DE2123826A1

DE2123826A1 - Vorrichtung zur Verbesserung des Rauschabstandes fur eine Wellenempfangs anlage

Info

Publication number: DE2123826A1
Application number: DE19712123826
Authority: DE
Inventors: Jacques Versailles Rain sard Yves Antony Oswald, (Frankreich) M
Original assignee: Alcatel CIT SA
Current assignee: Alcatel CIT SA
Priority date: 1970-05-15
Filing date: 1971-05-13
Publication date: 1971-12-23
Also published as: GB1327834A; BE766448A; NL7106635A; DE2123826B2; DE2123826C3; US3737783A; FR2087370A5

Description

COMPAGNIE INDUSTRIELLE DES TELECOMMUNICATIONS

CIT-ALCATEL
12, rue de la Baume, Paris (8), Prankreich

VORRICHTUNG ZUR VERBESSERUNG DES RAUSCHABSTANDES PUR EINE

WELLBNEMFFANGSANLAGE

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Empfang eines periodischen sinusförmigen Signale einer gegebenen Frequenz, die mit zwei Wellenempfangseinrichtungen wie elektroakustischen Transduktoren ausgerüstet ist, wenn es eich beispielsweise um den Empfang akustischer Unterwassersignal· handelt (Sonar), oder die Antennen aufweist, sofern Funk-· j oder Radareignale xu empfangen sind. Zur Vereinfachung der j Beschreibung werden im folgenden die Wellenempfangseinriohtungen auch ale Antennen bezeichnet, obwohl ei· eine andere Auebildung aufweisen kOnnen ale herkömmliche Funkantennen·

Be eei angenommen, daee die von der einen oder an-»

deren der

beiden Antennen empfangenen Nutzsignale eine konstante Frequenz f_Q, ggf. mit ziemlich langsam erfolgender

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Amplitudenmodulation, aufweisen, um ein Gesamtfrequenzband zu erzeugen, dessen Breite in bezug auf f verhältnismässig gering ist.

Ferner sei angenommen, dass die Nutzsignale vor ihrer Verarbeitung zwecks Verringerung des Rauschens zunächst verstärkt und gesiebt werden, bis sie jeweils den gleichen Momentanwert S (t) sowohl in bezug auf die Amplitude als auch auf die Phase an dem einen oder anderen der beiden Eingänge der Verarbeitungsschaltung aufweisen, in welcher die Verminderung des Rauschens erfolgt« Wenn mit t die Zeit und mit S. (t) bzw« S. (t) die Momentanwerte der an die beiden Eingänge angelegten Signale bezeichnet werden, so ist

s_x(t> * s(t) + b

S₂(t) - SCt) + b

worin b^(t) bzw« b„(t) die Amplituden-Moment anwerte des an den beiden Eingängen auftretenden Rauschens bezeichnen.

Weiterhin sei angenommen, dates zwischen SCt) und dem einen oder anderen Rauschwert b,(t) bzw« b-Ct) keine Wechsel besiehung besteht, wohingegen zwischen b* ft) und b„C*) i« der Regel eine bestimmte Wechselbeziehung vorliegt; daraus folgt:

Mittelwert des Produkts (S '^)=O Mittelwert dee Produkts CS · b₂) - 0 Mittelwert dee Produkte Cb_£ · b₂) j 0

Das allgemeine Prinzip der Verbesserung dee Rauechabetandee von Empfangeanlagen mit mehreren Antennen ist in dem

