DE1462659B2

DE1462659B2 - Optimales Suchfilter

Info

Publication number: DE1462659B2
Application number: DE1462659A
Authority: DE
Inventors: Etienne Paul Antibes Alpes-Maritimes Gorog (Frankreich)
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1965-02-26
Filing date: 1966-02-23
Publication date: 1974-07-04
Also published as: FR1453270A; NL145397B; NL6602462A; US3577089A; DE1462659A1; GB1133353A

Description

Die Erfindung betrifft ein optimales Suchfilter mit einem Analogaddierer, dessen erstem Eingang das empfangene Signal, und dessen weiteren Eingängen von entsprechenden Verzögerungsleitungsabschnitten, denen das empfangene Signal aufeinanderfolgend ebenfalls zugeleitet wird, die zu kompensierenden Amplitudenwerte des Signals über entsprechend gewichtete Zuführungsleitungen eingegeben werden.

Ein optimales Suchfilter dieser Art ist in der USA.-Patentschrift 2 759 044 und in der Nachrichtentechnischen Zeitschrift Jahrgang 17, Heft 12, Dezember 1964 auf den S. 605 bis 613 beschrieben. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, optimale Suchfilter dieser Art in ihrer Wirkung zu verbessern, so daß eine größere Betriebssicherheit gegenüber vorher in allen Anwendungsfällen gewährleistet ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Eingang des optimalen Suchfilters eine Anzahl von wj—1 Verzögerungseinrichtungen enthält, deren Verzögerungszeit Θ jeweils dem Intervall Θ zwischen zwei gesendeten Impulsen entspricht, und wo m die Anzahl der Sendeimpulsintervalle ist, die von der Hauptamplitude des verzerrten Impulses aber innerhalb der Signalverbreiterung liegen, daß der erste Ausgang des Analogaddierers, der lediglich die Signalwerte der m—l Verzögerungseinrichtungen erfaßt, mit dem Eingang eines Schwellenwertdetektors zur Erfassung der Hauptamplitude des verzerrten Signals verbunden ist, dessen Ausgang an den Eingang einer Kette von Kippschaltungen D1 bis D 6 mit der Anzahl m + η — 1 wo m die Anzahl der Zeitintervalle Θ nach dem Auftreten der Hauptamplitude des verzerrten Impulses innerhalb des Signals darstellt, angeschlossen ist und deren Ausgänge mit den weiteren Eingängen des Analogaddierers über an sich bekannte, entsprechend gewichtete Zuführungsleitungen mit Hilfe von Schaltvorrichtungen anschließbar sind, die je nach dem Ergebnis der Vorzeichenfeststellung des Schwellenwertdetektors in bezug auf dasempfangeneSignal betätigt werden. Während bei bekannten Vorrichtungen dieser Art als Hauptamplitude nur diejenige Amplitude aufgefaßt wird, die zur Zeit des Sendeimpulses auftritt, wird bei der Erfindung unter Hauptamplitude auch eine wesentliche Störamplitude verstanden, die vor dem oben definierten Zeitpunkt auftritt und außerdem einen vorgegebenen Wert überschreitet. Damit ist aber die erfindungsgemäße Anordnung in ihrer Wirkung unabhängig davon, ob die richtige Hauptamplitude zuerst festgestellt wird oder nicht. Dies ist vorteilhaft bei manchen Übertragungssystemen, bei denen eine Vorläuferschwingung eine Maximalamplitude erreichen kann, die der der Schwingung zur Zeit des Sendeimpulses größenordnungsmäßig nahekommen kann. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß die entzerrrten Impulse einer übertragenen Information immer zur richtigen Zeit auftreten oder zumindest keine störenden Impulsverschiebungen auftreten können. Dadurch, daß die Schaltung auf einen bestimmten Schwellenwert ansprechen muß, um wirksam zu sein, kann die erfindungsgemäße Schaltung auch in vorteilhafter Weise zur Fehlerentdeckung eingesetzt werden, um ausfallende Impulse einer übertragenen Information anzuzeigen.

