-
"Aktive Filterschaltung für Impulsfolgen" Die Erfindung bezieht sich
auf eine aktive Filterschaltung für Impulsfolgen, die mindestens eine Verzögerungsleitung
mit äquidistanten Anzapfungen, beispielsweise ein S¢hieberegister, sowie mit den
Anzapfungen verbundene Bewertungsglieder und mindestens eine die Ausgänge der Bewertungsw
glieder zusammenfassende Summierschaltung aufweist, wobei die Bewertungsglieder
fest vorgegebene oder selbsttätig einstellbare Bewertungskoeffizienten realisieren0
Derartige Filterschaltungen sind seit langem bekannt. Es gibt zwei hauptsächliche
Anwendungsbereiche dafür, nämlich die Verwendung als Entzerrer für amplitudenmodulierte
äquidistante Impulsfolgen oder als Digitalfilter. WnEtend im ersten Fall die Bewertungsglieder
in ihrer Größe variiert werden können und in besonders vorteilhafter Weise
selbsttätig
einstellbar ausgebildet sind, um eine Adaptierung an wechselnde Verzerrungsverhältnisse
zu ermöglichen, sind bei der Anwendung als Digitalfilter die Bewertungsglieder fest
vorgegeben. Die Bezeichnung Digitalfilter ist in der Literatur nicht eindeutig;
es seien darunter auch die sogenannten Abbastfilter verstanden, die durchaus amplitudenmodulierte
Impulsfolgen verarbeiten können, also nach dem Analogprinzip arbeiten.
-
Figur 1 zeigt schematisch eine bekannte Entzerrerschaltwi die nach
den eingangs erwähnten Grundsätzen aufgebaut ist0 Die Verzögerungsleitung ist durch
eine ringe von Einzelgliedern der Laufzeit T realisiert; die Bewertungsglieder tragen
die Bezeichnung b-N - bn. Die Summierschaltung ist durch das #-Zeichen gekennzeichnet.
Besonders bei Verzögerungsleitungen, die z. B. als Schieberegister mit einer großen
Stufenzahl ausgebildet sind, ist die erforderliche Anzahl an Bewertungsgliedern
erheblich. Die Bewertungsglieder ihrerseits sind verhältnismäßig schwierig zu realisierende
Bauteile, insbesondere dann, wenn sie im Rahmen einer selbsttätig adaptierenden
Entzerrerschaltung eingesetzt werden, wie beispielsweise der Dissertation Broder
Wendland, "Abtastsysteme zur Entzerrung von Datenkanälen", Gechn. Universität Berlin,
1969, zu entnehmen ist.
-
Figur 2 zeigt eine Möglichkeit der Realisierung, wie sie in der genannten
Dissertation beschrieben ist. Es sei hier nur auf den unmittelbaren Aufbau der Bewertungsglieder
br bzw. bn eingegangen. Jedes Bewertungsglied besteht aus einen Multiplikator, der
die Ausgangsgröße der zugehörigen Anzapfung und die Ausgangsgrdße eines Integrators
multiplikativ verknüpft, Der Integratorseinerseits ist einem weiteren Multiplikator
nachgeschaltet, der wiederum die Ausgangsgröße der zugehörigen Anzapfung mit einer
Kenngröße hYi muls4xplikativ verknüpfte Der Integrator - im allgemeinen als Gleichspannungsverstärker
mit kapazitiver Rückkopplung ausgebildet - verändert den Wert seiner Ausgangsgröße
nur relativ langsam was sich dadurch auswirkt, daß sein Rückkoppelkondensator in
seinem Spannungswert nur relativ geringe Veränderungen aufweist.
-
Aus Figur 2 ergibt sich, daß für die erwähnten langen Verzögerungsleitungen
wegen der großen Zahl der erforderlichen Bewertungsglisder der Aufwand an relativ
teuren Bausteinen wie Multiplikatoren und Integratoren erheblich s Der Erfindung
liegt die Aufgabe zugrunde, eine Filterschaltung der eingangs beschriebenen Art
zu schaffen, bei der dieser Aufwand vermindert ist.
