DE2124014C3 - Schaltungsanordnung zur Verminderung der durch Verluste in den Spulenwicklungen verursachten Übertragungsverzerrungen von LC-Filtern - Google Patents

Description

steigenden Modulationsgröße nach dem Gesetz e¹" moduliert, wobei die Exponentenfrequenz ρ der Modulationsgröße in beiden Fällen gleich ist und die Modulation ein- und ausgangsseitig synchron mit einer Periodendauer Terfolgt

Die Unteransprüche kennzeichnen vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung nach dem Hauptanspruch.

Die Erfindung wird nunmehr ausführlich bescimeben. In den Zeichnungen zeigt die

Fig. 1 die Anordnung für ein verlustfreies Filter, F i g. 2 eine exponential abfallende Sinus welle,

F i g. 3 ein Filter nach der Erfindung mit zwei Modulationsschaltungen,

F i g. 4,5 je sine Kurvenform für zwei Modulationsströme,

F i g. 6 eine Generatoranordnung für das Filter nach der F i g. 3 und

F i g. 7 eine andere Ausführung des Filters nach der Fig.3.

Widerstandsverluste in der Wicklung können in ein Filter mathematisch eingeführt werden mittels einer komplexen Frequenztraosformation, wobei aus Gründen der Einfachheit angenommen wird, daß das Filter ursprünglich verlustfrei war, wie in der Fig. 1 dargestellt

(D

)W_RC

jniC

wobei

(2)

= / /_K(T)e- "- ch

(4)

Wird die dynamische Übertragungskomponente (4) gleichfalls einer Prequenztransformation (S) unterworfen, erhält man

(6)

= <"-J2L^+jP I = f{T)A^~^P)

(6) ist dementsprechend die dynamische Ubertragungskomponente, die erhalten wird, wenn in die Spulen Wicklungswiderstände eingeführt werden, wonach die Übertragungseigenschaften geraessen werden mit einer exponentiell abfallenden Sinuswelle nach Fig. 2.
Nach (3) und (6) wird dann

Ist die dynamische Ubertragungskomponente des verlustfreien Filters

(3)

dann wird die dynamische Ubertragungikomponente des frequeriztransformierten Filters (Minimalfilter)

Der Laufzeitfaktor /_R (τ) wird daher kleiner, wenn R/Lgrößer wird, wie es der Fall sein soll.

Die in der F i g. 2 dargestellte und exponential abfallende Sinuswelle entspricht ferner einer komplexen Frequenztransformation mit der Winkelfrequenz

(5)

21 ^{= P}

(7)

Diese Dimensionierungsbedingung (7) verleiht dem mit Verlusten belasteten Filter bei exponential abfallender Sinuswelle genau dieselbe dynamische übertragungskomponente wie einem verlustfreien Filter für reine Sinuswellen. M.a.W., dies gilt für quasistationäre Bedingungen wie für Übergangsbedingungen.

Nach an sich bekannten Formern betragen die Dämpfungsverluste

—■ ^dB (im Durchlaßband) (8) IL αω

. ^R ,„ **
2oiL du)

wobei ß die Phasenverschiebung und
penlaufzeit = τ_β ist.

Oder anders ausgedrückt, nach (7) ist

in

die GrupFür jeden ω-Wert werden die Schwingungen an der

Ausgangsseite des Filters um die Laufzeit τ_β verzögert, so daß die Dämpfung durch das Filter bei exponentiellem Abfall an der Eingangsseite des Filters genau die gleiche ist. Auf diese Weise bleiben die synchronen Amplituden an beiden Seiten des Filters einander

gleich, d. h., die Dämpfung im Durchlaßband muß gleich Null sein wie bei einem verlustfreien Filter. Nunmehr werden periodisch und exponentiell abfallende Sinuswellen behandelt Es ist in der Praxis unmöglich, mit rein komplexen Frequenzen (5) zu ar-

beiten. Aus diesem Grunde werden »periodisch komplexe Frequenzen« benutzt, d. h^ sich exponentiell verändernde Sinuswellen mit periodischen Sprüngen wie die in den F i g. 4 und 5 dargestellten Hüllkurven. Das in der Fig. 3 dargestellte Filter soll in einer

Modulationsstufe in einer Trägerfrequenzanschlußeinheit wirken, d. h., das Filter wird zwischen zwei Modulatoren M₀ und M_b geschaltet. Den Modulatoren M₀ und M_b werden aus den Trägerwellengeneratoren G„ und G_b sinusförmige Trägerwellen mit der Win-

kelfrequenz ω_α bzw. o>_b zugeführt, die zuerst die Modulatoren E_a bzw. E_b durchwandern müssen, in denen eine Modulation zu periodischen komplexen Trägerwellen /„(i) nach F i g. 4 bzw. I„(t) nach F i g. 5 erfolgt.