Die Impulsentzerrung erstreckt sich also auf Störamplituden, die einer Hauptamplitude folgen und auf die, die dieser vorangehen. Da nur m—l Verzögerungseinrichtungen vorgesehen sind, wird die erste wesentliche Störamplitude nicht korrigiert, sondern dient dazu, den Kompensationsvorgang einzuleiten. Der über die erste Verzögerungseinrichtung am Eingang des optimalen Suchfilters verzögerte Signalanteil wird über eine mit 1 gewichtete Zuführungsleitung auf den zweiten Eingang des Analogaddierers gekoppelt, d. h. direkt mit dem in den Analogaddierer über den ersten Eingang eingeführten unverzögerten Signalanteil überlagert, und zwar ohne daß dabei ein besonderer Rückkopplungspfad vorgesehen ist. Die Einstellung der für die gewichteten Zuleitungen maßgeblichen Widerstände entsprechend den Amplitudenwerten des verzerrten Signals zu den Abtastzeiten, wird ein für alle

mal vorgenommen, wenn eine Änderung des Übertragungssystems nicht vorgesehen ist, da sie sich in ihrer Wirkung gegenseitig nicht beeinflussen.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, die an Hand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe der nachstehend aufgeführten Zeichnungen die Erfindung näher erläutert, und aus den Patentansprüchen.
Es zeigt:
F i g. 1 die graphische Darstellung eines bei der

Übertragung verzerrten Impulses, dessen Ausgangsform ein Rechteckimpuls P ist,

F i g. 2 die graphische Darstellung eines verzerrten Impulses, der zum Teil entzerrt ist,

F i g. 3 die graphische Darstellung eines gemäß der Erfindung entzerrten Impulses,

F i g. 4 ein optimales Suchfilter gemäß der Erfindung.

Wird ein Rechteckimpuls P (Fig. 1) einem Übertragungssystem zugeführt, dann entsteht in vielen Fällen auf Grund der Übertragungsparameter des Ubertragungssystems an dessen Ausgang ein verzerrter Impuls, dessen Verlauf z. B. der der Kurve Γ sein kann, d. h. in etwa den Verlauf einer Impulsfunktion haben kann, die unter der Wirkung eines Tiefpaßfilters entsteht. Wird der Impulsabstand, der der Übertragungsleitung zugeführten Impulse P mit Θ bezeichnet, dann ergibt sich aus der Betrachtung des Signalverlaufs Γ, daß das Kurzzeitspektrum für einen gegebenen Impuls sich über mehrere Zeitintervalle Θ erstreckt. Eine Folge von mehreren Impulsen P ergibt dann einen Signalverlauf Σ, der sich aus den einzelnen Signalverläufen Γ zusammensetzt und damit ein Langzeitspektrum darstellt. Die am Empfangsort eintreffenden Signale müssen in einzelne Impulse aufgelöst werden, die denen der Impulsfolge am Sendeort entsprechen. Diese Impulszeiten am Empfangsort sollen die Bezeichnung Abtastzeiten erhalten. Das sich am Empfangsprt ergebende Langzeitspektrum Σ kann also dann die übertragene Information eindeutig wiedergeben, wenn jeweils für ein Kurzzeitspektrum Γ die Amplitudenwerte zu den Abtastzeitpunkten tu die vom Zeitpunkt t₀ verschieden sind, wobei t₀ der Impulszeit des jeweiligen Impulses, also dem Zeitpunkt des Maximalwertes der Amplitude des Kurzzeitspektrums entspricht, festgestellt werden.