-
Die Erfindung besteht darin, daß nur ein Bowertungaglied vorgesehen
ist, das in der Zeit vor dem Eintreffen des jeweils nächsten Impulses nacheinander
mit allen Anzapfungen verbunden wird und dabei in seinem Bewertungskoeffizienten
Jedesmal derart abgeändert wird, wie es den vorgegebenen oder selbsttätig eingestellten
Bewertungskoeffizienten entspricht Im folgenden wird die Erfindung anhand einiger
bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Zuhilfenahme weiterer Abbildungen naher erläutert.
-
Figur 3 zeigt ein fünfstufiges Schieberegister 1 mit äquidistanten
Anzapfungen, in das die Abtastwerte xi von links eingeschoben zu denken sind. Den
Anzapfungen ist eine Schalterbank 2 nachgeordnet, wobei gerade der zweite Schalter
von links geschlossen ist. Der Schalterbank ist nun über ein Abtasthalteglied 3
mit der Verzögerungszeit ?/5 ein Bewertungsglied, wie in Figur 2 beschrieben, nachgeordnet,
das aus einem MultiplX tor 4 besteht, det die jeweils durch den geschlossenen Schalter
der Schalterbank 2 ausgewählte Anzapfung mit der bereits erwähnten Kenngröße #yi
verknüpft. Dem Multiplikator 4 ist ein Integrator 5 nachgeschaltet, der in bekannter
Weise als über einen Kondensator
rückgekoppelter Gleichspannungsverstärker
ausgebildet ist.
-
Mit einer zu 2 synchron laufenden Schalterbank 2' wird der jeweils
einem Koeffizienten b zugeordnete Kondensator eingeschaltet. Wie bei der Schalterbank
2 ist auch hier gerade der zweite Schalter von links geschlossen. Der Ausgang des
Integrators 5 ist mit einem Eingang eines weiteren Nultiplikators 6 verbunden. Dieser
Multiplikator 6 ist mit seinem zweiten Eingang mit dem Ausgang der Schalterbank
2 verbunden, so daß er die Ausgangsgröße der jeweils eingeschalteten Anzapfung mit
einem Faktor, hier dem Bewertungskoeffizienten bo7 multipliziert. Der Auagang des
Multipllrators 6 ist mit dem Eingang eines weiteren Integrators 7 verbunden, der
als Summierschaltung dient und nach jedem Umlauf in der Stellung (1) der Schalterbank
2 auf 0 gesetzt wird. Die Wirkungsweise der Anordnung folgt mit Hilfe der Tabelle
1. Es sei angenommen, daß gerade der Schiebetakt mit der Nummer i die Abtastwerte
xi-# in die Position gebracht hat, wie sie im Register 1 nach Figur 5 dargestellt
ist. Die Dauer des verfügbaren Zeitintervalls U mit der Nummer i in der ersten Zeile
der Tabelle 1 wird nun in der zweiten Zeile eingeteilt in m = 5 gleichgreße IntervalleA
der Dauer ?/5. Während dieser Intervalle T/5 werden nacheinander, wie geschildert,
die mit den Kanalnummern (1),..(5) bezeichneten Anzapfungen des Schieberegisters
angeschlossen,
so daß nacheinander die in Zeile a nach Tabelle 1
eingetragenen Abtastwerte jeweils für die Zeit T/m = T/5 zur Verfügung stehen. Synchron
mit der Schalterbank 2 läuft die Schalterbank 2' für die Bewertungssteuerung der
Koeffizienten b9. Der Abfragezyklus beginnt zur Kanalnummer 1 (nach Zeile f der
Tabelle 1) mit der Uebernahme des Wertes Yi-1 des Integrators 7 am Ende des Taktintervalles
i-1 in das Abtasthalteglied 8 und dem anschließenden Nullsetzen des Integrators
7 (Zeile e). Der Wert yi-1 liefert in Difiersnz mit dem in 9 quantisierten Wert
qi-1 das Fehlersignal #yi-1, das für das ganze nun folgende Abtastintervall g mit
der Nummer i konstant bleibt Nacheinander werden nun die Werte xi-# über den Kanalschalter
2 abgefragt, über die Verzögerung 3 um T/m = T/5 verzögert (Zeile b) und mit yi-1
multipliziert. Die Produkte Abu nach Zeile c stellen die zur Korrektur der gerade
jeweils über die Schalterbank 2' angeschalteten Koeffizienten dar. So liefert z.
