DE19548172A1 - Low-distortion amplitude limiting for electric signals - Google Patents

Low-distortion amplitude limiting for electric signals

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DE19548172A1
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Michael Quaschnowitz
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03GCONTROL OF AMPLIFICATION
    • H03G11/00Limiting amplitude; Limiting rate of change of amplitude ; Clipping in general

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  • Transmitters (AREA)

Abstract

The input signal is applied to a store (1) and also to peak value (3) and zero-crossing (2) determining stages. The output peak value is compared (4) with a preset control value (max. Pegel) to derive a correcting control signal to be fed to a multiplier (5). The latter modifies the signal level in the store. For each halfwave of the input signal, the peak value is determined. The max. level can be continuously preset.The correction signal is only applied to those input signals exceeding the required threshold. Pref. the correction signal acts on the signal within a necessary delay, which is provided by the store.

Description

Bei der Übertragung elektrischer Signale mit variierender Amplitude über reale Übertragungsmedien muß die maximal zulässige Amplitude des Übertragungskanals beachtet werden. Wird diese nicht beachtet, können u. a. folgende Probleme auftreten:When transmitting electrical signals with varying Amplitude over real transmission media must be the maximum permissible amplitude of the transmission channel is observed will. If this is not observed, u. a. the following Problems occur:

  • - Verzerrungen des Signals,- signal distortion,
  • - Störungen anderer, nicht beteiligter Kanäle, z. B. durch Nachbarkanalstörungen bei Funkübertragungen,- Interference with other channels not involved, e.g. B. by Adjacent channel interference in radio transmissions,
  • - Zerstörungen von Übertragungskomponenten, z. B. durch Überlastung aktiver Komponenten wie Transistoren oder Röhren.- Destruction of transmission components, e.g. B. by Overloading active components such as transistors or Tubes.

Zur Vermeidung dieser Effekte sind zwei Gruppen von Verfahren bekannt:
Kompressions- und Begrenzungs-(Clip-)verfahren.
Two groups of methods are known for avoiding these effects:
Compression and limitation (clip) procedures.

Bei den Kompressionsverfahren wird auf Basis der Hüllkurve des Signals die Verstärkung des Signals kontinuierlich so geändert, daß das Signal zumindest langfristig nicht einen maximalen Pegel überschreitet. Die Zeitkonstanten, mit denen sich die Verstärkung ändert, sind dabei immer ein Kompromiß zwischen dem Bestreben, sowohl die Dynamik des Signals weitgehend zu erhalten, als auch einen maximalen Pegel nicht zu überschreiten. Man erreicht mit diesem Verfahren geringe Verzerrungen des Signals, muß aber kurzzeitige Überschreitungen einer maximalen Amplitude hinnehmen.The compression process is based on the Envelope of the signal the gain of the signal continuously changed so that the signal at least does not exceed a maximum level in the long term. The Time constants with which the gain changes are always a compromise between striving to maintain both the dynamics of the signal largely also not to exceed a maximum level. Man achieves low distortion of the Signals, but must briefly exceed a Accept maximum amplitude.

Bei den Begrenzungsverfahren wird das Signal linear verstärkt, solange der Augenblickswert des Signals unterhalb eines festgelegten Wertes bleibt. Wird dieser Wert überschritten, so wird der Signalpegel auf dem maximalen Wert festgehalten, d. h. begrenzt. Die dabei auftretenden erheblichen Verzerrungen können durch anschließende Filterung verringert werden. Durch Verlagerung des Vorgangs in den Hochfrequenzbereich wird die Anzahl der Verzerrungsprodukte, die auch durch Filterung nicht beseitigt werden können, weiter verringert (sog. HF-Clipper). Man erreicht mit diesem Verfahren, daß das Signal nie eine maximale Amplitude überschreitet, muß aber vergleichsweise hohe Verzerrungen in Kauf nehmen.With the limitation methods, the signal becomes linear amplified as long as the instantaneous value of the signal remains below a specified value. This value exceeded, the signal level is at the maximum Value held d. H. limited. The occurring Significant distortions can result from subsequent Filtering can be reduced. By relocating the Operation in the high frequency range is the number of Distortion products that are not filtering either can be eliminated, further reduced (so-called HF clipper). It is achieved with this method that the signal never exceeds the maximum amplitude, but must accept relatively high distortions.