Das Kurzzeitspektrum Γ am Empfangsort kann allgemein in erster Näherung durch folgendes Polynom ausgedrückt werden:

ß(x) = i~⁺" ί/χί

■ I= -m

Hierin ist η und m jeweils größer 0. Si stellt die jeweiligen Amplitudenwerte zu den Abtastzeiten U dar. m bedeutet die Anzahl der festgestellten Amplitudenwerte, die zeitlich vor dem mit <x bezeichneten Bereich der Hauptamplitude liegen, während η die Anzahl der Amplitudenwerte darstellt, die zeitlich hinter dem Bereich χ liegen. Werden nun die aus der graphischen Darstellung nach F i g. 1 ersichtlichen jeweiligen Amplitudenwerte Si in die obige Formel eingesetzt, dann ergibt sich:

Ω (χ) = -^0,Ix⁴ + 0,2x³ + 0,3x² - 0,5 + 1 + 0,2x

Der Term 1 in obenstehender Gleichung stellt den Amplitudenwert Ji der Hauptamplitude zur Zeit t₀ dar. Im in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung zur Entzerrung von Impulsen werden m — 1 = 2 Korrekturvorrichtungen D1 und D 2 in Gestalt von zwei Verzögerungseinrichtungen zum Herbeiführen einer jeweiligen Verzögerung ©vorgesehen, um die. vorangehenden Störamplituden zu kompensieren. Zur Kompensation aller übrigen Störamplituden dienen m + η — 1 = 6 weitere Verzögerungseinrichtungen Π bis T6, die vorzugsweise aus monostabilen Kippschaltungen bestehen, eine Vergleichs- und Steuervorrichtung CD und ein Analog-Addierer AA von dem ein Teil der Eingänge über Schaltvorrichtungen Sl bis S6 an entsprechenden Ausgängen der Verzögerungseinrichtungen 71 bis T6 liegen.

Ein einem Langzeitspektrum Σ entsprechendes Signal gelangt an den Eingang E, und wird dann einmal der ersten Verzögerungseinrichtung D1 und außerdem direkt einem ersten Eingang des Analog-Addierers AA zugeführt. Beim Eintreffen des Signals Σ gelangt die Störung Δ s durch die vorher im Ruhezustand befindliche Verzögerungseinrichtung. Im nächsten Abtastzeitpunkt kombiniert sich der Amplitudenwert des Signals Σ mit dem Korrekturwert, um über die mit

ίο Hilfe des veränderbaren Widerstandes 1 gewichtete Zuführungsleitung L_n in Abhängigkeit vom Amplitudenwert des Signals 27zum vorangegangenen Abtastzeitpunkt auf einen zweiten Eingang des Analog-Addierers AA übertragen zu werden. Das gleiche gilt für den darauffolgenden Abtastzeitpunkt, bei dem dann beide Verzögerungseinrichtungen Dl und Dl wirksam werden, so daß die gewichtete Ausgangsleitung der Verzögerungseinrichtung Dl ein Signal auf den dritten Eingang des Analog-Addierers AA überträgt. Wenn das Langzeitspektrum Σ lediglich aus einem Kurzzeitspektrum -T besteht, dann ergibt sich aus der Wirkung der Verzögerungseinrichtungen Dl und Dl die Wiedergabefunktion Γ', dargestellt in F i g. 2. Diese Wiedergabefunktion J" kann im symbolisch angedeuteten Abschnitt N des Analog-Addierers AA in F i g. 4 erfaßt werden. Es sei bemerkt, daß die Störamplituden, die dem Bereich α folgen, durch die obengenannte Wirkung in ihrer Form und auch in ihrer Anzahl gegenüber der Wiedergabefunktion des Kurzzeitspektrums Γ erheblich geändert werden. Für das hier beschriebene Ausführungsbeispiel hat sich ergeben, daß sich der in Betracht kommende Bereich des. Kurzzeitspektrums über 6 Intervalle Θ erstreckt und in Verbindung damit gegenüber vorher auch unterschiedliche Koeffizienten auftreten. Wenn berücksichtigt wird, daß in der obenstehenden zuletzt genannten Gleichung definitionsgemäß der letzte Term nicht korrigiert worden ist, sondern nur die beiden vorletzten, so daß sich aus dem Kurzzeitspektrum Γ das korrigierte Kurzzeitspektrum Γ' ergibt, dann läßt sich aus dem für Γ geltenden Polynom Ω (x) das für J" geltende Polynom ß" (x) ableiten:

= Ω'(χ)-χ*Ω(χ)
ß' Ö

Durch Einsetzen ergibt sich dann:

Ω"(χ) = 0,lx⁶ - 0,3χ⁵ - 0,2x⁴
.+ x³ - l,2x² + 0,3x + 1,3

0,lx-³

: Das obenstehende Ergebnis zeigt, daß die Therme mit χ-¹ und x~² verschwunden sind, was sich in der Praxis mit Hilfe der Verzögerungseinrichtungen D1 und Dl und den entsprechend zugeordneten Verbindungsleitungen zum Analogaddierer AA erreichen läßt, wobei die in diesen Zuführungsleitungen enthaltenen Widerstände, nämlich der der Verzögerungseinrichtung Dl mit 1 und der der Verzögerungseinrichtung Dl mit —1 entsprechend gewichtet sind. Weiterhin ergibt sich aus dem genannten Ergebnis, daß sich die Störamplituden über 6 Zeitintervalle Θ erstrecken, wobei sich außerdem die entsprechenden Koeffizienten ergeben.

Wird nun angenommen, daß dem Impuls P, der ein Kurzzeitspektrum J" hervorruft, ein oder mehrere andere Impulse vorangegangen sind, z. B. ein Impuls der zwei Zeitintervalle Θ früher eingetroffen ist, dann würde für diesen ein Kurzzeitspektrum Γ" (F i g. 2)

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gelten, dessen Verlauf dem Kurzzeitspektrum Γ' zwar Schaltzustand + oder in den Schaltzustand — und ähnlich, aber zeitlich um 2 Θ verschoben ist. Indem so- läßt die Schaltvorrichtung 51 schließen. Sobald ein zusagen, durch das Kurzzeitspektrum Γ" bereits be- einer Information entsprechendes Langzeitspektrum Σ kannt ist, welchen Störamplitudenverlauf ein Impuls über den Eingang E in die Schaltungsanordnung genach zwei Zeitintervallen Θ gerechnet vom Bereiche 5 langt und mit Hilfe der Verzögerungseinrichtung D1 nehmen wird, genügt es im Zeitpunkt zu dem das Kurz- und D2 im Zusammenwirken mit entsprechenden Teizeitspektrum Γ' erfaßt werden soll, zu wissen, daß ein len des Analogaddierers AA korrigiert wird, entsteht identischer Impuls mit dem Kurzzeitspektrum Γ" zwei zunächst eine Wiedergabefunktion Σ', die sich in glei-Zeitintervalle Θ vorher aufgetreten ist. Zum Zeitpunkt eher Weise ergibt wie die oben behandelte Wiederdes Auftretens eines Impulses muß daher ein solcher io gabefunktion J". Tatsächlich wird zu jedem Abtast-Impuls festgehalten bzw. für ein Zeitintervall Zeitpunkt der Schaltzustand der Kippschaltung Tl auf (m+rt—1)0 gespeichert werden. Das gleiche giltfürden die nächstfolgende Kippschaltung Γ2 und so weiter je-weiligen Störamplitudenwert, den ein solcher übertragen. Die Schaltvorrichtungen Sl bis 56 werden Impuls nacheinander jeweils zu einem der Abtastzeit- aufeinanderfolgend entsprechend geschlossen und bleipunkte m + η — 1 hervorruft. Entsprechende digitale 15 ben, wenn sie einmal geschlossen sind, in diesem Zu-Verzögerungseinrichtungen, wie z. B. die monostabilen stand. Die mit Hilfe der jeweiligen Widerstände entKippschaltungen Tl bis T6, genügen diesen Anforde- sprechend gewichteten Zuleitungen von den Kipprungen im hier gegebenen Beispiel, wobei betont wird, schaltungen Tl bis T6 sind dabei jeweils so eingestellt, daß sie ebensogut durch entsprechend wirkende Ana- daß sich entsprechende Korrekturen ergeben, wenn die log-Schaltungsanordnungen ersetzt werden können. 20 Amplitudenwerte berücksichtigt werden, die sich aus