Die Modulatoren E_a und E_b werden mittels der Schaltung EG synchronisiert, so daß die Sprünge gleichzeitig auftreten.

Die Signalschwingungen bei a', S₀ (r) und bei b bilden Modulationsprodukte mit den Trägerwellen I_a(t) und I_b(t) bei α bzw. bei b', wobei der Faktor e"¹" bzw. e^pI gebildet wird, welche Faktoren sich bei b' sich gegenseitig auslöschen in den Signalschwingungen 3_b{t) die daher frei von komplexer Periodizität sind. Braucht in den Modulatoren M₀ und/oder M_h keine Trägerwellenmodulation zu erfolgen, so wird die Schaltung EG direkt mit dem Modulator M_a und/oder M_b verbunden, wie in der F i g. 3 mit unterbrochenen Linien dargestellt, in welchem Falle die nicht benutzten Schaltungselemente £„ G„ E_b und G_b weggelassen werden.

Die Erzeugung periodisch und exponentiell veränderlicher Hüllkurven erfolgt in der Schaltung EG (Fig. 3), die in der Fig. 6 ausführlicher dargestellt ist. Während der Periode T wird ein elektronischer Kontakt K bei einer sehr kurzen Schließzeit r_k von einigen wenigen Mikrosekunden periodisch geschlos

(10)

mit L = Induktivität in Serie mit K.

Während der Schließungszeit r_fc wird die gesamte Ladung auf dem Kondensator C₂ auf den Kondensator C₁ übertragen. Während der Zeit (τ - rj zwischen den Schließzeitpunkten wird der Kondensator C₂ über den Widerstand R₂ aus der Batterie aufgeladen, während der Kondensator C₁ über den Widerstand ic, entladen wird. Unter der Voraussetzung, daß die Impedanzen der Verstärker F₁ und F₂ am Polpaar χ und y unendlich groß sind, müssen die Werte der Widerstände und Kondensatoren nach der nachstehenden Gleichung gewählt werden:

1
R₁C₁

R₂C₂

(H)

damit an den Polpaaren χ und ν ein Gleichstrom mii den sich periodisch und exponentiell verändernden »Hüllkurven« abgeleitet werden kann, die nach der F i g. 3 die Trägerfrequenzen a>_a und m_b in den Modulatoren E„ und E_b oder direkt die Signalströinc in den Modulatoren M, und M _h modulieren. Die Schaltung nach der F i g. 6 garantiert den synchronen Gleichlauf zwischen den Sprüngen in den Modulatorhüllkurven an der Eingangs- und Ausgangsseitc des je Filters F (F i g. 3).

Nunmehr wird die Korrektur von Verzerrungen beschrieben. Unter der Annahme, daß die in der Fig. 4 markierte Kurve eine willkürliche Frequenzkomponente in den Signalschwingungen darstellt, die das Filter nach der Fig. 3 durchwandert hat, wird die Dämpfung anfangs dadurch korrigiert, daß man mit der Gruppenübergangszeit τ_β nach der Gleichung <9) beginnt Jedoch bewirkt die Verzögerung r_g zugleich, daß ein TeQ der Schwingungsenergie der von ίο der schraffierten Fläche Y dargestellten Frequenzkomponente verlorengeht. Die Frequenzkomponente erfährt daher eine durchschnittliche Dämpfung nach der nachstehenden Gleichung:

5 Ατ = -=\ Für diese Dämpfung muß daher eine Korrektur vorgenommen werden, aus welchem Grunde der Ausdruck (9) abgeändert wird in

,..-;:■. Af + Ατ « ρ ■ x_g
oder nach (7), (9), (12) und (13) in

(J 3)

R_

IL

= 2

1 27

R ] ⁺ f

(14)

