DE2052842A1 - Schnelleinschwingende Filteran Ordnung - Google Patents

Description

IBM fs·, ί julii^' rl Inlernalinnale Büro-Maschinen Geselhdinft mbH

Böblingen, den 3. Oktober 1970 ker-rz

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: Docket FR 969 024

SehneHeinschwingende FiIteranordnung

Die Erfindung betrifft eine schmalbandige schnelleinschwingende g Filteranordnung. Solche Anordnungen sind bei der Datenübertragung vorzüglich zur Synchronisierung eines empfangerseitigen Taktgebers oder, allgemein gesprochen, zur exakten Wiedergewinnung von Trägerfrequenzen mit korrekter Phasenlage geeignet.

Schaltbare Filter, die zur Verwirklichung solcher Filteranordnungen verwendet werden können, sind nach dem Stande der Technik bekannt und z.B. beschrieben im "Bell System Technical Journal", September 1960, Seiten 1321-1350 im Aufsatz "An Alternative Approach to the Realization of Network Transfer Functions: The N-path Filter". Solche Filter weisen jedoch den Nachteil auf, ein gegenüber dem einfallenden Signal phasenverschobenes Ausgangssignal abzugeben, wenn die vorgesehene Filtereigenfre- f guenz von der Frequenz des Eingangssignals abweicht. Zusätzliche Phasenkorrekturen sind dann erforderlich.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine schmalbandige schnelleinschwingende Filteranordnung, deren Ausgangssignal im eingeschwungenen Zustand keine Phasenverschiebung gegenüber dem Eingangssignal aufweist, wodurch zusätzliche Phasenkorrekturmaßnahmen erübrigt werden.

Diese Ausgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Schmalbandfilter mit einem der Frequenzdifferenz zwischen Eingangssignal-

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mm O —.

frequenz und Eigenfrequenz proportionalem Phasenversatz des Ausgangssignals gegenüber dem Eingangssignal und durch mindestens ein frequenzschaltbares Filter, wobei das einfallende, zu verarbeitende Signal gleichzeitig den Eingängen des Schmalbandfilters und aller vorgesehenen schaltbaren Filter und das Ausgangssignal des Schmalbandfilters dem Steuereingang eines das erste nachgeordnete schaltbare Filter schaltenden Impulsgenerators zugeführt werden und wobei gegebenenfalls bei Vorkehrung von mehreren schaltbaren Filtern diese in Kaskade so angeordnet sind, daß das jeweils durch ein in der Kaskade vorgeordne- W tes schaltbares Filter herausgefilterte Signal dem Steuereingang eines das nächstfolgende schaltbare Filter schaltenden Impulsgenerators zugeführt wird, und das zu gewinnende Signal über den Ausgang des letzten vorgesehenen schaltbaren Filters abgenommen werden kann.

Einige vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Lösung sind in den Unteransprüchen genannt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

fe Fig. I ein schaltbares Filter entsprechend dem Stande der

Technik,

Fig. 2 eine Ausführung entsprechend der vorliegenden Erfindung, und

Fign. 3a+b

die Phasenverhältnisse beim Filter nach dem Stande der Technik und beim Filter entsprechend der vorliegenden Erfindung.

Die gewählte Ausführung entsprechend der vorliegenden Erfindung umfaßt im wesentlichen zwei schaltbare Filter, welche beide das einfallende zu verarbeitende Signal an ihren Eingängen

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aufnehmen. Das erste dieser beiden schaltbaren Filter wird durch einen Impulsgenerator gesteuert, dessen Eigenfrequenz der einzuschwingenden Frequenz möglichst nahekommt; der das zweite schaltbare Filter steuernde Impulsgenerator wird durch eine Frequenz mitgezogen, die das erste schaltbare Filter abgibt. Das Ausgangssignal dieses ersten Filters weist einen grundsätzlichen Phasenfehler φ auf, der proportional der Frequenzabweichung zwischen dem Eingangs- und dem steuernden Signal ist. Diese Phasenabweichung zieht an dem das zweite schaltbare Filter steuerndem Impulsgenerator wiederum eine Frequenzabweichung zwischen dem aufgenommen Signal und dem das zweite Filter steuernden Signal nach sich, wobei diese Frequenzabweichung proportional einer Ableitung des vorgenannten Phasenfehlers φ ist. Wenn die das erste Filter steuernde Frequenz fest gegeben ist, ist der Phasenfehler φ im eingeschwungenen Zustand konstant und seine Ableitung 0. Dann ist das zweite Filter auf die einfallende Frequenz abgestimmt und sein Ausgangssignal hat keine Phasenabweichung mehr.

