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"Als rückkoppelbares analoges Schieberegister ausgebildetes Abtssfilter"
Die Erfindung betrifft ein als räckkoppelbares analoges Schieberegister ausgebildetes
Abtastfilter, dessen Verzögerungselemente jeweils aus einem Querkondensator mit
einem Lade- und Äuskoppelschalter aufgebaut sind, wobei Operationsverstärker zum
Pegelausgleich und als Trennverstärker vorgesehen sind, und bei dem zum Verarbeiten
mehrerer voneinander getrennter Impuisfolgen, deren Impulse sich nicht wechselseitig
überdecken, jede Verzögerungsstufe des #btastfilters aus einer Vielzahl von Verzögerungselementen
aufgebaut ist.
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In der Technik der Nachrichtenübertragung z. B. mit Hilfe von Pul
scodemodulation (PCM) empfiehlt sich in vilen Fällen die Anwendung von aktiven Filtern.
Pulscodemodulation wird durch Abtastung der ursprünglichen Signale mit einer verhältnismäßig
hohen Äbtastfrequenz bewerkstelligt.
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Es sind insbesondere zwei Typen von aktiven Filtern bekanntgeworden,
die als ruckkoppelbare Schieberegister aufgebaut sind Hierfür sollen die Bezeichnungen
btastfilter und Digitalfilter verwendet werden Als Abtastfilter seien hier solche
aktiven Filter bezeichnet, die aus einer geeigneten Anordnung analoger Schieberegister
aufgebaut sind, deren jedes einen Querkondensator sowie einen Lade- und einenAuskoppelschalter
aufweist. Ein solches analoges Schieberegister wird im folgenden als Verzögerungselement
bezeichnet. Figur 1 zeigt ein solches Verzögerungselement in sohematischer Darstellung,
Durch die Hintereinanderschaltung vieler solcher Verzöerungselemente, die über Operationsverstärker
erfolgen muß, um die unvermeidlichen Verluste auszugleichen und um die Entladung
der Kondensatoren zu verhindern, lassen sich Abtastfilter auch höheren Grades aufbauen.
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Die Arbeitsweise der Äbtastfilter ist die, daß über den Lade schalter
LS der Kondensator C auf den zu diesem Peltpunkt am Eingang anstehenden Spannungswert
aufgeladen wird.
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Der Ladeschalter LS wird also zu den Abtastzeitpunkten geschlossen,
zu den übrigen Zeiten ist er geöffnet. Der Auskoppelschalter AS wird um die Verzögerungszeit
T des Verzögerungselementes später geschlossen als der Ladeschalter, bleibt aber
im übrigen geöffnet. Zur Realisierung des Abtastfilters sind die Schieberegister
über zusätzliche Vorwärts- und Rückkopplungszweige miteinander verknüpft, in die
Bewertungsglieder eingebaut sind, so daß sich verschiedene Bewertungsfaktoren einstellen
lassen.
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Die eingangs erwähnten Digitalfilter sind in ihrer Arbeitsweise gleich,
nur werden die beim Abtasten auftretenden analogen Spannungswerte digital codiert,
und die weiteren Verknüpfungen werden nach den gleichen Strukturen wie beim Abtastfilter,
aber mit digital codierten Spannungen, vorgenommen. Es ist demzufolge erforderlich,
die in Analogform anstehenden BingangsgröBen bei der Verwendung von Digitalfiltern
zunächst zu digitalisieren; entsprechend ist am Ausgang des Digitalfilters wiederum
eine Digitalanalogwandlung erforderlich.
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Die Erfindung betrifft lediglich die eingangs erwähnten Abtastfilter.
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Wie eingangs erwähnt, werden die beschriebenen aktiven Filter besonders
gerne in der Zeitmultiplextechnik verwendet, insbesondere dann, wenn mehrere Übertragungskanäle
Naohrichten liefern, die in Form von abgetasteten Signalen verarbeitet werden sollen.
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Die Impulsfolgen sind zumeist derart ineinander verschachtelt, daß
zu einem betrachteten Zeitpunkt jeweils nur ein Impuls aus er Impulsreihe auftritt.
Figur 2 zeigt dies schematisch für 3 Kanäle. Es ist bereits vorgeschlagen worden,
ein einziges Abtastfilter für die gleichzeitige Verarbeitung mehrerer solcher Impulsfolgen
durch Abwandlung des oben beschriebenen Abtastfilters zu realisieren (Zeitmultiplex-Abtastfilter,
d. h. Sanalmultiplex). Stehen p Impulsfolgen an, so wird jedes Verzögerungselement
des einfachen Abtastfilters aufgelöst in p hintereinandergeschaltete Verzögerungselements
mit der jeweiligen Verzögerungszeit T/P.
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Die Zusammenfassung der p Verzögerungselemente sei als Verzögerungsstufe
mit der Verzögerungszeit T bezeichnet.