Wird ρ nach (14) dimensioniert, erhält man die Beziehung zwischen den Schwingungsenergien der verschiedenen Frequenzkomponenten aufrecht. Es 'wird daraufhingewiesen, daß der Momentanwert einer Frequenzkomponente einerseits eine zeitliche Streckung und andererseits eine Durchschnittsverzögerung bewirkt. Diese beiden Verzerrungen werden weitgehend korrigiert von der schraffierten Fläche Y in der F i g. 4 und nach der Formel 14. Der Übergang verhindert kurze Lücken in den Frequenzkomponenten an den Sprüngen. Es wird ferner darauf hingewiesen, daß bei Verwendung derselben Spulenart, d. h. mit demselben R/L in allen Filtern in einem Trägerfrequenzsystem, dasselbe ρ und T für alle Modulationsstmfen im System nach (14) benutzt werden kann. Wie bei den üblichen Filtern sind die Frequenzkomponeiuten nahe den Kanten des Durchlaßbandes höchst kritisch, und es bestehen dieselben Möglichkeiten für einen Kompromiß zwischen Güte und Bandbreite.

Bei der Schaltung nach der F i g. 7 ist mit F das IC-Filter oder LC-Filtersystem (beispielsweise ein Kanal in einer 60-Kanalgruppe) mit Miniaturspulen bezeichnet, dessen Selektivität durch Modulation in den Modulatoren M„ und M_b, die vom Generator EG gesteuert werden, erhöht wird. Der Steuerstrom aus dem Generator EG, der zum Modulator M_h geleitet wird, wird mittels eines Laufzeitnetzwerkes mit konstanter Laufzeit r₀ innerhalb des betreffenden Frequenzbereichs verzögert, weiche Laufzeit I₀ gleich der durchschnittlichen Laufzeit im wirksamen Durcliilaßband der IC-Filter F ist. Nunmehr ist die Phasenverschiebung dieses Filters oder Filtersystems lineariitiert, d. h., die Spränge aller Frequenzkomponenten in diesem wirksamen DnrchJaßband der Filter F erreiihen gleichzeitig den Modulator M_1n da die Sprünge im Modulationsveriauf stattfinden. Da die Laufzeiten im Filter sehr kurz sind (ein Bruchteil einer Millisekunde), werden die gespaltenen Frequenzkomponenten ohne ungeeignete übergänge wieder miteinander vereinigt Aus diesem Grunde wild in diesem Falle ρ für die Länge der Periode Γ nicht korrigiert

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1. Patentansprüche:

   *· Schaltungsanordnung zur Venninderung der h Verluste in den Spulen wicklungen verursach- ₍ ten Übertragungsverzerrungen von IC-Filtern, bei 3 j -denen die Verluste sämtlicher in dem IC-Filter vorhandener Spulen verhältnismäßig groß sind und von je einem frequenzunabhängigen und mit der Induktivität L in Reihe liegenden Ersatzwiderstand R gebildet werden und das Verhältnis zwischen >o Induktivität und Ersatzwiderstand bei allen Spulen gleich ist, dadurch gekennzeichnet, daß am Eingang des IC-Filters ein Modulator vorgesehen ist, der das zu filternde Nutzsignal mit einer zeitlich abfallenden Modulationsgröße nach dem '5 Gesetz e"¹* moduliert und am Ausgang des IC-Filters ein weiterer Modulator vorgesehen ist, der das gefilterte Nutzsignal mit einer zeitlich ansteigenden Modulationsgröße nach dem Gesetz e* moduliert, wobei die Exponentenfrequenz ρ der Modulationsgröße in beiden Fällen gleich ist und die Modulation ein- und ausgangsseitig synchron mit einer Periodendauer T erfolgt.
2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Exponentenfre- quenz p, das Verhältnis R/L der Spulen und die Periodendauer T der Beziehung

   R 1

   2p = _T+ f gehorchen.
3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationsschaltungen an der Eingangs- und Ausgangsseite des Filters von einem gemeinsamen Generator gesteuert werden.
4. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator einen elektronischen Kontakt aufweist, der periodisch sehr kurzzeitig in bezug auf die Periodendauer (T) geschlossen ist und dabei eine elektrische Ladung von einem Kondensator (C₂) über den Kontakt auf einen weiteren Kondensator (C|) überträgt sowie die Schließungszeit des Kontaktes gleich der Zeit für einen halben Schwingungsdurchgang eines Resonanzkreises, gebildet aus den Kondensatoren (C₁; C₂) und einer dazwischenliegenden Reiheninduktivität, ist, daß der erstgenannte Kondensator (C₂) aus einer Batterie (B) über einen Widerstand (R₂) aufgeladen und der weitere Kondensator (C₁) über einen weiteren Widerstand (A₁) entladen wird, daß jeder Kondensator (C,, C₂) mit dem zugehörigen Widerstand (R₁, R₂) eine solche Zeitkonstante aufweist, die der Exponentenfrequenz ρ entspricht, und daß die Spannungen an den Kondensatoren jeweils an dem Eingang eines Verstärkers gelegt sind, dessen Ausgangsströme die betreffende Modulationsschaltung steuern.
5. 5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der periodisch und exponential ansteigende Modulationsstrom um eine Zeit T₀ verzögert wird, bevor er der Modulationsschaltung an der Ausgangsseite des Filters zugeführt wird, und daß die Zeit T₀ gleich der durchschnittlichen Laufzeit des Filters ist.