Die vorliegende Erfindung gehört zu den Begrenzungs­ verfahren, da eine zuverlässige Begrenzung auf den maximalen Pegel vorgenommen wird. Dabei werden die Verzerrungen, die bei den bekannten Verfahren auftreten, vermieden. The present invention is one of the limitations proceed as a reliable limitation to the maximum level is made. The Distortions that occur in the known methods avoided.  

Die bisherigen Verfahren verändern das Signal im Bereich maximaler Amplituden. Daraus ergeben sich unmittelbar Verzerrungsprodukte mit ebenfalls hoher Amplitude. Das besondere der vorliegenden Erfindung ist, daß die Verstärkung nur beim Nulldurchgang oder in der Nähe des Nulldurchgangs geändert wird und über eine Halbwelle immer konstant ist. Schon daraus ergeben sich Verzerrungsprodukte mit niedrigem Pegel. (Der Begriff Halbwelle meint in dieser Anmeldung den beliebigen Signalverlauf zwischen zwei Nulldurchgängen des Signals.)The previous methods change the signal in the area maximum amplitudes. This immediately results Distortion products with a high amplitude. The particular of the present invention is that the Gain only at or near the zero crossing Zero crossing is changed and over a half wave is always constant. It already results from this Low level distortion products. (The term Half wave means any in this application Waveform between two zero crossings of the signal.)

Fig. 1 zeigt den grundsätzlichen Verfahrensablauf als Block­ schaltbild. Folgende Verfahrensschritte werden für jede Halbwelle durchgeführt: Fig. 1 shows the basic process flow as a block diagram. The following process steps are carried out for each half-wave:

  • 1. Das Signal wird in einem Speicher (1) um eine konstante Zeit verzögert. Beim Einlaufen des Signals in den Speicher wird durch einen Nulldurchgangsdetektor (2) Anfang und Ende einer Halbwelle festgestellt. Gleichzeitig wird durch einen Spitzenwertdetektor (3) der Spitzenwert jeder Halbwelle ermittelt. Jedesmal, wenn eine Halbwelle vollständig in den Speicher gelaufen ist, steht auch der zugehörige Spitzenwert fest.1. The signal is delayed in a memory ( 1 ) by a constant time. When the signal enters the memory, the beginning and end of a half-wave is determined by a zero crossing detector ( 2 ). At the same time, the peak value of each half-wave is determined by a peak value detector ( 3 ). Every time a half-wave has completely run into the memory, the associated peak value is also fixed.
  • 2. In einem Vergleicher (4) wird der Spitzenwert mit dem maximal zulässigen Wert verglichen und ein neuer Verstärkungsfaktor berechnet.2. In a comparator ( 4 ) the peak value is compared with the maximum permissible value and a new gain factor is calculated.
  • 2.1 Ist der Spitzenwert niedriger oder gleich dem maximal zulässigen Wert, so durchläuft diese Halbwelle unverändert den Speicher (Verstärkung=1).2.1 Is the peak value lower or equal to the maximum permissible value, this half-wave passes through unchanged the memory (gain = 1).
  • 2.2 Ist der Spitzenwert höher als der maximal zulässige Wert, so erfolgt die Begrenzung dieser Halbwelle auf folgende Weise: Es wird für diese Halbwelle ein eigener Verstärkungsfaktor v berechnet. v = umax/uscheitel (umax = maximal zulässiger Pegel, uscheitel = Scheitelwert der Halbwelle)Noch im Speicher wird die vollständige Halbwelle (und nur genau diese Halbwelle) durch einen Verstärker/Multiplizierer (5) mit dem berechneten Faktor v multipliziert. Der Spitzenwert dieser Halbwelle liegt dann genau auf dem maximal zulässigen Wert.2.2 If the peak value is higher than the maximum permissible value, this half-wave is limited as follows: A separate amplification factor v is calculated for this half-wave. v = u max / u crest (u max = maximum permissible level, and crest = peak value of the half-wave) Still in the memory is the full half-wave (and only this very half-wave) multiplied v by an amplifier / multiplier (5) with the calculated factor . The peak value of this half-wave is then exactly at the maximum permissible value.
  • 3. Die aus dem Speicher herauslaufenden Werte werden nicht weiter verändert. Das Verfahren ist beendet.3. The values running out of the memory are not changed any further. The process is over.

