark geändert und bei großen Werten bei Anderung eines niederwertigen Bits (LSB) fast keine Änderung des Multiplikationsfaktors erfolgt. Die erfindungsgemäße Gewichtungsschaltung 13 weist somit den Vorteil auf, dass sie im Vergleich zu herkömmlichen Gewichtungsschaltung wesentlich leichter einstellbar ist.
Ein weiterer Nachteil einer Gewichtungsschaltung, die Multiplizierer einsetzt, besteht darin, dass zur feinen Quantisierung auch von kleinen Werten die Multiplizierer groß ausgelegt werden müssen, d. h. sie müssen eine hohe Bitbreite aufweisen. Hierdurch wird der schaltungstechnische Aufwand erhöht. Bei einem Multiplizierer mit einer vorbestimmten Bitbreite ist es daher in der Regel so, dass für kleine Signalwerte die Quantisierung, die der Multiplizierer bietet, zu grob ist und fur große Signalwerte die Quantisierung, die der Multiplizierer bietet, zu fein ist. Ein feines gleichmäßiges Andern der Regelparameter ist daher mit herkömmlichen Gewichtungsschaltungen, die Multiplizierer einsetzen, nicht möglich da die linearen Quantisierungsschritte entweder zu grob oder zu klein sind.
Die in 4 dargestellte Tabelle stellt die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Gewichtungsschaltung 13 gemäß 3 bei einer bevorzugten Ausführungsform dar. Bei dem in 4 dargestellten Beispiel wird mit der erfindungsgemäßen Gewichtungsschaltung 13 der Multiplikationsfaktor MF zur Gewichtung des Ausgangssignals der Regelstrecke 6 bitweise von einem Anfangswert 128 auf einen Endwert 8 vermindert.
Die in 4 gezeigte Tabelle zeigt die in dem Register 13-3 zwischengespeicherte Bitfolge, wobei die höherwertigen Bits MSB das Schieberegister 13-2 ansteuern und die niederwertigen Bits LSB an den Multiplizierer 13-4 angelegt werden.
Zum Zeitpunkt t₀ wird das zu gewichtende Ausgangssignal der Regelstrecke mit einem Multiplikationsfaktor 128 gewichtet. Hierzu verschiebt das Schieberegister 13-2 den angelegten Signalwert um sieben Stellen nach links, was einer Multiplikation mit einen Faktor 2' = 128 entspricht. Dementsprechend weisen die höherwertigen Bits MSB einen entsprechenden Wert in digitaler Form auf (7 = 00111). Die niederwertigen Bits LSB, die in dem Register 13-3 zwischengespeichert sind, sind allesamt zum Zeitpunkt t₀ null. Die in dem Register 13-3 gespeicherte Bitfolge entspricht einem Steuerdatenwort Z = 56. Dieses Steuerdatenwort Z wird bei der in 13 dargestellten Ausführungsform durch die Summe aus einem konstanten Offsetwert Offset = 24 und einem Signalwert S = 32 gebildet.
Zum Zeitpunkt t₁ wird der Multiplikationsfaktor MF auf MF = 64 halbiert. Hierzu wird das Steuerdatenwort Z auf 48 eingestellt, indem man den konstanten Offsetwert 24 mit einem niedrigeren Signalwert S = 24 addiert. Auf diese Weise wird der Multiplikationsfaktor MF sequentiell bzw. schrittweise bis zu einem Endwert 8 vermindert. 4 zeigt die entsprechenden Steuerdatenwörter Z sowie die entsprechenden, durch den Folgegenerator 13-9 erzeugten Signalwerte S.
5 zeigt die Änderung des Multiplikationsfaktors MF im Zeitverlauf durch das in 4 dargestellte Beispiel. Wie man aus 5 erkennen kann, wird der Multiplikationsfaktor MF zeitdiskret schrittweise vermindert.
Wie man aus der Tabelle in 4 erkennen kann, ist die Multiplikationsfaktorfolge, d. h. die Folge der Multiplikationsfaktoren MF₁ derart, dass das Zeitdauer-Bandbreite-Produkt konstant ist.
