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Anordnung für die Verarbeitung und Erzeugung von frequenzmodulierten
Signalen (Zusatz zz Patentanmeldung P 19 05 680.5) Die Erfindung betrifft Weiterbildungen
der Anordnungen für die Verarbeitung und Erzeugung von frequenzmodulierten Signalen,
die den Gegenstand der Hauptanmeldung P 19 05 680.5 bilden. Diese Weiterbildungen
betreffen die Systeme für die angepaßte Filterung von frequenzmodulierten Signalen
und insbesondere Maßnahmen, die getroffen werden, damit diese Systeme eine gleichzeitige
Verarbeitung von Signalen einer großen Anzahl von Kanälen durchführen können. Ein
solcher Fall tritt insbesondere bei Sonargeräten auf, bei denen mehrere Kanäle durch
Gruppierung der Signale geschaffen werden; bei solchen Geräten ist es dann notwendig,
gleichzeitig mehrere Kanäle zu behandeln, deren Anzahl mehr als 100 betragen kann.
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Ein System für die angepaßte Filterung der frequenzmodulierten Signale,
bei dem ein Impulskompressionsverfahren nach einer Zeitkompression angewendet wird,
ist in der Hauptanmeldung beschrieben. Bei diesem System
beruht
die Impulskompression darauf, daß die angepaßten Filter die Eigenschaft haben, kontinuRrlich
das Konvolutions -produkt des Eingangssignals mit einer Kopie des übertragenen Signals
zu liefern; dieses Produkt wird punktweise durch Abtastung des Ausgangssignals des
angepaßten Filters erhalten.
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Dieses Filter i3t eine dispersive Verzögerungsleitung (d.h. eine Verzögerungsleitung
mit frequenzabhängiger Laufzeit), die an ein Impulssignal der Dauer T1 und der Frequenzbandbreite
Bi angepaßt ist, das zu dem Eingangssignal in einem solchen Verhältnis K homothetisch
ist, daß die folgenden Beziehungen erfüllt änd: T0 B1 B1T1 = B0T0 und = = K T1 B0
Darin sind T0 die Dauer des übertragenen Signals und Bo die Bandbreite seiner linearen
Frequenzmodulation. Mit diesem Signal wird zuvor eine Zeitkompression in dem homothetischen
Verhältnis K in einem digitalen Umlaufspeicher vorgenommen, nachdem es mit einer
Abtastfrequenz abgetastet worden ist, die größer als 2Bo ist (im angegebenen Fall
2,5 B0), damit die Bedingung des Satzes von Shannon über die Informatimsübertragung
erfüllt ist, und nachdem es mit Hilfe eines Analog-Digital-Umsetzers quantisiert
worden ist. Die dispersive Verzögerungsleitung liefert dann die Korrelationen zwischen
der Kopie des übertragenen Signals und den aus dem Speicher austretenden aufeinanderfolgenden
Abschnitten des Signals, wobei diese Abschnitte voneinander um einen Abtastwert
verschieden sind. Die Funktion der gegenseitigen Korrelation von Signal und Kopie,
die mit Hilfe dieser Signalverarbeitung gebildet werden soll, wird durch Abtastung
des Ausgangssignals der dispersiven Verzögerungsleitung bei jedem Speicherumlauf
erhalten, d.h. mit der Häufigkeit 1/ei.
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Für jeden aus dem Umlaufspeicher austretenden Signalabschnitt
erhält
man nämlich einen einzigen Punkt der Funktion der gegenseitigen Korrelation von
Signal und Kopie wegen der Gleichheit der Dauer T0 des übertragenen Codes und der
Dauer der Aufrechterhaltung des Eingangssignals in dem Umlaufspeicher.
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Das zuvor erwähnte System ermöglicht also die Verarbeitung eines frequenzmodulierten
Signalkanals in der Weise, daß eine angepaßte Filterung des Signals erfolgt, doch
wären verschiedene Änderungen notwendig, damit außerdem in gleicherWeise mehrere
Signalkanäle gleichzeitig verarbeitet werden können.
