DE2052842C3 - Schmalbandige schnelleinschwingende Filteranordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine schmalbandige schnelleinschwingende Filteranordnung. Solche Anordnungen sind bei der Datenübertragung vorzüglich zur Synchronisierung eines empfängerseitigen 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 !J60, 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 Sigi ' phasenverschobenes Ausgangssignal abzugeben, wenn die vorgesehene Filtereigenfrequenz 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 Aufgabe wird bei einer schmalbandigen schnelleinschwingenden Filteranordnung, die ein Schmalbsndfilter mit einem der Frequenzdifferenz zwischen Eingangssignalfrequenz und Eigenfrequenz proportionalem Phasenversatz seines Ausgangssignals gegenüber dem Eingangssignal und des weiteren mindestens ein frequenzschaltbares Filter aufweist, dadurch gelöst, daß das zu verarbeitende Eingangssignal gleichzeitig den Eingängen (E) des Schmalbandfilters (SFi) und sämtlicher vorgesehenen in schaltbaren Filter (SF2) und das phasenkorrigierte Ausgangssignal des Schmalbandfilters dem Steuereingang eines das erste der m nachgeordneten schaltbaren Filter schaltenden Impulsgenerators (G2) zugeführt werden,

π daß bei Vorkehrung von m > 1 in an sich bekannter Weise hintereinanderfolgenden schaltbaren Filtern diese in Kaskade angeordnet sind, wobei jeweils das durch ein in der Kaskade vorgeordnetes schaltbares Filter herausgefilterte Signal dem Steuereingang eines das nächstfolgende schaltbare Filter schattenden Impulsgenerators zugeführt wird, und daß das zu gewinnende Ausgangssignal über den Ausgang (A) des m-ten vorgesehenen schaltbaren Filters abnehmbar ist.

Einige vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Lösung 3 sind in den Unteransprüchen genannt

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 ein schaltbares Filter entsprechend dem

jo Stande der Technik,

Fi g. 2 eine Ausführung entsprechend der vorliegenden Erfindung, und

Fig.3a und 3b die Phasenverhältnisse beim Filter nach dem Stande der Technik und beim Filter

η 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 aufnehmen.

4(i Das erste dieser beiden schaltbar/n 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

-,o zweite schaltbare Filter steuerndem Impulsgenerator wiederum eine Frequenzabweichung zwischen dem aufgenommenen Signal und dem das zweite Filter steuernden Signal nach sich, wobei diese Frequenzabweichung proportional einer Ableitung des vorgenann-

)-, ten 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 Ausgangs-

M) signal 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 Kapa-

h") zität und andererseits mit dem Eingang eines herkömmlichen Bandfilters BFi verbunden ist. Um eine klare VerständlichKeit der Beschreibung zu gewährleisten, ist die Anordnung auf vier Kondensatoren C gleicher

3 4

Kapazität beschränkt. Diese Kondensatoren werden auf Darin ist

der anderen Seite über Schalter S geerdet, und zwar _{γ(() ejne Heaviside}f_Unktion.

einem Schaltzyklus folgend, der durch einen Impuls- _ω' _die Kreisfrequenz des Signals and

generator G1 mit vorgegebener Signalkreisfrequenz ω_{0 φ die konstante} Phasenversetzung.

bestimmt wird. Die Funktionsweise eines solchen dem -i

Stande der Technik entsprechenden Filters soll im Die Übertragungsfunktion eines solchen Filters ist

einzelnen nicht weiter beschrieben werden. Wenn

einem solchen Filter am Eingang ein Cosinussignal F = — e~ ^ · cos n> t mit ft = NRC,

gegebener Amplitude zugeführt wird, ergibt sich 2 °

in

x (t) = Y (t) ■ cos (ωί+Φ). worin A/die Zahl der Kondensatoren ist.

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

γη) _<_ yU) = YU) cos («)£ +i/>) ® -^- · e θ ■ cos u,_ot.

Das Zeichen ® ist der Konvolutionsopemtor.
Es ergibt sich hieraus:

y(t) =J \y(1 - ;.)-ros|,.,if - /.) +</·>!· Aj^ ·«"■» COSm₀/. d/.,

ΙΓ ——

yU) = ^ I (cos i».(r - /.) +Φ\ · e θ · cos „·_ολ) άλ ..

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.

T7 +j ("'η - '") T7 —j ("Ό + "'

Dies kann wie folgt ausgedrückt werden:

P = K cos((rif +0 +01) mit K= konstant. (2)

Φ1 ist dir konstante Phasenabweichung auf Grund der Frequenzabweichung zwischen dem einfallenden Signal und dem Impulssteuersignal mit der Kreisfrequenz ωο.

- Uw₀ + w) Sin {<n_nl -φ) + — COS(r»₀( -Φ)\.