B. die gezeichnete Schalterstellung das Produkt xi~1 . #yi-1 = #b0 als Korrektur
für die über die Schalterbank 2' eingestellte Steuergröße für den Koeffizienten
bo, wahrend gleichzeitig der Multiplizierer 6 den angeschalteten Abtastwert xi mit
bo bewertet und das Produkt boxi (Zeile d) dem Integrator 7 züführt.
-
In dieser Weise werden nacheinander während eines Abtast-Intervalls
alle Koeffizientenbewert w gen durchgeführt und im Integrator 7 aufsummiert, während
zugleich adaptiv die erforderlichen Ko effizientenkorrekturen erfolgen.
-
Durch die Xbtätigung der Schalter der Schalterbank 2 werden, wie geschildert,
nacheinander sämtliche Anzapfungen an das Bewertungsglied angeschlossen. Die Abfrage
erfolgt so, daß bei einer in das Schiebetegister 1 eingegangenen Impulsfolge in
der Taktzeit T die Schalter jeweils für die Zeit T geschlossen werden, wenn m die
Anzahl der Stufen ist (hier irt: 5). Da nun aber die Bewertungskoeffizienten, die
den einzelnen Anzapfungen zugeorndet sind, verschieden groß sind, ist es erforderltcli,
das Bewertungsglied diese verschiedenen Werte annehmen zu lassen Am einfachsten
wird dies durch die Anschaltung unterschiedlich geladener Kondensatoren über die
Schalterbank 21 an den Verstärker des Integrators 5 bewirkt. Es ist ein Kondensator
weniger vorgesehen als Anzapfungen vorhanden sind0 Der letzte Kondensator ist durch
einen Kurzschluß ersetzt. Im gezeichneten Zustand ist gerade der zweite Kondensator
von links angeschlossen (entsprechend der zweiten Anzapfung von links), Durch die
Schalteröffnung wird erreicht, daß die Kondensatoren den zuletzt eingenommenen Ladezustand
bis
zum Zeitpunkt des nächsten Anschlusses beibehalten und auf-
diese Weise den Integrator auf den dann erforderlichen Wert seiner Ausgangsgröße
einstellen.
-
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß bei der Ausbildung der
erfindungsgemaßen Filterschaltung als nicht adaptierendes Digitalfilter die Kondensatoren
durch fest eingestellte Spannungsteiler ersetzt werden, die die Größe der Bewertungskoeffizienten
festlegen, Obwohl die beschriebene Ausbildung der erfindungsgemäßen Filterschaltung
gegenüber den bekannten Schaltungen die erwähnten Vorteile bietet, ist doch der
erforderliche Aufwand für die Schalterbänke erheblich. Vorteilhaften Weiterbildungen
der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, diesen Aufwand weiter herabzusetzen.
Figur 4 zeigt eine Möglichkeit, die Schalterbank 2 einzusparen. Dies wird dadurch
ermöglicht, daß das Schieberegister 1 eine Rückkopplung auf seinen Eingang aufweist.