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von Henri Mermoz verfassten und in der französischen Zeitschrift "Annales des Telecommunications", Band 18, 1963, Nr. 7/8, Seite 126 bis Seite 140, veröffentlichten Artikel beschrieben worden. Vorrichtungen, die dieses Prinzip zur Anwendung bringen, sind in der von Henri Mermoz hinterlegten französischen Patentschrift 1 347 229 für zwei Antennen beschrieben worden. Dies ist von besonderer Bedeutung in Anbetracht der Tatsache, dass eine Anlage mit mehr als zwei Wellenempfangseinrichtungen, beispielsweise mit vier Wellenempfangseinrichtungen in mehrere Teilanlagen mit zwei Wellenempfangseinrichtungen aufgeteilt werden kann, die getrennt zur Verringerung des Rauschens eingesetzt werden, wonach die Zusammenfassung der Ausgangesignale der Teilanlagen paarweise erfolgt und diese erneut zur Verringerung des Rauschens verarbeitet werden. Obwohl das mit diesem Verfahren erzielte Ergebnis nicht notwendigerweise ebenso gut ist wie dasjenige, welches mit einer entsprechenden, gleichzeitigen Verarbeitung der von allen Antennen abgegebenen Signale erzielt werden kann, bietet dieses Verfahren den Vorteil, dass es die Herstellung der Anlage beträchtlich vereinfacht. i

Gegenstand der Erfindung ist insbesondere eine Vorrichtung zur Verarbeitung von mit Rauschen behafteten, von zwei Antennen abgegebenen Signalen, die einen bedeutend geringeren Materialaufwand erfordert als herkömmliche Vorrichtungen .

Bei herkömmlichen Vorrichtungen wird die Verringerung

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des Rauschens dadurch erzielt, dass jedes der Signale S₁ und S₀ getrennt nach Grosse und Phase verarbeitet wird und dass dann die Kombination <fer verarbeiteten Signale zur Erzielung des verbesserten Signals S an einem einzigen Ausgang erfolgt. Da die Rauschwerte h. und b„ als periodische Signale einer Mittenfrequenz f verarbeitet werden, was aufgrund der geringen Breite des vom Rauschen um f eingenommenen Frequenzbandes gerechtfertigt ist, ergibt sich für das verbesserte Signal die Kombination:

^So ^{= h}l ^Sl ^{+ h}2 ^S2 <*>

worin es. sich bei den Koeffizienten h. und iu um zusammengesetzte Koeffizienten handelt, die sowohl den Wert als auch die Phase von S. und S₂ beeinflussen. Hierfür ist es erforderlich, jede der Zeitfunktionen S₁ und S„ in zwei um 90° phasenverschobene Komponenten zu teilen, oder genauer gesagt, in solche, die um Zeitwerte T /4 versetzt sind, wobei T — l/f , was praktisch einer Phasenverschiebung um 90° gleichzusetzen ist, da es sich nur um Frequenzen handelt, deren Wert nahe f liegt. Jede der vier erzielten Komponenten ist mit einem geeigneten Zahlenwert zu multiplizieren, der von einem Rechner aufgrund der Werte b^ und b₂ geliefert wird; die vier verarbeiteten, erhaltenen Signale sind wieder miteinander zu kombinieren. Es sind demnach vier Phasenschieber oder Verzögerungsleitungen und vier Rechner erforderlich, um das gewünschte Signal zu erhalten,

Der durch die erfindungsgemässe Vorrichtung erzielte

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Fortschritt beruht auf der Tatsache, dass ein gleichwertiges Ergebnis mit Hilfe einer vereinfachten Vorrichtung und durch Ersatz der durch Gl, (l) dargestellten Transformation durch
die folgende Transformation erzielt wird:

S₀ - S₁ + S₂ + h.( S₁ - S₂ ) ■ (2),

die offensichtlich bis auf den konstanten Koeffizienten K
gleich der Kombination (l) ist, vorausgesetzt, dass

1 + h = X h₁ 1 - h - K h₂

wobei

hj — h

Die Grosse h wird von den bekannten Werten von h.
und h„ ausgehend erzielt, die aus den genannten Schriften bekannt sind.