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Das Bestehen dieses Problems und die Möglichkeit der Verarbeitung
von mehreren Signalkanälen sind insbesondere in einem Artikel von P. Tournois und
J.Bertheas auf Seite 527 der Zeitschrift ?tThe Journal of the Acoustical Society
of America" , Band 46, Nr. 1, 1969 erwähnt.
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Das Ziel der Erfindung ist die Weiterbildung der den Gegenstand der
Hauptanmeldung bildenden Anordnung für die Verarbeitung und Erzeugung von frequenzmodulierten
Signalen in der Weise, daß die gleichzeitige Verarbeitung von mehreren Signalkanälen
möglich ist.
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Nach der Erfindung ist eine Anordnung für die Verarbeitung und Erzeugung
von frequenzmodulierten Signalen auf Grund der Eigenschaft der angepaßten Filterung
einer dispersiven Verzögerungsleitung, die ständig die Funktion der gegenseitigen
Korrelation des Eingangssignals mit der Kopie des Sendesignals liefert, wobei dem
Eingangssignal eine Zeitkompression erteilt wird, bevor es zu der dispersiven Verzögerungsleitung
gelangt, nach Patentanmeldung P 19 05 680.5 dadurch gekennzeichnet, daß zur gleichzeitigen
Verarbeitung von N Eingangssignalen in dem
Verarbeitungskanal für
die gleichzeitige Verarbeitung der N Signale eine Anordnung zur Frequenzumsetzung
Abtastung und Umwandlung der unabhängigen Eingangssignale vorgesehen ist, welche
die quantisierten Komponenten der erzeugten Signale liefert, daß dieser Anordnung
eine Zeitkompressions- und Zeitmultiplexieranordnung nachgeschaltet ist, an deren
Ausgang eine Anordnung zur Umwandlung der Signale in ein in das Frequenzband des
angepaßten Filters transponiertes Signal angeschlossen ist, wobei wenigstens eine
Quelle die Steuersignale für diese Anordnungen liefert, daß ein angepaßtes Filter
das transponierte-Signal empfängt und die Funktion der gegenseitigen Korrelation
des empfangenen Signals mit der Kopie des übertragenen Signals liefert, und daß
an den Ausgang des angepaßten Filters eine Ausgangsanordnung mit Gegenkopplungsschleife
angeschlossen ist, welche die automatische Yerstärkungsregelung des Signals für
die Auswertung gewährleistet.
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Die Brfinang wird an Hand der Zeichnung beispielshalber beschrieben.
Darin zeigen: Fig.1 ein vereinfachtes Übersichtsschema eines bekannten Systems für
die Verarbeitung und Erzeugung von frequenzmodulierten Signalen, Fig.2 ein vereinfachtes
Übersichtsschema einer anderen bekannten Anordnung für die Verarbeitung und Erzeugung
von frequenzmodulierten Signalen, Fig.3 das Übersichtsschema eines Ausführungsbeispiels
der Anordnung für die Verarbeitung von frequenzmodulierten Signalen nach der Erfindung
und
Fig.4 ein Übersichtsschema von Anordnungen, die zusammen mit
der Anordnung von Fig.3 einer besonderen Anwendungsmöglichkeit der erfindungsgemäßen
Anordnung entsprechen.
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Zur Vervollständigung des in der Hauptanmeldung beschriebenen Standes
der Technik und zur Erleichterung des Verständnisses der erfindungsgemäßen Verbesserungen
sollen zunächst zwei vereinfachte Darstellungen beschrieben werden.
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Fig.1 zeigt ein Übersichtsschema einer empfangsseitig verwendbaren
Anordnung, die auf einem System der angepaßten Filterung beruht. Die Anordnung A
der Eingangskreise des Systems besteht aus einem Bandfilter, dem eine Abtastschaltung
und ein Analog-Digital-Umsetzer nachgeschaltet sind. Der Analog-Digital-Umsetzer
ist mit der Schreibschaltung der Anordnung B verbunden, die außerdem einen digitalen
Umlaufspeicher und die zugehörige Leseschaltung enthält. Die Anordnung C besteht
aus seinem Digital-Analog-Umsetzers einem Bandfilter und einer Mischstufe und dient
zur Verbindung der Anordnung B mit der dispersiven Verzögerungsleitung D. Am Ausgang
dieser dispersiven Verzögerungsleitung befindet sich eine Anordnung Eo die aus einem
Hüllkurvendetektor, einer Abtastschaltung und einem Bandfilter besteht und die gesuchte
Funktion der gegenseitigen Korrelation liefert.