Diese Rackkopplung ist über einen Schalter 10 geführt, der wahlweise die Rückko=.poll2itlmg
oder die Eingangsleitung mit dem Eingang des Schieberegisters verbindet. Zusätzlich
ist noch ein Quantisierer 9 vorgesehen, der eine systemstabilisierende
Wirkung
hat, wie beispielsweise der deutschen Offenlegungsschrift DOS 1 791 173 zu entnehmen
ist.
-
Der Schalter 10 wird nun in der Weise betätigt, daß er sunächst die
Bingangslei M g mit dem Schieberegißter verbindet und zwar so lange, bis ein Impuls
in die erste Stufe des Schieberegisters 1 eingelesen ist. Sodann wird der Schalter
10 umgelegt. Mit einer Taktfrequenz, die m-mal höher ist als die Impulsfolgefrequenz
auf der Eingangsleitung, wird nun der Schieberegisterinhalt mit Hilfe der Rückkoppelleitung
zyklisch verschoben (m ist wieder die Stufenzahl des Schiberegisters 1). Nach m
Takten ist der Inhalt einmal umgelaufen. Sodann wird der Schalter 7 umgelegt, so
daß der nächste Impuls von der Eingangsleitung in das Schieberegister eingeschoben
werden kann Mit der ersten (oder einer anderen) Stufe des Schieberegisters ist nun
wieder das variable Bewertungsglied aus den Bauteilen 3, 4, 5, 6, 7 und 8 verbunden,
wie es im Zusammenhang mit Figur 3 beschrieben worden ist. Durch die zyklische Verschiebung
des Schieberegisterinhalts wird erreicht, daß der Inhalt jeder Stufe des Schieberegisters
einmal das Bewertungsglied durchlaufen hat. Wird der Integrator 5 so ausgebildet,
wie es im Zusammenhang mit Figur 3 beschrieben ist, so muß naturgemaß dafür Sorge
getragen werden, daß die Kondensatoren in der richtigen Weise mit dem Verstärker
verbunden werden.
-
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung geht von dem Wunsch aus,
auch die erforderlichen Schalter zur Auswahl der jeweils richtigen Kondensatoren
für den Integrator 5 einzusparen. Da es sich um die Anschaltung verschieden geladener
Kondensatoren handelt, ist es möglich, diese Anordnung durch Analogschieberegiætcr
zu ersetzen, die ebenfalls Kondensatoren mit zugeordneten Schaltern aufweisen, Es
kann erwartet werden, daß derartige analoge Schieberegister in integrierter Form
einmal verhältnismäßig preisgünstig komplett zu beziehen sind, so daß sich hir ein
Kostenvorteil gegenüber der zunächst geschilderten Lösung ergibt.
-
Unter Umständen noch günstiger ist der Ubergang auf digitale Schieberegister,
die in diesem Falle allerdings den Einsatz von Analogdigital-Digitalanalog-Wandlern
nötig machen, Hierbei handelt es sich um ebenfalls fertig zu beziehende Bauelemente
verhältnismäßig niedrigen Preises0 Figur 5 zeit ein Beispiel für die Realisierung
des Integrators 5 in digitaler Bauweise. Dem Multiplikator 4 ist zwiächst ein Analogdigitalwandler
11 nachgeschaltet. Dieser arbeitet auf einen schematisch dargestellten digitalen
Addierer 12, der den rückgekoppelten Verstärker des Integrators 5 ersetzt.
-
Je nach der zu verarbeitenden Bitzahl sind dem Addierer 12 nickgekoppelte
digitale Schieberegister 13 zugeordnet, die parallel zueinander geschaltet sind
und deren Anzahl der erforderlichen Bitzahl entspricht. Die Anzahl der Schieberegister
ist gleich der höchst zu verarbeitenden Bitzahl0 Die Länge der Schieberegister 13
ist gleich der Länge des Schieberegisters 1. Dem Addierer 12 ist ein Digitalanalogwandler
14 nachgeschaltet, der mit dem Multiplikator 6 entsprechend Figur 3 verbunden ist0
Die Wirkungsweise dieser Anordnung ist die folgende. Die Ausgangsgröße des Analogdigitalwandlers
11, die als parallel anstehende 3itfolge zu denken ist, wird im Addierer 12 zu dem
ebenfalls als parallele Bitfolge anstehenden Wert addiert, der aus den Schieberegistern
13 gerade herausgeschoben worden ist.