-73 +(m₀+,,,)² I " >

Γ7

73

Wenn in erster Näherung ω--ωο wird, kann dieser 55 Der Ausgang dieses Bandfiiters BFi ist mit dem

Ausdruck in der folgenden Form geschrieben werden: Eingang eines zweiten Impulsgenerators G2 verbun-

, den, der seinerseits ein zweites schaltbares filter SF2

T « — θ · e~e ■ cos (n<_oi +0). (4) steuert, wobei die dem Generator C 2 zugeführte

Steuerfrequenz die jeweils vom Filter 5Fl abgegebene

Fig. 2 zeigt das Ausfühningsbeispiei eines schnell to Frequenz ist. Den Hingängen der beiden Filter SF1 und

einschwingenden schaltbaren Filters entsprechend der SF2 wird das einfallende Signal zugeführt, und der

vorliegenden Erfindung. Diese Schaltungsanordnung Ausgang von SF2 ist mit einem zweiten herkömmlichen

enthält ein erstes herkömmliches schaltbares Filter Bandfilter BF2 verbunden, dessen Ausgang wiederum

5Fl, das durch einen ersten Impulsgenerator Gl mit den Ausgang der Gesamtanordnung bildet,

einer gegebenen Kreisfrequenz ωο nahe der Kreisfre- bs Angenommen, das über den Eingang £der Gesamt-

quenz des herausziifilternden Signals gesteuert wird; an anordnung zugeführ\R Signal hat die folgende Form:
das schaltbare Filter 5Fl schließt sich ein übliches

Bandfilter BFt an. YU) ■ cos («/t +0).

Eine Frequenzabweichung zwischen dem einfallenden Signal und dem Steuersignal vom Impulsgenerator G\ erzeugt am Ausgang des Filters SFI im eingeschwungenen Zustand eine Phasenabweichung Φ I entsprechend den oben gegebenen Erläuterungen.

Am Punkt Zergibt sich dabei ein Signal der folgenden Form:

χ I = K cos (<m/ + φ + 01).

In erster Annäherung kann Φ 1 in der folgenden Form ausgedrückt werden:

φ\	--: 00 ((-■	-"„Ι	I	(51
	■- « des I	•"liters .S7	UIt .
	= /-(Wl)	— keilst;	,- . „U» ..
\:-., ^. HU.. U η^1<··ππ * /ΙΙ,Λν. I I ΚΙΛί-Ιίαυ VTVlV-MtIlIf1 -	Γ» ι .........
«- ! VCiUi

generator G 2 einen Versatz zwischen dem einfallenden Signal und der Steuerfrequenz vom Impulsgenerator G 2. Mit u)2 als Kreisfrequenz des Signals, das dem Impulsgenerator G 2 zugeführt wird, ergibt sich

III 2 — U) = K

. df/.I
d7

Ausgang des Filters SFl der Kreisfrequenz ω zu, die schließlich in eingeschwungenem Zustand erreicht wird. Das Filter SF2 ist ein schaltbares Filter, dem das einfallende Signal mit der Kreisfrequenz o) direkt zugeführt wird. Das vom zugeordneten Impulsgenerator kommende Steuersignal weist eine Kreisfrequenz auf, die dem Wert ω zustrebt. Diese Annahme ermöglichte die Aufstellung des Ausdrucks (4):

ι
7 5 -H · t~ n ■ cos (d._of +φ). (4)

Am Filter .ST2 crjiibt sich

Gemäß Gleichung (5). in der Φ 0, ω und ojo konstant sind, ist auch Φ 1 konstant, und es ergibt sich aus der Gleichung (6):

ω 2 = ο).

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

02 = 0'O (f.. - (.„) = 0
(-) 2 = (-) des Filters SF2
0'O = /-'(W 2) = konstant.

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

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

cos (mi + ψ).

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

F ι " 3S

3b

am Ausgang des Filters 5Fl 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 G 1 hat 2800 Hz.

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

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 SFI 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 an Stelle eines schaltbaren Filters SFl nach dieser Erfindung auch andere Filteranordnungen mit systematischer Phasenversetzung, z. B. ein phasenstarrer Oszillator, verwendet werden können.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Schmalbandige schnelleinschwingende Filteranordnung, die ein Schmalbandfilter mit einem der Frequenzdifferenz zwischen Eingangssignalfrequenz und Eigenfrequenz proportionalem Phasenversatz seines Ausgangssignals gegenüber dem Eingangssignal und des weiteren mindestens ein frequenzschaltbares Filter aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das zu verarbeitende Eingangssignal gleichzeitig den Eingängen (E) des Schmalbandfilters (SFi) und sämtlicher vorgesehenen /π schaltbaren Filter (SF2) und das phasenkorrigierte Ausgangssignal des Schmalbandfilters dem Steuereingang eines das erste der m nachgeordneten schaltbaren Filter schaltenden Impulsgenerators (G2) zugeführt werden, daß bei Vorkehrung von m> 1 in an sich bekannter Weise hintereinanderfolgenden schaltbaren Filtern diese in Kaskade angeordnet sind, wobei jeweils das durch ein in der Kaskade vorgeordnetes schaltbares Filter herausgefilterte Signil dem Steuereingang eines das nächstfolgende schaltbare Filter schaltenden Impulsgenerators zugeführt wird, und daß das zu gewinnende Ausgangssignal über den Ausgang (A) des m-ten vorgesehenen schaltbaren Filters abnehmbar ist.

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

3. Filteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bandbreite des zweiten schaltbaren Filters (Sl· 2} schmaler ist als die des ersten schaltbaren Filters (Si 1) im Schmalbandfilter.