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Bekanntlich kann eine dispersive Verzögerungsleitung (d.h. eine Ver3gerungsleitung
mit frequenzabhänger Laufzeit) nicht nur für die Kompression der Dauer eines frequenzmodulierten
Impulses verwendet werden, sondern auch zur Lieferung eines linear frequenzmodulierten
langen
Impulses , wenn ihrem Eingang ein kurzer Impuls zugeShrt wird.
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Ein weiterer Aspekt der auf dieser Eigenschaft beruhenden Verarbeitung,
der insbesondere die Sendeseite betrifft, ist gleichfalls in der Hauptanmeldung
beschrieben. Bei einem solchen System dessen Übersichtsschema in Fig.2 gezeigt ist,
werden der dispersiven Verzögerungsleitung D kurze Impulse zugeführt, die sie dann
in frequenzmodulierte lange Impulse umformt, denen dann eine Zeitdehnung um den
Wert K des gewählten Verhältnisses erteilt wird. Zu diesem Zweck ist die dispersive
Verzögerungsleitung D über eine Anordnung E1, die aus einer Mischstufe, einem Bandfilter,
einem Abtaster und einem Analog-Digital-Umsetzer besteht, mit einer Zeitdehnungsanordnung
F verbunden, die ihrerseits durch einen digitalen Umlaufspeicher und die zugehörigen
Schreib- und Beseschaltungen gebildet ist.
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Eine durch einen Digital-Analog-Umsetzer und ein Filter gebildete
Anordnung G verbindet diese Zeitdehnungsanordnung F mit dem Ausgang des Systems.
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Es ist zu bemerken, daß die Anordnung F ohne weiteres die zeitliche
Umkehrung des Stoßverhaltens des angepaßten Filters bewirkt, die für die Erzeugung
des Sendesignals erforderlich ist.
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Es ist zu bemerken, daß die in Form von Blöcken gezeigten Funktionsgruppen
mit den gleichen Buchstaben bezeichnet sind, die später bei den Anordnungen von
Fig.3 und 4 verwendet werden. Ferner werden in der nachfolgenden Benchreibung die
bereits definierten und verwendeten Buchstabensymbole wieder aufgegriffen.
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Eine der hauptsächlichen Veränderungen, die an der den Gegenstand
der Hauptanmeldung bildenden Anordnung vorgenommen wird, und die es u.a. ermöglicht,
ein Zeitmulti plexverfahren zur Behandlung von mehreren Eingangssignalen anzuwenden,
besteht darin, daß die Dauer der Aufrechterhaltung der Abschnitte der Eingangssignale
in den Umlaufspeichern derart geändert wird, daß diese Dauer T2 größer als die Dauer
To des übertragenen Codes ist, Nach einer ZeitWompression im Verhältnis E durch
die Umlaufspeicher haben die in die dispersive Verzögerungsleitung eingeführten
Signalabschnitte die Dauer X2/K. Man kann also am Ausgang dieser dispersiven Verzögerungsleitung
einen Signalabschnitt der Dauer T2/K-T1 auswerten, wobei T1 die Dauer des Irnpulsverhaltens
dieser Verzögerungsleitung ist; infolge der Zeitkompression beträgt dieser Wert
T0/K.
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Dieser nutzbare Signalabschnitt ist ist also in dem Verhältnis K homothetisch
zu einem Abschnitt der Dauer T2-To der gesuchten Funktion der gegenseitigen Korrelation
von Signal' und Kopie.