Wenn als

2 B₁ der Mittelwert von ^i

■ Λ

B₂ der Mittelwert von b| (t)
B₁₂ der Mittelwert von bj (t) b₂ (t)
BJ₂ der Mittelwert von bj (t) b₂ (t - T₀ )

D die Grosse (B₁ +B₂ - 2 B₁₃)

und B der Mittelwert des Quadrats der Amplitude des Rauschens des verbesserten Signale bezeichnet werden, so er-

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gibt eich als zusammengesetzte Gleichung :

^B2 - ^Bl ²

. j (3)

D D

(worin j ="\Λ-1) = h' - jh»*

	die	Gl.	ü =	^Sl	+	^S2
		V =	⁸I	-	^S2
kann		lauten:

Angewandt auf die reellen Variablen als Funktion der Zeit, kann 61. (2) wie folgt lautem

4A (4),

worin die Koeffizienten h* und h" die durch Gl. (3) bestimmten Werte aufweisen» Die Gl. (3) und (4) stellen unmittelbar die mit den Grossen (S₁ * 8„) und (S₁ - S₂) auszuführenden Operationen dar, um das gewünschte, verbesserte Signal zu erhalten; wenn

- b₂,

S₀ (t) » U (t) + h« V (t) + h" V (t - T₀) (5)

Im Falle des Signals S_Q nach Gl, (5) ist die Nutss-

Signalleistung mit 4S bezeichnet; die entsprechende Rauschleistung B_Q ist gegeben durch:

2 '2 B_o = 4 (6)

Erfindungsgemäss ist eine Vorrichtung zur Verbes*·-

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serung des Rauschabetandes für eine Wellenempfangsanlage vorgesehen, die zwei Wellenempfangseinrichtungen verwendet, welche zum Zeitpunkt t jeweils an zwei Eingängei der Vorrichtung die Kurzzeitamplitudensignale S₁Ct) und S₂Ct) abgeben, die durch Überlagerung ein und desselben Nutzsignals S(t); dessen Frequenz f gleich l/T ist, und des einen und des anderen zweier Kurzzeitamplituden-Rauschsignale bjCt) bzw.b₂Ct) gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, dass sie Additionsund Subtraktionsschaltungen zur Bildung der Grossen U und V aufweist, die gleich i

(S₁Ct) + S₂Ct)) et Cs₁Ct) - S₂Ct)) j

sind, dass sie Schaltungen zur Bildung der Grossen h^T V und

h» V (t-T_Q) aufweist, worin:
T

h» = (B - B₁) / (B + B₂ - 2 B)

h» = 2 Β» / (B₁ + B₉ - 2 B₁₉)

J. ir J. Λ ί ίι

und worin B₁ und B₀ die zeitlichen Mittelwerte der Quadrate von b₁Ct) bzw. b„Ct), B₁„ den zeitlichen Mittelwert des Produkts bj(t) b₂Ct), und B* den zeitlichen Mittelwert des Pro- ™

dukts b-Ct) b„Ct - T bezeichnen, und dass sie ferner Schaltuni & ο

gen zur Bildung der Summe U + h» V + h» V Ct - T_Q) aufweist, wobei die erzielte Summe das verbesserte Signal S₀(t) darstellt.

V/eitere Vorteile und Merkmale enthält die Beschreibung verschiedener Ausführungsbeispiele der erfindungsgemässen Vorrichtung an I-Iand der Zeichnung, worin:

Fig. 1 eine bevorzugte Ausführungsart und

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Fig. 2 eine vereinfachte Ausfiihrungsart veranschaulicht, die dann Verwendung finden kann, wenn bestimmte Korrelationswerte «wischen den Rauschwerten b₁ und b„ vorlie-gen.

In Fig. 1 geben die mit 11 bzw. 12 bezeichneten Wellenempfangseinrichtungen «η ICLenaaa 14 bzw· 24 die oben definierten Signale S₁ und S₂ ab, und zwar über die Vorrichtungen 12 bzw» 22, bei denen es sich um Verstärker handelt, die mit Schmalbandfiltern kombiniert sind, welche auf die Frequenz f abgeglichen sind. Die Additionsschaltung 32 und die Subtraktionsschaltung 33 liefern an den Klemmen 34 bzw. 35 die Signale U = S₁ + S₂ bzw. V = S₁ - S₂. Die Klemme 35 liegt an einem Eingang einer Amplitudenregelschaltung 40, welche an ihrem Eingang das Signal V empfängt, das gleich (S₁ - S₀) und folglich gleich (b. - b₂) ist, und welche dazu dient, diesem Signal V eine mit dem Mittelwert von V veränderliche Verstärkung -zix erteilen j so dass der zeitliche Mittelwert des Quadrats des Moduls von V praktisch konstant bleibt. Da ausgehend Ton diesen Definitionen

des· Mittelwert von (V )= B₁ + B₂ - 2 B₁₂ = D ist,

wird am Auegang 41 von 40 ein neues Signal T empfangen, dessen Wirkwert im wesentlichen konstant bleibt:

T = AV / V D

(worin A eise Konstante ist).