Das Zeitdauer-Bandbreite-Produkt ergibt sich aus der Zeitdauer für die Halbierung der Frequenzbandbreite f_g des Regelkreises 1 und der wahrend des Einregelvorgangs aktuell eingestellten Frequenzbandbreite fg₁ des Regelkreises 1.
Somit ergibt sich für das Zeitdauer-Bandbreite-Produkt (ZBP) in folgender Zusammenhang:
Die Frequenzbandbreite fg des Regelkreises 1 wird durch die Folge der Multiplikationsfaktoren MF₁ schrittweise halbiert. Mit abnehmender Frequenzbandbreite f_g1 des Regelkreises wird die Anderung der Multiplikationsfaktoren MF_i immer geringer.
6 zeigt die Übertragungscharakteristik des Regelkreises 1, der die erfindungsgemäße Gewichtungsschaltung 13 enthält, in Abhängigkeit von der Frequenz f. Die Frequenzbandbreite f_g des Regelkreises führt zu einer Amplitudendämpfung von –3 db. Der Regelkreis 1 weist ein Hochpassverhalten mit bestimmter Frequenzbandbreite f_g auf, d. h. der Frequenzbereich ist zwischen 0 Hz und der Grenzfrequenz f_g. Durch Halbierung des Multiplikationsfaktors MF wird die Frequenzbandbreite f_g1 zum Zeitpunkt t₁ halbiert. Durch weitere Verminderung des Multiplikationsfaktors auf den Multiplikationswert MF = 32 wird die Grenzfrequenz f_g2 des Regelkreises 1 zum Zeitpunkt t₂ nochmals halbiert. Wie man aus den 4, 5, 6 erkennen kann, ist das Bandbreite-Produkt während des Einregelvorgangs konstant.
Bei der in 3 dargestellten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gewichtungsschaltung 13 wird der Signalwert S, der mit dem Offsetwert zu dem Steuerdatenwort Z addiert wird, durch den Signalfolgegenerator 13-9 generiert.
Die in 4 dargestellt Signalfolge S lässt sich vorzugsweise durch Signalfolgegenerator 13-9 entsprechend folgendem Programm generieren: Bez = 2ⁿ S_Start := 32 S_Stop := ⌀ DELTA = BEZ S := S_Start While S ≥ S_Stop Output S S := S – DELTA IF Modulo[S/BEZ] = ⌀ THEN DELTA := DELTA / 2 (23)
Dabei wird dem Signalfolgegenerator über einen Steuereingang 13-12 ein Startwert S_start = 32 übergeben und über einen weiteren Steuereingang 13-13 ein Stopwert S_stop = 0 angelegt.
Eine Bezugsgröße BEZ hängt von der Anzahl n von niederwertigen Bits LSB ab. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist n = 3.
Solange der Signalwert S größer als der Stopwert ist, wird der Signalwert S um einen Δ-Wert Delta vermindert. Zunächst ist der Δ-Wert gleich der Bezugsgröße. Der Δ-Wert wird halbiert, wenn Modulo(S/BEZ) = 0 ist.
Bei einer ersten Ausführungsform ist der Signalfolgegenerator 13-9 ein programmierbarer Mikroprozessor. Bei einer alternativen Ausführungsform ist das oben angegebene Programm fest verdrahtet.
Bei der in 3 dargestellten Ausführungsform wird das Steuerdatenwort Z mit Hilfe eines Offsetwertes und des Signalfolgegenerators 13-9 erzeugt. Bei einer alternativen Ausführungsform wird das Steuerdatenwort Z extern in das Register 13-3 eingeschrieben. Bei dieser Ausführungsform enthält die Gewichtungsschaltungsschaltung 13 somit keinen Addierer 13-8 und keinen Signalfolgegenerator 13-9.