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Figur 3 zeigt fur 2 Kanäle eine derartige bereits vorgeschlagene Schaltung
(Abtastfilter 1. Grades). Als Verzögerungszeit T/P sei hier wieder wie oben die
Zeitdifferenz zwischen dem Schließen eines Lade schalters und des zugehörigen Auskoppel
schalters verstanden.
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Aus Figur 3 ergibt sich, daß für p zu verarbeitende Impulsfolgen ebenfalls
p Verzögerungselemente für eine Verzögerungsstufe bereitgestellt werden müssen,
wobei ein erheblicher Aufwand an Bauteilen, insbesondere an teuren Operationsverstärkern,
von denen wieder zudem Leistung verbraucht, in Erscheinung tritt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Abtastfilter anzugeben,
bei dem dieser Aufwand erheblich vermindert wird.
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Die Erfindung besteht darin, daß die Anzahl der Verzögerungselemente
in jeder Verzögerungsstufe des Abtastfilters um 1 größer als die Anzahl der Impulsfolgen
gewählt ist, daß die Verzögerungselemente parallel zueinander geschaltet sind, daß
in jeder Verzögerungsstufe der Vielzahl von Verzögerungselementen jeweils nur ein
Operationsverstärker
vor- und nachgeschaltet ist, und daß die Operationsverstärker
zeitlich nacheinander mit den einzelnen Verzögerungselementen verbunden sind.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand weiterer Abbildungen in einigen
bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Figur 4 zeigt den Fall, daß das
erfindungsgemäße Abtastfilter als Abtastfilter ersten Grades für einen Zweikanal-Zeitmultiplexbetrieb
angewendet wird. Eingangsseitig sind die beiden Kanäle K11 und K12 dargestellt,
die impulsförmige Nachrichten abgeben, wobei die Impulsform als durch kurzfristiges
Schließen des Schalters Sle und 82e erzeugt zu denken ist. Die beiden Schalter sind
zu einer gemeinsamen Leitung zusammengefaßt, die dem Abtastfilter zugeführt wird.
Über ein erstes Bewertungsglied -bo und über einen ersten Operationsverstärker O1
werden die Impulse den Verzögerungselementen zugeführt, die in der bereits beschriebenen
Weise aus Querkondensatoren Oi - C3 und Ladeschaltern S11 - S31 sowie Auskoppelschaltern
S12 - S32 aufgebaut sind. Die Ausgänge der drei Verzögerungselemente sind über einen
zweiten Operationsverstärker °2 zusammengefaßt, der außerdem über ein weiteres Bewertungsglied
b1 mit dem Eingang verbunden ist. Vom Ausgang des zweiten Operationsverstärkers
O2 ist über ein drittes Bewertungsglied o0 eine
Rückkoppelschleife
auf den ersten Operationsverstärker O1 vorgesehen. Dem Operationsverstärker O2 sind
zwei Ausgangskanäle K21 und K22 nachgeschaltet, die wiederum über Schalter S1a und
S2a an das Abtastfilter angeschaltet werden können. Figur 4 zeigt einen Impulsplan,
wobei die schraffierten Abschnitte die Schließung der zugehörigen Schalter darstellen.
Die Verzögerungszeit der einzelnen Verzögerungselemente sei wieder T. Dargestellt
ist ferner die Verknüpfung zwischen den einzelnen Schaltern S11 bis S32, Die Arbeitsweise
ist die folgende.
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Zu einem ersten Zeitpunkt sei der Schalter Sie geschlossen, d. h,
es trifft aus dem Kanal E11 ein Impuls ein, der über das Bewertungsglied -bo und
den Operationsverstärker O1 so wie den zu diesem Zeitpunkt geschlossenen Schalter
S11 in das erste Verzögerungselement einläuft und den Kondensator C1 auflädt Der
Auskoppelschalter S12 ist geöffnet, so daß der Kondensator C1 nach Öffnung des ladeschalters
S11 in seinem Ladezustand verharrt. Gleichzeitig mit der Schließung des Schalters
Sll ist der Schalter S22 geschlossen worden, so daß der Kondensator C2 seine Spannung
über den Operationsverstärker O2 und den ebenfalls geschlossenen SchalterSia an
den Kanal K21 abgibt und über cO auf O1 rückkoppelt. Zum
nächsten
Zeitpunkt, d. h. nach Ablauf der Hälfte der Speicherzeit T des ersten Verzögerungselementes
trifft auf dem Kanal 12 ein Impuls ein (Schalter S2e geschlossen, Schalter Sie geöffnet),
der über den nunmehr geschlossenen Schalter 521 den Kondensator C2 auflädt. Gleichzeitig
wird durch Schllegung des Schalters S32 die spannung des Kondensators 03 auf den
Kanal E22 und über c0 auf den Operationsverstärker O1 gegeben, Der nächste Zyklus
beginnt wiederum mit dem Kanal K11, der deshalb nicht wieder dem Kondensator C1
(sondern C3) zugeführt werden kann, weil dieser noch den vorhergehenden Impuls aus
dem gleichen Kanal gespeichert hat und diesen Impuls gerade jetzt erst abgibt.