Die i:lagelschalt5iag 40 kann auf einfache Weise mit Hilfe eines Verstärkers hergestellt werden, der mit einer

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• selbsttätigen Verstärkungssteuerschaltung versehen ist, die durch das Ausgangssignal des betreffenden Verstärkers über einen Gleichrichter gespeist wird, der eine langsam veränderliche und als Funktion des Wirkwertes dieses Ausgangssignale geltende Steuerspannung abgibt. Die Regelschaltung 40 kann auch als Amplitudenbegrenzungsschaltung ausgebildet sein, der ein auf die Frequenz f abgeglichenes Filter sehr enger Bandbreite nachgeschaltet ist.

Der Ausgang 41 der Regelschaltung 40 ist mit einem

der Eingänge eines "Korrelator**" 42 verbunden> dessen anderer " Eingang von der Ausgangsklemme 34 der Schaltung 32 mit einem Signal U gespeist wird. Ein derartiger "Korrelator" ist als Gerät ausgebildet, welches das Produkt der Kurzzeitamplituden zweier Signale als Funktion der Zeit bildet und nach zeitlicher Integration oder Schmalbandpass-Filterung eine Gleichspannung abgibt, deren Wert allmählich veränderbar ist, und zwar proportional zum Mittelwert des betreffenden Produktes· Dieser Mittelwert in bezug auf den "Korrelator" 42 wird mit U T bezeichnet, und die von der Schaltung 42 abgegebene, W J proportionale Spannung wird auf einen der Eingänge eines Vervielfachers 43 gegeben, dessen anderer Eingang von der Schaltung 41 das Signal T empfängt. Am Auegang 44 der Schaltung wird somit das Produkt des Signale T mal W erzielt.

Eine einfache Berechnung unter Berücksichtigung der Tatsache, dass in bezug auf das Signal U keine Wechselbeziehung zwischen dem Nutzsignal S und den Rauschwerten b. und b_ be-

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steht, zeigt dass das am Ausgang 44 der Schaltung 43 empfangene Signal die Kurzzeitamplitude

- h' Cb₁ - b₂)=-h» V

aufweist..

Der Ausgang 41 der Regelschaltung 40 liegt ebenfalls an einer Verzögerungsschaltung ^S, welche die das an ihren Eingang angelegte Signal T um einen im wesentlichen gleich T /4 betragenden Wert verzögert. Die Korrelationsschaltung 47, die dem "Korrelator" 42 entspricht, und die Vervielfacherschal«« tung 48, die dem Vervielfacher 43 entspricht, gewährleisten am Ausgang 49 der letzteren die Erzielung des Signals T» · UT, das sich von dem bei 44 empfangenen Signal infolge der Ersetzung von T durch

T» = T (t - T₀)

unterscheidet! wie ersichtlich, gilt für dieses Signal als Kurzzeitwert ate Grosse

- h« V (t - T_o). T

Eine Addition der Signale T · üTF und Τ» · ΪΓτ» in der Additionsschaltung 50, deren beide Eingänge mit den Schaltungen 44 bzw· 43 verbunden sind, ergibt am Ausgang der Schaltung 50 ein neues Signal P, welches bis auf das Vorzeichen gleich der Summe der beiden letzten Argumente der 61. (5) ist·

Dur ca Abziehen (i.: der Subtraktionsschaltung 52) des von der Schaltung 51 abgegebenen Signals P vom aus dem Eingang

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34 der Additionsschaltung 32 austretenden Signal U wird am Ausgang 53 der Schaltung 52 das verbesserte Signal 50 entsprechend der Definition nach Gl. (5) erhalten.