Zum Verständnis des Vorangegangenen ist es bisher dem Koeffizienten 0,3; —1,2; 1; —0,2; —0,3; 0,1 des.

nicht erforderlich gewesen, die Art der Übertragung zu Polynoms Ω"(χ) ergeben.

behandeln, da die betrachteten Schaltungsteile reine Das an der Vergleichs- und Steuervorrichtung CD Analogbauteile sind, die unmittelbar in ihrer Wirkung eintreffende Signal ist im Falle eines Impulses durch die dem Signalverlauf folgen. Da die übrigen Bauteile di- 25 Wiedergabefunktion Γ" vorgegeben. Die entzerrten gital arbeiten, ist es zunächst erforderlich, für die hier Impulse verlassen die Schaltungsanordnung am Ausangewendete Verwendungsart die Voraussetzung zu gangis'. Nach Beendigung der Informationsübertrapräzisieren. Um eine binäre Information, d. h. die Zu- gung steuert der Schwellenwertdetektor der Verstände 1 und 0 in entsprechender Folge über ein Über- gleichs- und Steuervorrichtung CD das Öffnen der tragungssystem zu übertragen, kann festgelegt werden, 30 Schaltvorrichtung Sl bis S6, weil der vorgegebene daß eine elektrische Größe mit dem Vorzeichen Plus Schwellenwert nicht mehr überschritten wird.
(H-) das Binärzeichen 1 und eine elektrische Größe mit Dadurch tritt eine weiterhin erwünschte Nebenwirdem Vorzeichen Minus (—) das Binärzeichen 0 jeweils kung auf, nämlich die, daß die Vergleichs- und Steuerin Impulsform darstellt, wobei diese Impulse als sym- vorrichtung CD weiterhin dazu dienen kann, einen metrisch zum Ruhezustand des Übertragungssystems 35 Ubertragungsfehler festzustellen, der durch das Fehzu betrachten sind. Dies dient dazu, um eine binäre In- len eines Impulses in der übertragenen Information formation 0 vom Ruhezustand des Übertragungssy- bedingt ist. Es versteht sich, daß der Schwellenwert Φ, stems unterscheiden zu können. Während einer Inf or- dessen Überschreiten durch den Absolutwert eines Ammationsübertragung treten also dauernd Impulse auf. plitudenwertes der Wiedergabefunktion Γ' das Vor-Das oben bezüglich der Kurzzeitspektren Γ, Γ" und Γ" 4° handensein oder NichtVorhandensein von Impulsen Gesagte trifft auch unter diesen Voraussetzungen zu, definiert, unter Berücksichtigung möglicher Variatioda dies lediglich die Wiedergabefunktion des Über- nen des Signalpegels der Wiedergabefunktion Σ' eintragungssystems im Ansprechen auf einen Impuls be- gestellt werden muß, die ja im Grenzfall nur durch trifft, welche unabhängig vom Vorzeichen eines Im- einen Impuls hervorgerufen wird. Im Ausführungsbeipulses ist. 45 spiel wird Δ s nicht korrigiert und der Signalpegel der

Wenn demnach berücksichtigt wird, daß während Wiedergabefunktion Σ' kann, wie aus F i g. 2 hervor-

einer Informationsübertragung zu jeder Abtastzeit ein geht, zwischen α und b gleich dem Amplitudenwert

Impuls auftritt, muß eine Schaltungsanordnung am Γ' ± Δ s sein. Ein ausreichender Sicherheitsabstand ist