Das herkömmliche Filter gemäß Fig. 1 enthält einen Widerstand R, dessen einem Ende das einfallende Signal zugeführt wird und dessen anderes Ende einerseits mit einer Kondensatorenanordnung veränderbarer Kapazität und andererseits mit dem | Eingang eines herkömmlichen Bandfilters BFl verbunden ist. Um eine klare Verständlichkeit der Beschreibung zu gewährleisten, ist die Anordnung auf vier Kondensatoren C gleicher Kapazität beschränkt. Diese Kondensatoren werden auf der anderen Seite über Schalter S geerdet, und zwar einem Schaltzyklus folgend, der durch einen Impulsgenerator Gl mit vorgegebener Signalkreisfrequenz wo bestimmt wird. Die Funktionsweise eines solchen dem Stande der Technik entsprechenden Filters soll im einzelnen nicht weiter beschrieben werden. Wenn einem solchen Filter am Eingang ein Cosinussignal gegebener Amplitude zugeführt wird, ergibt sich:
x(t) = Y(t) ·

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Darin ist Y(t) eine Heavisidefunktion, ω die Kreisfrequenz des Signals und φ die konstante Phasenversetzung.

Die übertragungsfunktion eines solchen Filters ist: t

1 ~ö F = = e · cos coot mit Θ = NRC,

worin N die Zahl der Kondensatoren ist.

Das Ausgangssignal eines solchen Filters ist durch die folgende Gleichung zu beschreiben:

y(t) « Y(t) cos (ωt+φ) Q^*¹- · e ^u * cos ωot

Das Zeichen @ist der Konvolutionsoperator.

Es ergibt sich hieraus:

y(t) = /(y(t-A) · σο8{_ω(ί-λ)+φ} · ^-~ · e ^θ · cos _ωολ)αλ

λ t ~^Δ

y(t) = j /(οο8{_ω(ΐ-λ)+φ) · e ^e · cos ωο\)ά\ ο

Dieses Integral enthält zwei zu addierende Glieder. Ein erstes Glied P, das das Ausgangssignal im eingeschwungenen Zustand wiedergibt, und ein zweites Glied T für das Ausgangssignal im Einschwingzustand.

0 ^J

⁺

5+3(ωο-ω) «-j(ωο+ω) Dies kann wie folgt ausgedrückt werden:

(2) P *= K cos (ujt + φ + φΐ) mit K = konstant

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φΐ ist die konstante Phasenabweichung aufgrund der Frequenzabweichung zwischen dem einfallenden Signal und dem Impulssteuersignal mit der Kreisfrequenz ωο.

(3) T = - -j - {(ωο-ω) sin ((uot+Φ) + ~ cos (iüot+Φ)}

|₂+{ωο-ω)² °

|₂+(ωο+ω)²

{ (ωο-Ηω) sin (üjot-φ) + -₍- cos (ωot-φ)

Wenn in erster Näherung ω->-ωο wird, kann die;»er Ausdruck in cer folgenden Form geschrieben werden:

_t
(4) T 5/.-0 · e · cos {ωot·^φ)

Fig. 2 zeigt das AusführungsbeispLel einen uchneLL einschwingenden schaltbaren FiLters entsprechend der vorLLeyendem Erfindung, Diese Schaltungsanordnung enthäLt ein erntes herkömmliches schaLt bares Filter SFl, das durch einen ersten Impulsgenerator Gl mit einer gegebenen Kreisfrequenz ωο nahe der KroIs frequenz den heraus zufilternden Signales gesteuert wird; an das schalbbare Filter SFl schließt sich ein übliches Bandfilter BFl an.

Der Ausgang dieses Bandfilters BFl ist mit dem Eingang eines zweiten Impulsgenerators G2 verbunden, der seinerseibs ein zweites schaltbares Filter SF2 steuert, wobei di.fi dem Generator G2 zugeführte Steuerfrequenz die jeweitn vom Filter SFl abgegebene Frequenz ist. Den Eingängen der beidon Filter SFl und SF2 wird das einfallende Signal zugeführt, und der Ausgang von SF2 ist mit einem zweiten herkömmlichen Bandfilter BF2 verbunden, dessen Ausgang wiederum den Ausgang der Gesamtanordnung bildet.

Angenommen, das über den Eingang E der Gesamtanordnung zugeführte Signal hat die folgende Form:

Y(t) · cos ((ot+Φ)
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Eine Frequenzabweichung zwischen dem einfallenden Signal und dem Steuersignal vom Impulsgenerator Gl erzeugt am Ausgang des Filters SFl im eingeschwungenen Zustand eine Phasenabweichung ψ 1 entsprechend den oben gegebenen Erläuterungen.

Am Punkt Z ergibt sich dabei ein Signal der folgenden Form: xl = K cos

En erster Annäherung kann φΐ in der folgenden Form ausgedrückt werden:

(5) φΐ = φο (ω-ωο) φο = F(Ol) = konstant 01 = 0 des Filters SFl

Diese Phasenabweichung φΐ verursacht arn Impulsgenerator G2 einen Versatz zwischen dem einfallenden Signal und der S teuer frequenz vom Iinpulsgenrator G2. Mit ω2 als Kreisfrequenz des Signals, das dem Impulsgenerator G2 zugeführt wird, ergibt

(6) ω2 - ω

Gemäß Gleichung (5), in der φο,ω und wo konstant sind, ist auch ψΐ konstant, und es ergibt sich aus der Gleichung 6:

u)2 = ω

Die Gleichung (5) entsprechend auf das Filter SF2 angewandt ergibt für dieses eine Phasenverschiebung:

φ2 = φ'ο (ω-ω2) = ο φ'ο = F(02)^konstant

02 = Θ des Filters SF2

In erster Annäherung filtert die Gesamtanordnung somit die gewünschte Frequenz ohne grundsätzlichen Phasenfehler im eingeschwungenen Zustand heraus.