Fig. 2 veranschaulicht eine vereinfachte Schaltung zur Anwendung für den Fall, dass die Leistungswerte B. und B„ des Rauschens b_< bzw. b„ gleich sind. In diesem Fall ist der Koeffizient h» gleich Null, und die in Fig. 1 bezeichneten Schaltungen 42, 43 und 50 können entfallen. Der Ausgang der Vervielfacherschaltung 48 ist in diesem Fall unmittelbar mit einem der Eingänge der Subtraktionsschaltung 52 verbunden, de- i ren anderer Eingang, der am Ausgang 34 der Schaltung 32 liegt, von der Additionsschaltung 32 das Signal U empfängt. Das verbesserte Signal S wird wie zuvor am Ausgang 53 der Schaltung 52 empfangen.

Zahlreiche Änderungen der Schaltkreise entsprechend den Fig. 1 und 2 können im Rahmen der Erfindung erfolgen. So kann die Verzögerungsschaltung 45 eine Verzögerung von (3 T_Q/4) anstatt von T /4 liefern. Hierdurch wird die Polarität des Signals T¹ umgekehrt, jedoch nicht der Wert des am Ausgang 48 der Schaltung 49 empfangenen Signals geändert. Die Schaltungen entsprechend den Fig. 1 und 2 arbeiten wie oben angegeben.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung wurde prinzipiell in bezug auf eine mit zwei Wellenempfangseinrichtungen ausgerüstete Anlage beschrieben, die jeweils ein Nutzsignal abgeben, das eine;- Rauschwert bj bzw. b₂ aufweist. In diesem Fall liefert die erfindungsgemässe Vorrichtung am Ausgang ein Sig-

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nal, dessen Rauschabstand einen verbesserten Wert aufweist.

Die Vorrichtungen nach Fig. 1 und 2 sind für allgemeine Anwendungen ausgelegt. Unter der Voraussetzung, dass der Punkt 34 der Ausgang einer ersten Wellenempfangseinrichtung ist, die ein gewisses Rauschen aufweisendes Signal abgibt, und dass der Punkt 35 den Ausgang einer zweiten Wellenempfangseinrichtung darstellt, die nur ein Rauschsignal abgibt, so sind die Punkte 34 und 35 die Eingangsklemmen einer Vorrichtung, die* den Rauschabstand des am Ausgang 53 der Anlage abgegebenen Signals verbessert.

Ein derartiger Fall liegt beispielsweise dann vor, wenn eine auf einer beweglichen Anlage vorgesehene Messchaltung ein Signal empfängt, welches infolge einer auf dieser beweglichen Anlage befindlichem Rauschquelle mit Rauschen behaftet ist, wobei eine zusätzliche Wellenempfangseinrichtung, welche unabhängig von der Messehaltung arbeitet, in Nähe der Rauschquelle angeordnet werden kann und somit unmittelbar bei 35 ein reines Rauschsignal abgibt, welches, kombiniert mit dem von dem Schaltelement bei 34 abgegebenen gestörten Signal, gewährleistet, dass bei 53 ein verbessertes Signal empfangen wird.

Gl. (6) veranschaulicht im übrigen, dass - wenn zwischen den Rauschsignalen b^ bzw. b₂ eine "totale Korrelation" besteht, d.h., wenn sie nur nach Amplitude und Phase differieren, jedoch dieselbe Wellenform aufweisen, und beispielsweise derselben Quelle entstammen - das sich am Ausgang der Anlage ergebende Rauschen B gleich Null ist.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Iy Vorrichtung zur Verbesserung des Rauschabstands für eine Wellenempfangsanlage, ausgerüstet mit zwei Wellenempfangseinrichtungen, welche zum Zeitpunkt t jeweils an zwei Eingänge der Vorrichtung die Kurzzeitamplitudensignale S₁(t) und S₂(t) abgeben, die durch Überlagerung ein und desselben Mutzsignals S(t), dessen Frequenz f gleich l/T ist, und des einen und des anderen zweier Kurzzeitamplituden-Rauschsignale b., (t) bzw.b_o(t) gebildet werden, dadurch gekenn- ( zeichnet, a&aaßa& Additions- und Subtraktionsschaltungen (32 bzw. 33) zur Bildung der Grossen U und V aufweist, die gleich