   65 Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Verminderung der durch Verluste in den Spulenwicklungen verursachten Übertragungsverzerrungen von IC-Filtern, bei denen die Verluste sämtlicher in dem IC-Filttr vorhandenen Spulen verhältnismäßig groß sind und von je einem frequenzunabhängigen und mit der Induktivität L in Reihe liegenden Ersatzwiderstand R gebildet werden und das Verhältnis zwischen Induktivität und Ersatzwiderstand bei allen Spulen gleich ist

   Um die Herstellung zu verbilligen und Raum einzusparen wird in der Fernmeldetechnik angestrebt, elektrische Schaltungen soweit möglich nach dem Siebdruckverfahren herzustellen. Hierbei muß jedoch vorausgesetzt werden, daß alle Schaltungselemente der Schaltung genügend klein angefertigt werden können. Diese Bedingungen können bei Widerständen, Kondensatoren, Transistoren, Gleichrichter und anderen Schaltungselementen erfüllt werden nicht jedoch bei Spulen, wenn die Verluste bei Frequenzen unter 1 MHz genügend klein sein sollen, die für die Erfindung von besonderem Interesse sind. Es war aus diesem Grunde daher bisher nicht möglich, passive IC-Filter innerhalb des in Betracht kommenden Frequenzbereiches nach dem Siebdruckverfahren herzustellen. Es werden daher Versuche mit sogenannten aktiven RC-Filtern angestellt, die nur Widerstände, Kondensatoren und Transistoren enthalten. Es wurden bereits gewisse Ergebnisse erzielt, besonders bei Tiefpaßfiltern, die im Gegensatz zu IC-Filtern für außerordentlich niedrige Grenzfrequenzen dimensioniert werden können. Es muß jedoch möglich sein, auch Hochpaßfilter und Bandfilter mit einer großen relativen Bandbreite als aktive RC-Filter herzustellen. Es ist jedoch sehr ungewiß, ob aktive RC-Filter als hochselektive Filter verwendbar sind, d. h. Filter mit einer scharfen Abgrenzung zwischen dem Durchlaß und dem Sperrband, z. B. Bandfilter mit einer kleinen relativen Bandbreite. Die letztgenannten Bandfilter können tatsächlich nicht durch eine Kaskadenschaltung von Tief- und Hochpaßfiltern aufgebaut werden, ganz gleich, ob sie als aktive RC-Filter oder als passive IC-Filter eingerichtet werden. Statt dessen werden Frequenztransfonnationen mit einer Tiefpaßfilterkette verwendet, wobei in die RC-Filterkette sowie in die IC-Filterkette mit absoluter Notwendigkeit Spulen eingerührt werden, welche Maßnahme gerade vermieden werden sollte.

   Will man hochselektive IC-Filter nach dem Siebdruckverfahren auch für Frequenzen unter 1 MHz herstellen, muß man sehr kleine Spulen, sogenannte Miniaturspulen, mit großen Wicklungswiderstandsverlusten verwenden. Als Miniaturspule wird eine Spule oder ein Netzwerk bezeichnet, die (das) in der Praxis als eine Induktivität mit einem nachgeschalteten verhältnismäßig großen und frequenzunabhängigen Widerstand wirkt. Diese Verluste würden normalerweise in den Filtern zu einer starken Dämpfung und Dämpfungsverzerrung führen.

   Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei derartig aufgebauten IC-Filtern die durch Verluste in den Spulenwicklungen verursachten Ubertragungsverzerrungen zu vermindern.

   Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß am Eingang des IC-Filters ein Modulator vorgesehen ist, der das zu filternde Nutzsignal mit einer zeitlich abfallenden Modulationsgröße nach dem Gesetz e~^p> moduliert ist, der das gefilterte Nutzsignal mit einer zeitlich an-