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Da für die Bildung dieses Signalabschnitts die dispersive Verzögerungsleitung
nur während der Dauer T2/K in Anspruch genommen- ist, ist es möglich, am Eingang
dieser Verzögerungsleitung eine Zeitmultiplexierung für die Verarbeitung von N Eingangs
signalen vorzunehmen, wobei N durch die folgende Beziehung definiert ist:
Wenn die Anzahl N der zu verarbeitenden Signale vorgeschrieben ist, ist der Wert
der Dauer T2 durch die folgende Beziehung definiert: 2 0( R
Nachdem
somit die theoretischen Grundlagen beschrieben worden sind, die die Änderungen besser
verstehen lassen, welche an dem System zur angepaßten Filterung vorgenommen werden,
damit eine gleichzeitige Verarbeitung der Signale von einer großen Anzahl von Empfangskanien
möglich ist, soll das verbesserte System an Hand des Ubersichtsschemas von Fig.3
beschrieben werden, das einem Ausführungsbeispiel entspricht.
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Die Anordnung A der Eingangskreise des Systems besteht aus N parallelen
Kanälen, von denen jeder ein Frequenzumsetzerorgan enthält, das durch eine Demodulatoranordnung
1 gebildet ist, deren beide Ausgänge jeweils über ein Ti-efpaßfilter 2 mit einem
Abtaster 3 verbunden sind, der durch ein Signal Hg gesteuert wird, das vorzugsweise
von einem nicht dargestellten Haupttaktgeber geliefert wird. Die Ausgänge dieser
2N Abtaster 3 sind mit einer "Multiplexierer" genannten flbertragungsschaltung 4
verbunden, die durch ein Taktsignal H1 gesteuert wird, und ihrerseits mit einem
Analog-Digital-Umsetzer 5 verbunden ist, der ein Taktsignal H2 empfängt. Infolge
des Vorhandenseins einer Demodulatoranordnung 1 am Eingang jedes der ;Kanäle wird
die Anfangsfilterung der Eingangssignale S1 bis Sn dadurch erleichtert, daß das
Frequenzmodulationsband 30 dieser Signale um die Frequenz Null umgesetzt wird, was
zur Folge hat, daß diese Signale in komplexe Signale umgewandelt werden, von denen
jedes aus einem "Realteil"X und einem "Imaginärteil"Y besteht. Jede Demodulatoranordnung
1 enthält zwei Modulatoren 101 und 102, die parallel angeordnet sind und das Eingangssignal,
beispielsweise das Signal S1 an einer ersten Eingangsklemme empfangen, während die
zweite Eingangsklemme jeweils ein Wechselspannungssignal empfängt, wobei diese Wechselspannungssignale
sin 0t und cos Xot gegenseitig um 900
phasenverschoben sind und
von einem nicht dargestellten Uberlagerungsoszillator stammen, dessen Frequenz fO=
UQ/2R gleich der Mittenfrequenz des Bands Bist. Wenn zwischen den Mittenfrequenzen
jedes der Eingangssignale S1 bis 9 eine Dopplerverschiebung besteht, können diese
Verschiebungen dadurch korrigiert werden, daß die Frequenz des dem betreffenden
Kanal zugeordneten Uberlagerungsoszillator entsprechend geändert wird, so daß unterschiedliche
Kreisfrequenzen J01 bis DOn erhalten werden. Die Realteile X1 bis Xn und die Imaginärteile
Y1 bis Yn der komplexen Signale werden anschließend durch die Tiefpaßfilter 2 mit
der Grenzfrequenz Bo/2 gefiltert, bevor sie durch die Abtaster 3 abgetastet werden,
die vorzugsweise vom sogenannten Typ simple and hold" sind, d.h. einen Analogspeicher
enthalten.
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In der Anordnung B verbinden die durch ein Taktsignal H3 gesteuerten
Schreibschaltungen 6 die Ausgänge X und Y des Analog-Digital-Umsetzers 5 dr Anordnung
A mit zwei entsprechenden Gruppen 7 von jeweils N Umlaufspeichern, die parallel
angeordnet sind, und deren Umlauftaift durch ein Taktsignal H4 festgelegt ist. Lese-
und Kanalwählschaltungen 8, die durch eine von einem Taktsignal H5 gesteuerte Adressieranordnung
9 gesteuert werden, übertragen die im Verhältnis K zeitkomprimierten komplexen Signale
zu der Anordnung C. Wenn die Steilheit der linearen Frequenzmodulation der Eingangssignale
durch einen Dopplereffekt geändert worden ist, kann diese Änderung dadurch ausgeglichen
werden, daß das Verhältnis K der Zeitkompression entsprechend geändert wird. Zu
diesem Zweck genügt es, die N Register in jeder Speichergruppe 7 mit Frequenzen
abzulesen, die sich voneinander um gewählte Werte unterscheiden.