(S₁ (t) +S₂ (t)) bzw. (S₁ (t) - S₂ (t)) sind,

dass sie Schaltungen zur Bildung der Grossen h^f V und h" V (t - T) aufweist, worin

"Γ

h» = (B₂ - B₁) / (B₁ + B₂ - 2 B₁₂)

h» = 2 B]₀ / (B₁ + B₀ - 2 B₁₉) und worin B₁ und B₀ die zeitlichen Mittelwerte der Quadrate

X At

von b^(t) und b_o(t), B.„ den zeitlichen Mittelwert des Pro-

X Δ 1Δ

dukts b., (t) b_o (t) und B₁₀ den zeitlichen Mittelwert des Pro-

1 Δ IZ

dukts b₁(t) b_o (t-T ) darstellt, und dass sie ferner Schal-

ί Δ O

tungen zur Bildung der Summe tr + h?V + h"V (t-T ) aufweist, wobei die erzielte Summe das verbesserte Signal S (t) darstellt.

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2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungen zur Bildung der Summe ( U + h» V + h" V (t - T_Q) ) ausgerüstet sind mit einem Amplitudenregler (40), der an seinem Eingang das Signal V empfängt und an seinem Ausgang ein Signal T mit konstantem quadratischen Mittelwert und mit einer dem Signal V identischen Wellenform abgibt, mit einem ersten Korrelator (42), der zwei Eingänge hat, welche die Signale U bzw. T empfangen, und an seinem Ausgang ein Signal UT abgibt, dessen Wert gleich dem zeitlichen Mittelwert des Produkts von U mal T ist, mit einer ersten Vervielfacherschaltung (43), die zwei Eingänge hat, welche die Signale T bzw. UT empfangen, und an ihrem Ausgang ein Signal abgibt, dessen Wert gleich dem Produkt T · UT ist, mit einem zweiten Korrelator (46^ der zwei Eingänge hat, die ein Signal U bzw. ein Signal T* empfangen, das durch Verzögerung des Signals T um (T /4) erzielt wird, und der an seinem Ausgang ein Signal UT^f abgibt, dessen Wert gleich dem zeitlichen Mittelwert des Produkts von U mal T* ist, mit einer zweiten Vervielfacherschaltung (48), die an ihren beiden Eingängen die Signale T* bzw. UT^f empfängt, und an ihrem Ausgang ein Signal abgibt, dessen Wert gleich dem Produkt T» · ΰτ"» ist, mit einer Additionssohaltung (SO), die zwei Eingänge hat, welche die Signale mit den Werten T · UT und . T* · UT^T empfängt und an ihrem Ausgang die Summe dieser Signale abgibt, und mit einer Subtraktionsschaltung (52), die zwei Eingänge aat, welche das Signal U bzw. die letztere Summe empfangen, und die an ihrem Ausgang das verbesserte Signal . abgibt.

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3, Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Korrelatoren (42, 47) aus einer Amplitudenvervielfacherschaltung (43, 48) der an seine beiden Eingänge angelegten Signale besteht, welcher eine Schaltung zur Integration der SignAle Im Verhältnis zur Zeit nachgeschaltet ist.
4« Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Korrelatoren (42, 47) aus einer Amplitudenvervielfacherschaltung (43, 48) der an seine beiden Eingänge angelegten Signale besteht , welcher ein Tiefpassfilter nachgeschaltet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der-Amplitudenregler (40) aus einem Verstärker besteht, der eine automatische Verstärkungssteuerschaltung aufweist, die durch den quadratischen Mittelwert des Ausgangssignals des Verstärkers gesteuert wird.
6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Amplitudenregler (40) aus einem Amplitudenbegrenzer besteht, dem ein auf die Frequenz f_Q abgeglichenes Schmalband-Tiefpassfilter nachgeschaltet ist.

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