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Aus dieser Funktionsbeschreibung ergibt sich die Notwendigkeit, die
Zahl der Verzögerungselemente um 1 größer als die ZaSE der zu verarbeitenden Kanäle
oder allgemeiner, die Zahl der voneinander unabhängigen Impulsfolgen zu wahlen.
Dadurch sind die einzelnen Verzögerungselemente den Kanälen nicht fest zugeordnet,
sondern wechseln einander ab. Figur 5 zeigt ein entsprechendes Ausführungsbeispiel
für 4 Kanäle, wobei zur Vereinfachung die Verzögerungselemente als Blockschaltbilder
dargestellt und mit ihrer Verzögerungszeit T gekennzeichnet sind.
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Die beschriebene Arbeitsweise des Abtastfilters sei als "Kanalmultiplex"
bezeichnet.
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Zeigt Figur 4 ein Abtastfilter ersten Grades für Zweikanalbetrieb,
so zeigt Figur 6 ein solches zweiten Grades für Zweikanalmultiplexbetrieb. Die Erweiterung
ist in einfacher Weise durch Hinzuschaltung einer weiteren Verzögerungsstufe vorgenommen
worden, wobei die erforderlichen zusätzlichen Rück- und Vorwärtskopplungen über
zusätzliche Bewertungsglieder in der entsprechenden Weise vorgesehen sind. Figur
6 zeigt außerdem für zwei willkürlich angenommene Spannung verläufe die auf den
Kanälen K21 und K22 aufftretenden gegeneinander versetzten Impuisfolgen Uai bzw
Ua2.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird davon ausgegangen,
daß die dem Eingang des Abtastfilters zugeführten Impulsfolgen auch die am Ausgang
des Abtastfilters anstehenden Signale sein können, die entsprechend, d. h. bis zum
nächsten Taktimpuls, verzögert werden müssen.
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Im Rückkopplungsweg muß ein Verzögerungsglied liegen, das einen Ausgangsweft
bis zum nächsten Taktimpuls speichert (siehe Figur 7). Dieses wird vorteilhaft wieder
als Abtast-Halteglied realisiert. Auf diese Weise durchläuft das Signal das Abtastfilter
mehrfach. Ist das Elementar-Abtastfilter
vom Grade k, d. h, weist
es k Verzögerungsstufen auf, so läßt sich durch m maliges Durchlaufen des Signals
ein Abtastfiltermk-ten Grades realisieren (m, k ganzzahlig).
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Falls dies aufgrund der zu realisierenden Ubertragungse funktion erforderlich
ist, können die Bewertungakoeffizienten in den Vorwärts- und Rückkopplungszweigen
vor jedem Durchlauf des Signals geändert werden.
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Diese Betriebsweise des Abtastfilters werde als "Filtermultiplex"
bezeichnet.
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Der Aufbau eines solchen im "Filtermultiplex" betriebenen Äbtastfilters
entspricht grundsätzlich den bereits beschriebenen Abtastfiltern, wobei lediglich
die Kanäle am Eingang des Abtastfilters durch entsprechende Rückkoppelzweige ersetzt
sind. Es ist vom Standpunkt des Älifwandes besonders vorteilhaft, nicht Elementar-Abtastfilter
des Grades k = 1 in Filtermultiplex zu betreiben, sondern Abtastfilter höheren,
insbesondere zweiten Grades.
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Eine andere vorteilhafte Verwendung des erfindungsgemäßen Abtastfilters
sieht eine Mischung des zuerst beschriebenen Kanalmultiplex- und des Filtermultiplesbetriebes
vor, in
dem zusätzlich zu den Eingangskanälen die entsprechenden
Rückkoppelzweige des oben beschriebenen Filtermultiplex vorgesehen sind, Nur der
Vollständigkeit halber sei in Figur 7 ein im Filtermultiplex arbeitendes Abtastfilter
vierten Grades dargestellt, das im Aufbau der Schaltung nach Figur 6 entspricht.
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Die erforderliche Verzögerung der rückzuführenden Signale erfolgt
mittels des Verzögerungsgliedes VG, das zweckmäßigerweise wieder als Abtast-Halteglied
ausgebildet ist. Wie bereits erwähnt, geht eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung
davon aus, daß beim Filtermultiplex die 3ewertungsfaktoren durch entsprechend wechselnde
Einstellung der Bewertungsglieder bei jedem "Umlauf" geändert werden.