-
Der neue Wert wird parallel wieder in die Schieberegister eingelesen
und läuft nun wieder in diesen um.a der Umlauf in den Schieberegistern 13 ebenfalls
mit der n-fachen Frequenz der Impulsfrequenz auf der Eingangsleitung des Schieberegisters
1 erfolgt, ist der Synchronismus zwischen dem jeweils gerade aus dem Schieberegister
13 herausgeschobenen Inhalt und der Abfrage der einzelnen Stufen des Schieberegisters
1 gewahrleistet. Bei einer hinreichend großen Bitzahl ist die Addition Im Addierer
12 der Integration im Integrator 5 gleichwertig. Im übrigen ist durch die Auslesung
des
jeweiligen Inhalts des Addierers 12 und die nachfolgende Digitalanalogwandlung 14
die zweite Ansteuergröße für den Multiplikator 6 gegeben.
-
Wie sich aus dem Vorstehenden ergibt, ist die Realisierung der erfindungsgemäßen
Filterschaltung und ihrer Ausgestaltungen keineswegs auf analoge oder digitale Bauelemente
beschränkt0 Vielmehr sind beliebige Mischformen ausfuhrbare Es sei nochmals darauf
hingewiesen, daß der Hauptvorteil der zuletzt geschilderten vorteilhaften Weiterbildungen
darin zu sehen ist, daß diskrete Bauelemente, wie Schalter und Kondensatoren, durch
leicht verfügbare und preiswerte Gesamtbausteine wie Schieberegister, Addierer und
Digitalanalog- bzwe Analogdigitalwandler ersetzt werden.
-
Der Vollständigkeit halber sei anhand der Figur 6 erläutert, wie auch
das Schieberegister 1 aus digitalen Bauelementen aufgebaut werden kann. Die Eingangs
größe wird zunächst in einem Analogdigitalwandler 15 in eine parallel anstehende
Bitfolge umgesetzt, die in eine entsprechende Anzahl zueinander parallel geschalteter
digitaler Schieberegister 16 eingeschoben wird, wobei jedes dieser Schieberegister
wiederum
m Stufen aufweise (dargestellt sind der Einfachheit halber
lediglich zwei Schieberegister). In die Verbindungsleitung zwischen dem Analogdigitalwandler
15 und den Schieberegistern 16 ist pro Schieberegister eine erste UND-Schaltung
19 eingeschaltet; die UND-Schaltungen sind mit einem Xaktgenerator 17 verbunden,
der einen alrt abgibt, der mit dem Impulst£rt auf der Eingangsleitung übereinstimmt.
Dadurch ist gewährleistet, daß Jeder neu einlaufende Impuls nach seiner Umsetzung
im Analogdigitalwandler 15 über die ODER-Gatter 21 in die Schieberegister 14 eingeschoben
wird. Pro Schieberegister sind je ein weiteres UND-Gatter 20 vorgesehen, die in
die RücEroppelleitungen der Schieberegister 16 eingeschaltet sind. Beide UIID-Gatter
20 sind gemeinsam an einem weiteren Taktgenerator 18 angeschlossen, dessen Taktfrequenz
das m-fache der Taktfrequenz des Taktgenerators 17 ist (die Taktgeneratoren 17 und
18 können durch einen einzigen Taktgenerator mit entsprechenden Rrequensteilenden
oder vervielfachenden Mitteln ersetzt werden). Die Wirkungsweise der Schaltung nach
Figur 6 ist die folgende. Dadurch, daß immer dann, wenn ein neuer Impuls vom Eingang
her ansteht, dieser in die Schieberegister 16 übernommen wird, und daß andererseits
nach dem Einlaufen dieses Impulses die Verbindung zur Eingangsleitung her unterdrückt
wird (Sperrung der UTS-Gatter 19 und gleichzeitiges Öffnen der
UND-Gatter
20), ist der gleiche Umlauf des Inhalts des Schieberegisters 16 gewährleistet, wie
es im Zusammenhang mit Figur 4 bereits beschrieben worden ist. Die Ausgangsgröße
der angezapften Stufe des Schieberegisters 16 kann enfçeder digital weiter verarbeitet
werden (entsprechend Figur 5) oder nach einer Digitalanalogwandlung, so wLe im Zusammenhang
mit Figur 4 beschrieben, analog.