Mit der erfindungsgemäßen Gewichtungsschaltung 13, wie sie in 3 dargestellt ist, wird die Frequenzbandbreite f_g des Regelkreises 1 durch die Folge von Multiplikationsfaktoren MF₁ schrittweise halbiert, wobei das Zeitdauer-Bandbreite-Produkt konstant bleibt. Der Regelkreis 1 wird somit schrittweise bzw. kontinuierlich von einem Akquisitionsbetriebsmodus, bei dem der Regelkreis eine hohe Bandbreite aufweist, in einen Trackingmodus, bei dem der Regelkreis eine niedrige Bandbreite aufweist, überführt. Die Kurve II in 9b zeigt die entsprechende Sprungantwort des Regelkreises 1, der die erfindungsgemäße Gewichtungsschaltung 13 enthalt.
Dabei wird die Regelabweichung bzw. die Energie des Regeldifferenzsignals x_d über die Zeit mittels der erfindungsgemäßen Gewichtungsschaltung 13 minimiert.
Die erfindungsgemäße Gewichtungsschaltung 13 vermindert den Multiplikationsfaktor MF in zeitdiskreten Schritten, wobei das Zeitdauer-Bandbreite-Produkt konstant ist. Mit abnehmender Frequenzbandbreite f_g ist die Änderung des Multiplikationsfaktors bzw. des Gewichtungswertes immer geringer.
7 zeigt eine weitere Ausführungsform des Regelkreises 1. Bei dieser Ausführungsform ist durch eine Gewichtungsschaltung 13 die Multiplikation des Ausgangssignals der Regelstrecke 6 mit einer Folge von Multiplikationsfaktoren vorgesehen. Ausgangsseitig ist ein Proportionalglied 12a, ein Integrator 12b und ein Differentiator 12c an die Gewichtungsschaltung 13 angeschlossen.
8 zeigt eine weitere Ausführungsform des Regelkreises 1, bei dem ebenfalls nur eine Gewichtungsschaltung 13 vorgesehen ist, die über steuerbare Schalteinrichtungen an das Proportionalglied 12a, den Integrator 12b und den Differentiator 12c angeschlossen ist.
Bezugszeichenliste

1: Regelkreis
2: Regelkreiseingang
3: interne Leitung
4: Subtrahierer
5: interne Leitung
6: Regelstrecke
7: interne Leitung
8: Regelkreisausgang
9: Verzweigungsknoten
10: interne Leitung
11: Schleifenfiltereingang
12: Schleifenfilter
13: Schleifenfilterausgang
14: Rückkoppelleitung
13: Gewichtungsschaltung
14: interne Leitung
15: interne Leitung

Claims

Gewichtungsschaltung zum Einregeln eines Regelkreises (1) auf ein Eingangssignal (x_e), wobei der Regelkreis (1) eine Einrichtung (4) aufweist, die von dem Eingangssignal (x_e) ein gewichtetes Rückkoppelsignal (x_R) zur Erzeugung eines Regeldifferenzsignals (x_d) subtrahiert, das an eine Regelstrecke (6) des Regelkreises (1) abgegeben wird, wobei die Gewichtungsschaltung (13) aufweist: (a) ein steuerbares erstes Schieberegister (13-2), das einen Ausgangssignalwert der Regelstrecke (6) von m höherwertigen Bits (MSB) eines zwischengespeicherten Steuerdatenwortes (Z) nach links verschiebt; (b) einen Multiplizierer (13-4), der den durch das steuerbare erste Schieberegister (13-2) nach links verschobenen Signalwert mit n niederwertigen Bits (LSB) des Steuerdatenwortes (Z) multipliziert; (c) ein zweites Schieberegister (13-5), das den durch den Multplizierer (13-4) erzeugten Produktwert nach rechts entsprechend der Anzahl n von niederwertigen Bits (LSB) des Steuerdatenwortes (Z) verschiebt; und (d) einen Addierer (13-6), der den durch das erste Schieberegister (13-2) nach links verschobenen Signalwert mit dem durch das zweite Schieberegister (13-5) nach rechts verschobenen Produktwert addiert und an einen Signalausgang (13-7) abgibt; (e) wobei der Ausgangssignalwert der Regelstrecke (6) durch die Gewichtungsschaltung (13) mit einer Folge von Multiplikationsfaktoren (MF) zur Erzeugung des gewichteten Rückkoppelsignals (x_R) multipliziert wird, wobei der Multiplikationsfaktor (MF) von den höherwertigen Bits (MSB) und den niederwertigen Bits (LSB) des Steuerdatenwortes (Z) wie folgt abhängt:
(f) wobei eine Frequenzbandbreite (f_g) des Regelkreises (1) durch die Folge von Multiplikationsfaktoren (MF) schrittweise vermindert wird.
Gewichtungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzbandbreite (f_g) des Regelkreises (1) durch die Folge von Multiplikationsfaktoren (MF) schrittweise halbiert wird.
Gewichtungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Multiplikationsfaktor (MF) zur Gewichtung des Ausgangssignalwertes der Regelstrecke (6) mit diesem Ausgangssignalwert (x_a) für eine bestimmte Zeitdauer multipliziert wird.
Gewichtungsschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Multiplikationsfaktorfolge derart ist, dass das Zeitdauer-Bandbreiteprodukt (ZBP) aus der Zeitdauer (ΔT1) für die Halbierung der Frequenzbandbreite (f_g) und der während des Einregelvorganges aktuell eingestellten Frequenzbandbreite (fg1) des Regelkreises (1) während des Einregelvorgangs konstant ist.
Gewichtungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelstrecke (6) durch eine Signalverzögerungsschaltung gebildet ist.
Gewichtungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewichtungsschaltung (13) digital aufgebaut ist.
Gewichtungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerdatenwort (Z) in einem Register (13-3) zwischengespeichert ist.
Gewichtungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewichtungsschaltung (13) einen weiteren Addierer (13-8) aufweist, der einen Offsetwert mit einem Signalwert (S) addiert, wobei der Signalwert (S) durch einen Signalfolgegenerator (13-9) erzeugt wird.
Gewichtungsschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalfolgegenerator (13-9) programmierbar ist.
Gewichtungsschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewichtungsschaltung (13) einen Speicher zum Zwischenspeichern des Offsetwertes aufweist.
Gewichtungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewichtungsschaltung (13) in einem Schleifenfilter (12) des Regelkreises (1) vorgesehen ist.
Gewichtungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewichtungsschaltung (13) ein Proportionalglied (12a) nachgeschaltet ist.
Gewichtungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewichtungsschaltung (13) ein Integrator (12b) nachgeschaltet ist.
Gewichtungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewichtungsschaltung (13) ein Differenziator (12c) nachgeschaltet ist.
Gewichtungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewichtungsschaltung (13) analog aufgebaut ist.
Gewichtungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Subtrahiereinrichtung (4) ein Subtrahierer, ein Mischer, ein Resampling-Filter oder eine Cordic-Schaltung ist.
Verfahren zum Einregeln eines Regelkreises (1) auf ein Eingangssignal (x_e) mit den folgenden Schritten: (a) Subtrahieren (4) von dem Eingangssignal (x_e) ein gewichtetes Rückkoppelsignal (x_R) zur Erzeugung eines Regeldifferenzsignals (x_d), das an eine Regelstrecke (6) abgegeben wird; (b) Multiplizieren eines Ausgangssignalwertes der Regelstrekke (6) mit einer Folge von Multiplikationsfaktoren (MF) zur Erzeugung des gewichteten Rückkoppelsignals (x_R), (c) wobei jeder Multiplikationsfaktor (MF) zur Gewichtung des Ausgangssignalwertes der Regelstrecke (6) mit diesem Ausgangssignalwert für eine bestimmte Zeitdauer multipliziert wird. (d) wobei eine Frequenzbandbreite (f_g) des Regelkreises (1) durch die Folge von Multiplikationsfaktoren (MF) schrittweise halbiert wird und ein Zeitdauer-Bandbreite-Produkt (ZBP) aus der Zeitdauer (ΔT₁) für die Halbierung der Frequenzbandbreite (f_g) und der während des Einregelvorgangs aktuell eingestellten Frequenzbandbreite (f_g1) des Regelkreises (1) konstant ist.