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Bis jetzt ist nur der eingeschwungene Zustand betrachtet worden. Nun sollen auch die Vorgänge während des Einschwingens erläutert werden.

Am Punkt Z strebt die Kreisfrequenz des Signals am Ausgang des Filters SFl der Kreisfrequenz ω zu, die schließlich in eingeschwungenem Zustande erreicht wird.

Das Filter SF2 ist ein schaltbares Filter, dem das einfallende Signal mit der Kreisfrequenz ω direkt zugeführt wird. Das vom zugeordneten Impulsgenerator kommende Steuersignal weist eine Kreisfrequenz auf, die dem Wert ω zustrebt. Diese Annahme er- ™ möglichte die Aufstellung des Ausdruckes (4):

_t

(4) T ■*■■ - Θ · e " · cos (tüot+<j>)
Am Filter SF2 ergibt sich:

_t
(7) T ^ - Θ · e ^Θ · cos (u)t+(|>)

Damit erfolgt ein schnelles Einschwingen auf die Frequenz des einfallenden Signals.

Die Fign. 3a und b zeigen die Phasenabweichungen am Ausgang des Filters SFl und am Ausgang des Filters SF2 als Funktionen | der Zeit mit der Frequenzabweichung zwischen dem einfallenden Signal und dem Steuersignal als Parameter. Das Steuersignal von Gl hat 2800 Hz.

Die Verwendung zweier schaltbarer Filter ermöglicht in erster Annäherung eine Ausschaltung des Phasenfehlers. Die Verwendung eines zusätzlichen dritten schaltbaren Filters, das nach dem gleichen Prinzip vom Ausgangssignal des Filters SF2 gesteuert würde und dessen Eingang ebenfalls das einfallende Signal vom Eingang E zugeführt würde, könnte eine noch weitere Unterdrückung des Phasenfehlers ermöglichen. Die insgesamt vorgesehene Zahl von schaltbaren Filtern bestimmt dabei die erreichbare Genauigkeit.

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Es ist darauf hinzuweisen, daß die außerordentliche Anpassungsfähigkeit der beschriebenen Anordnung das Einschwingen auf die Frequenz des einfallenden Signals mit großer Selektivität ermöglicht. Wenn eine bestimmte Bandbreite für das Filter SFl und eine engere Bandbreite für das Filter SF2 vorgegeben werden und SF2 auf die einfallende Signalfrequenz eingeschwungen wird, ist das Einschwingen auf die einfallende Frequenz nur von der Breite des Filters SFl abhängig.

Des weiteren ist darauf hinzuweisen, daß anstelle eines schaltbaren Filters SFl nach dieser Erfindung auch andere Filteranordnungen mit systematischer Phasenversetzung, z.B. ein phasenstarrer Oszillator, verwendet werden können.

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Claims (3)

205?cH2 - 9 PATENTANSPRÜCHE

1./ Schmalbandige schnelleinschwingende Fi lter anordnung, gekennzeichnet durch ein Schmalbandfilter mit einem der Frequenzdifferenz zwischen Eingangssignalfrequenz und Eigenfrequenz proportionalem Phasenversatz des Ausgangssignals gegenüber dem Eingangssignal und durch mindestens ein frequenzschaltbares Filter (SF2), wobei das einfallende, zu verarbeitende Signal gleichzeitig den Eingängen des Schmalbandfilters und aller vorgesehenen λ schaltbaren Filter (SF2) und das Ausgangssignal des Schmalbandfilters dem Steuereingang eines das erste nachgeordnete schaltbare Filter (SF2) schaltenden Impulsgenerators (G2) zugeführt werden

und wobei gegebenenfalls bei Vorkehrung von mehreren schaltbaren Filtern diese in Kaskade so angeordnet sind, daß das jeweils durch ein in der Kaskade vorgeordnetes schaltbares Filter herausgefilterte Signal dem Steuereingang eines das nächstfolgende schaltbare Filter schaltenden Impulsgenerators zugeführt wird, und das zu gewinnende Signal über den Ausgang des letzten vorgesehenen schaltbaren Filters abgenommen werden kann.

2. Filteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmalbandfilter selbst ein schaltbares Filter (SFl) aufweist und dieses durch ein Signal vorgegebener Frequenz(ωο) nahe der herauszufilternden Frequenz (ω) geschaltet wird.

3. Filteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bandbreite des zweiten schaltbaren Filters (SF2) schmaler ist als die des ersten schaltbaren Filters (SFl) im Schmalbandfilter.

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