Der Speicher bzw. die Möglichkeit, im Speicher das Signal abschnittweise mit eigenen Verstärkungsfaktoren zu verstärken, ist eine Besonderheit dieses Verfahren.The memory or the possibility of storing the signal sections with their own gain factors is a special feature of this process.

Die maximal zulässige Verzögerungszeit des Speichers wird nicht durch das Verfahren begrenzt. Die minimal notwendige Verzögerungszeit ist der Kehrwert der niedrigsten zu übertragenden Frequenz. Dies ist notwendig, damit auch bei der niedrigsten Frequenz eine vollständige Halbwelle in den Speicher paßt.The maximum allowable delay time of the memory is not limited by the procedure. The minimum necessary Delay time is the reciprocal of the lowest too transmitting frequency. This is necessary so that  the lowest frequency a full half wave in the Memory fits.

Die Realisierung des Verfahrens kann durch Zusammen­ schaltung von Bauelementen bzw. Baugruppen gem. Fig. 1 erfolgen. Eine Besonderheit ist der Speicher. Zur Realisierung wird man z. B. Speicher mit wahlfreiem Zugriff verwenden, die über eine geeignete externe Beschaltung oder Programmierung zu einem Speicher ähnlich einem Schieberegister mit einer konstanten Durchlaufzeit werden.The implementation of the method can be done by interconnecting components or assemblies. Fig. 1 take place. The storage is a specialty. For the realization you will e.g. B. Use random access memory, which is a suitable external circuit or programming to a memory similar to a shift register with a constant cycle time.

Insbesondere wegen des speziellen Speichers wird sich eine Realisierung einzelner oder aller Schritte als Software in einem geeigneten, digitalen Rechner empfehlen. Bis auf den Speicher sind alle Funktionen als elementare Operationen auf einem digitalen Rechner mit analogem Ein- und Ausgang verfügbar. Der Speicher kann als Software- Ringpuffer im Arbeitsspeicher realisiert werden, wobei Schreib- und Lesezeiger mit einem konstanten Abstand weitergeschaltet werden. Daraus ergibt sich die konstante Verzögerungszeit für durchlaufende Signale. Da der Speicher im Arbeitsspeicher liegt, kann gleichzeitig zur Verstärkungsänderung wahlfrei auf jeden Signalwert zuge­ griffen werden.Especially because of the special memory implementation of individual or all steps as software recommend in a suitable digital calculator. Until the memory are all functions as elementary Operations on a digital computer with analog input and Exit available. The memory can be used as software Ring buffers can be implemented in the working memory, whereby Read and write pointers at a constant distance be forwarded. This results in the constant Delay time for continuous signals. Since the Memory in the working memory can be used at the same time Gain change optionally added to each signal value be gripped.

Zusammenfassend kann gesagt werden, daß die Erfindung eine zuverlässige Amplitudenbegrenzung eines Signals bei geringsten Verzerrungen erlaubt.In summary, it can be said that the invention a reliable amplitude limitation of a signal least distortion allowed.

Claims (2)

1. Verfahren zur Begrenzung eines Signals auf einen maximalen Pegel mit dem Schritt der Beeinflussung eines Eingangssignals durch ein Korrektursignal,
dadurch gekennzeichnet, daß
  • - für jede Halbwelle des Eingangssignals der Spitzenwert des Pegels bestimmt wird,
  • - der maximale Pegel kontinuierlich vorgegeben werden kann,
  • - das Korrektursignal aus dem Spitzenwert der Halbwelle und dem maximalen Pegel bestimmt wird,
  • - das Korrektursignal auf eine vollständige Halbwelle einwirkt,
  • - Signale unterhalb des maximalen Pegels nicht beeinflußt werden.
1. A method for limiting a signal to a maximum level with the step of influencing an input signal by a correction signal,
characterized in that
  • the peak value of the level is determined for each half-wave of the input signal,
  • - the maximum level can be specified continuously,
  • the correction signal is determined from the peak value of the half-wave and the maximum level,
  • - the correction signal acts on a complete half-wave,
  • - Signals below the maximum level are not affected.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Korrektursignal bereits innerhalb des notwendigen Verzögerungsspeichers auf das Signal einwirkt.2. The method according to claim 1, characterized in that the correction signal is already within the necessary Delay memory acts on the signal.
DE1995148172 1995-12-22 1995-12-22 Low-distortion amplitude limiting for electric signals Withdrawn DE19548172A1 (en)

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