-
Die bisherigen Ausführungen betreffen Filterschaltungen flir eine
Eingangsgröße. Die vorstehend beschriebenen t?berlegungen lassen sioh aber auch
zum einen für anders struurierte Filterschaltungen, z. B. rekursive Entzerrer, anwenden;
fernerhin auch für Schaltungen mit mehreren Eingangs größen, wie sie beispielsweise
aus der DOS 1 791 174 bekannt sind, Der Vollständigkeit halber sei abschließend
anhand der Figur 7 eine Entzerrerschaltung beschrieben, bei der ein um einen rekursiven
Teil ergänztes Transversalfilter für einen Kanal realisiert wird. Alle Bewertungsglieder
sollen konstante Bewertungskoeffizienten b aufweisen. Die Eingangsgröße läuft entsprechend
Figur 4 über einen Schalter 10 und einen Quantisierer 9 in das m-stufige Schieberegister
1 ein, das wiederum rückgekoppelt ist. Der ersten Stufe des Schieberegisters ist
der Multiplikator 6 nachgeschaltet.
-
Da in diesen Bällen mit konstanten Bewertungskoeffizienten b gearbeitet
wird, wird abweichend von den bisher geschilderten Schaltungen nicht mehr auf die
Größe #yi, die ein Maß für die restliche Verzerrung darstellt, Bezug gennmmen Somit
entfallen die für eine automatische Einstellung der Bewertungskoeffizienten erforderlichen
Bauteile -3, 4 und 5. Dem Multiplikator 6 werden vielmehr die erforderlichen Eingangsgrößen
b unmittelbar zugeführt. Diese Eingangsgrößen bv sind in einem Schieberegister 23
der Stellenzahl 2m gespeichert, das über einen weiteren Quantisierer 22 rückgekoppelt
ist. Der Ansteuertakt ist in diesem Falle um den Faktor 2m schneller als der Takt
auf der Eingangsleitung.
-
Die ersten m der 2m Bewertungskoeffizienten bv des Schieberegisters
sind dem rekursiven Teil des Entzerrers zugeordnet, die zweiten m dem transversalen.
Demzufolge ist ein Schalter 25 vorgesehen, der jeweils nach m Takten umschaltet
und den Ausgang des Integrators 6 abwechselnd mit dem für rekursive Entzerren ertrderlichen
in die Eingangsleitung eingeschalteten Addierer 24 und mit dem Ausgang A verbindet.
-
Eine Schaltung, die äußerlich eine gewisse ÄliXaichkeit mit der vorliegenden
Erfindung aufweist, ist aus der DOS 1 909 657,
insbesondere Figur
4, bekannt. Diese bekannte Schaltung unterscheidet sich jedoch von der vorliegenden
Erfindung darin, daß für Jeden neu eingelesenen Wert die Filterfunktion mit geänderten
Größen mehrfach ausgenutzt wird, während &ie bei der vorliegenden Erfindung
lediglich einmal benutzt wird. Zum zweiten ist die bekannte Schaltung auf digitale
Eingangssignale beschränkt. Drittens schließlich ist das dort verwendete digitale
Filter von mindestens zweiter Ordnung, eine Einschränkung, die auf die vorliegende
Erfindung nicht zutrifft