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Nachdem mit den Eingangssignalen eine Zeitkompression in der Anordnung
B vorgenommen worden ist, erscheinen sie
in Form von Abschnitten
der Dauer T2/K, die nacheinander von den Schaltungen 8 ausgewählt werden, damit
sie zu der Anordnung C übertragen werden. Auf diese Weise erfolgt die Zeitmultiplexierung.
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In der Anordnung C sind zwei durch ein Taktsignal H6 gesteuerte Digital-Analog-Umsetzer
10 vorgesehen, denen.
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jeweils ein Tiefpaßfilter 11 mit der Grenzfrequenz K ç Bo/2 nachgeschaltet
ist; durch diese Anordnung wird ein Signal geformt, das in einem Verhältnis K zu
dem gewählten Eingangssignal homothetisch ist.
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Dieses Signal wird einer Anordnung zur Bildung von Einseitenbandsignalen
zugeführt, die aus zwei Modulatoren 12 be'teht, die außerdem eines von zwei um 900
phasenverschobenen Signalen sin Wjt und . cos1t von einem nicht dargestellten weiteren
Überlagerungsoszillator empfangen, dessen Frequenz gleich der Arbeitsfrequenz fl
der dispersiven Verzögerungsleitung D ist; diese Modulatoren sind mit einerSummierschaltung
13 verbunden.
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Dieses Einseitenbandsystem hat die Aufgabe, das komplexe Signal auf
die Arbeitsfrequenz der dispersiven Verzögerungsleitung D umzusetzen.
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Die dispersive Verzögerungsleitung, welche die Funktion der gegenseitigen
Korrelation von Signal und Kopie liefert, kann, wie in Fig.3 dargestellt ist, vorzugsweise
aus mehreren, beispielsweise vier Elementen 15 zusammengesetzt sein, deren jeweilige
Laufzeiten entsprechend den Werten einer gewünschten Bewertung verteilt sind; im
vorliegenden Fall besteht die Verzögerungsleitung aus einem Element der Dauer T1/2
zwei Elementen der Dauer T1/5 und einem Element der Dauer T1/10. Diese Elemente
sind mit einem Umschalter 14 verbunden.
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Je nach der Stellung des Umschalters kann man somit einen Wert aus
den zehn möglichen Kombinatinnen von Laufzeiten auswählen, damit das; Verarbeitungssystem
an Signale unterschiedlicher Dauer angepaßt werden kann.
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Es ist bekannt, die von einem angepaßten Filter gelieferte Funktion
der gegenseitigen Korrelation von Signal und Kopie durch Hüllkurvenitektorschaltungen
und automatische Pegelregelschaltungen zu behandeln. Bei der beschriebenen Anordnung
erfolgt diese Behandlung vorzugsweise durch eine einzige Anordnung 20, die am Ausgang
der dispersiven Verzögernngsleitung D angeordnet ist und somit im Zeitmultiplexverfahren
auf die N verarbeiteten Signale einwirkt. Diese Anordnung Eo enthält einen Eingangsverstärker
16 mit gesteuerter Verstärkung, dem ein Detektor 17 und ein Ausgangstiefpaßfilter
18 nachgeschaltet sind. Eine Gegenkopplungsschleife, die ein Giefpaßfilter 19 enthält,
verbindet den Ausgang der Anordnung Eo mit dem Verstärkungssteuereingang des Verstärkers
16.
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Natürlich kann man am ausgang der Verzögerungsleitung D auch'jede
andere Art der Signalbehandlung vornehmen.