Empfangsort vor allem dazu in der Lage sein, das Vor- dabei zwischen den Pegeln Φ und b gegeben,

zeichen jedes Impulses feststellen zu können, wie auch 50 Wird bei einer Übertragung der einfache Fall be-

den Ruhezustand des Übertragungssystems vor und nutzt, bei dem der Wert 1 der Information durch einen

nach einer Informationsübertragung zu berücksichti- Impuls und der Wert 0 durch Nichtanwesenheit eines

gen. So können z. B. im Ruhezustand des Übertra- Impulses dargestellt wird, ist die erfindungsgemäße

gungssystems die als digitale Schaltteile wirksamen Schaltungsanordnung die gleiche wie oben beschrieben

Kippschaltungen in ihrem zuletzt eingenommenen 55 mit der Ausnahme allerdings, daß die Schaltvorrich-

Schaltzustand verbleiben. Da sie lediglich den Arbeits- tungen 51 bis 56 durch leitende Verbindungen ersetzt

zustand des Übertragungssystems abbilden bzw. dar- sind. Es sei weiterhin bemerkt, daß beim Auftreten

stellen, werden sie durch öffnen der Schaltkontakte 51 einer Störamplitude, die größer als der Schwellen-

bis S6 in ihrer Wirkung auf den Analog-Addierer AA wert Φ ist und vor dem Bereich oc eines Kurzzeitspek-

verhindert. Zu Beginn einer Informationsübertragung 60 trums Γ liegt, mit einer entsprechenden Zeitverschie-

stellt ein Schwellenwertdetektor, der auf Absolutwerte bung das Auftreten eines Impulses auf Grund dieses

anspricht, der Vergleichs- und Steuervorrichtung CD ersten Überschreitens festgestellt werden kann, so daß

das Auftreten eines Bereichs <x in der Wiedergabefunk- der Korrektur- bzw. Kompensationsvorgang infolge-

tion Γ' des ersten Impulses P der übertragenen Infor- dessen abläuft. Liegen mehrere Schwellenwertüber-

mation fest. Die Vergleichs-und Steuervorrichtung CD 65 schreitungen vor, kann dann sogar die Schaltungsan-

schaltet dann je nach dem Vorzeichen des eingetrof- Ordnung zur Erfassung nur eines dieser Schwellenwerte

fenen Impulses die erste Kippschaltung Ti in den ausgelegt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Optimales Suchfilter, mit einem Analogaddierer, dessen erstem Eingang das empfangene Signal direkt und dessen weiteren Eingängen von entsprechenden Verzögerungsleitungsabschnitten, denen das empfangene Signal aufeinanderfolgend ebenfalls zugeleitet wird, die zu kompensierenden Amplitudenwerte des Signals über entsprechend gewichtete Zuführungsleitungen eingegeben wird, dadurch geken η ze i c h η e t, daß der Eingang (E) des optimalen Suchfilters eine Anzahl von m—l Verzögerungseinrichtungen (Dl, D 2) enthält, deren Verzögerungszeit Θ jeweils dem Intervall Θ zwischen zwei gesendeten Impulsen entspricht, und wo m die Anzahl der Sendeimpulsintervalle (Θ) ist, die vor der Hauptamplitude des verzerrten Impulses, aber innerhalb der Signalverbreiterung liegen, daß der erste Ausgang des Analogaddierers AA, der lediglich die Signalwerte der m—l Verzögerungseinrichtungen (D 1, Dl) erfaßt, mit dem Eingang eines Schwellenwertdetektors (CD) zur Erfassung der Hauptamplitude des verzerrten Signals verbunden ist, dessen Ausgang an den Eingang einer Kette von Kippschaltungen Tl bis T6 mit der Anzahl m + η — 1, wo m die Anzahl der Zeitintervalle Θ nach dem Auftreten der Hauptamplitude des verzerrten Impulses innerhalb des Signals darstellt, angeschlossen ist, und deren Ausgänge mit den weiteren Eingängen des Analogaddierers AA über an sich bekannte, entsprechend gewichtete Zuführungsleitungen mit Hilfe von Schaltvorrichtungen (Sl bis S6) anschließbar sind, die je nach dem Ergebnis der Vorzeichenfeststellung des Schwellenwertdetektors (CD) in bezug auf das empfangene Signal betätigt werden.