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Fig.4 zeigt Schaltungen, die auf Grund des am Ausgang der Anordr.ang
20 eracheinenden Signals SO parallel N Signale SOl bis SOn abgeben, die jeweils
der Funktion der gegenseitigen Korrelation von Signal und Kopie für eines der N
Eingangssignale entsprechen. Diese Schaltungen bewirken die Trennung der Signale
und die Zeitdehnung, die für die Rückkehr zum wirklichen Zeitmaßstab erforderlich
ist. Diese Schaltungen enthalten eine Anordnung E1, die aus eine durch ein Signal
H7 im Takt 2,5 K.B0 gesteuerten Abtaster 20 und einem durch ein Signal H8 gesteuerten
Analog-Digital-Umsetzer 21 besteht. Die Signale H7 und H8
kommen
von einem nicht dargestellten Haupttaktgeber, der vorzugsweise den Schaltungen von
Fig.3 und 4 gemeinsam ist. Die Anordnung E1 führt die Abtastung und Quantisierung
des Signals SO durch, bevor dieses zu der Zeitdehnungsanordnung F übertragen wird.
Die Zeitdehnungsanordnung F besteht aus einer Gruppe 23 von N parallel angeordneten.
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Umlaufspeichern, deren Umlauftakt durch ein Taktsignal H10 bestimmt
ist,sowie aus den zugehörigen Schreibschaltungen 22 und Lese- und Kanalwählschaltungen
24, wobei die Schreibschaltungen 22 durch ein Taktsignal 9 gesteuert werden, während
die Lese- undKanalwählschaltungen 24 durch eine Adressierschaltung 25 gesteuert
werden, die ein Taktsignal H11 empfängt. Die Ausgangsanordnung G besteht aus einem
Digital-Analog-Umsetzer 26, der von einem Taktsignal H12 gesteuert wird. Der Ausgang
des Digital -Analog-Umsetzers 26 ist parallel mit N Schaltungen verbunden, von denen
jede aus einem speichernden Analogabtaster 27 und einem nachgeschalteten Tiefpaßfilter
29 mit der Grenzfrequenz 30 besteht.
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Jeder Abtaster 27 empfängt andrerseits von einer An -ordnung 28 Öffnungssteuersignale
mit der Frequenz 2,5 Bos die zyklisch gegeneinander versetzt sind.
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Wenn am Ausgang des Systems ein Signal SOO erhalten werden soll,ldas
einer zyklischen Abtastung der N im Zeitmultiplexverfahren behandelten Signale entspricht,
braucht nur der Ausgang des Digital-Analog-Umsetzers 26 mit einem Tiefpaßfilter
30 mit der Grenzfrequenz N B0 verbunden zu werden.
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Es sind somit Änderungen und Verbesserungen der den Gegenstand der
Hauptanmeldung bildenden Anordnungen beschrieben worden, welche diese Anordnungen
in die Lage versetzen, eine gleichzeitige Behandlung von mehreren Signalkanälen
vorzunehmen. Die Erfindung ist natürlich
nicht auf die dargestellten
und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.
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Insbesondere ist es möglich, die Überlagerungssignale mit der reinen
Frequenz sin w1t und cos t»1t für die Modulatoren 12 der Anordnung C von Fig.3 durch
um 900 phasenverschobene Signale zu ersetzen, die mit einer Steilheit linearfrequenzmoduliert
sind, die dem Dispersionsgesetz der Verzögerungsleitung entspricht, und zwar in
einemZyklus synchron mit dem Ablesen des Zeitkompressionsspeichers 7 der Anordnung
B, Man erhält dann am Ausgang der dispersiven Verzögerungsleitung D ein Signal,
das die Spektraldichte der Signale jedes Kanals nacheinander darstellt. Die Selektivität
der auf diese Weise durchgeführten Spektralanalyse beträgt 1 /wo, Eine auf diese
Weise abgeänderte Schaltung führt die angepaßte Filterung mit Vielfach-Dopplerkopien
der.Bpfangssignale bei einerSendung mit einer reinen Frequenz der Dauer T0 durch.
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Die beschriebenen Anordnungen eignen sich insbesondere für die angepaßte
Filterung der Signale, die von Panorama-Sonar-Geräten mit einer großen Anzahl von
vorgeformten Empfangskanälen stammen.
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Patentansprüche