DE2356955C3

DE2356955C3 - Frequenzdiskriminator mit digitalen, nicht rekursiven Filtern

Info

Publication number: DE2356955C3
Application number: DE2356955A
Authority: DE
Inventors: Gardner Dulany Raleigh N.C. Jones jun.
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1972-11-17
Filing date: 1973-11-15
Publication date: 1981-11-26
Also published as: CA992161A; GB1409681A; DE2356955A1; DE2356955B2; JPS4983360A; IT998646B; FR2207390A1; JPS558859B2; FR2207390B1; US3803501A

Description

arbeitet, wobei Ε(ω) und F(m) die Ausgangs- und Eingangs-Frequenzfunktionen sind, Teine Nullstelle der Kennlinie und auch die Verzögerungszeit des

10 Diskriminator ist und für die Frequenzen w gilt; on <ω<ω₂ und der einen Analog/Djgital-Umsetzer zur Abtastung aufeinanderfolgender Werte der zugeführten Frequenzen und zur digitalen Codierung der Abtastproben in Form des Zweier-Komplements enthält, gekennzeichnet durch ein nicht-rekursives transversales Digitalfilter (23, 29) mit der Verzögerungszeit Tund den Gewicbtskoeffizienten a\, az und 33, dem die codierten Abtastproben zugeführt werden und das ein erstes (23) und ein zweites Filter (29) enthält, deren Kennlinien beschrieben werden durch die Gleichungen:

Ε\{ω)
=

= le

JlLL -j ω Τ 2

M 2 "2

sowie eine Anordnung (28, 31, 37, 39, 49) zur Kombination der Filterausgangssignale in der Weise, daß gilt:

EM ₌ El {ω) _ Ε1{ω)
FM FM

K cos

ωΤ

2. Diskriminator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

a) ein zum nicht-rekursiven transversalen Digitalfilter gehörendes Schieberegister (23, 29; Fig.5) mit der Verzögerungszeit T, dem die vom Analog/Digital-Um^tzer gelieferten aufeinanderfolgenden, in Form des Zweier-Komplementes der zugeführten -Frequenz vorliegenden Abtastproben zugeleitet werden,

b) ein erstes Addierwerk (31) zur Bildung eines Signals

f(t- 772) + f(t+ T/2)

aus den Eingangs- und Ausgangssignalen des Schieberegisters,

c) ein Verzögerungselement (28) zur Bildung einc-s Signals 2 f(t) aus dem Ausgangssignal derjenigen Schieberegisterstufe, die — Verzögerungseinheiten vom Eingang des Schieberegisters entfernt ist,

d) ein zweites Addierwerk (37) zur Addition der Ausgangssignale des ersten Addierwerks und des Verzögerungselementes, um ein Signal

+f(t- 772} + 2 fft) + f(t+ 772)

zu erhalten,

e) ein erstes Subtrahierwerk (39) zur Bildung der Differenz der Ausgangssignale des ersten Addierwerks und des Verzögerungselementes, um ein Signal

-f(t- 772) + 2f(t)- f(t+ .772)

zu erhalten und

f) ein zweites Subtrahierwerk (45) zur Bildung der Differenz aus den Ausgangssignalen des zweiten Addierwerks und des ersten Subtrahierwerkes, um die gewünschte Diskriminator-Kennli- nie K cos-^r-zu erhalten.

Die Erfindung bezieht sich auf Frequenzdiskriminatoren und insbesondere auf Frequenzdiskriminatoren für Codierung durch Frequenzumtastung, die aus digitalen Filtern gebildet werden und für Zeitmultiplexbetrieb geeignet sind.

Wie in dem Buch von Bennett und Davey »Data Transmission«, McGraw Hill Book Co, 1965, auf den Seiten 170—174 ausgeführt ist, gibt es zwei Arten von Frequenzdetektoren. Zu der ersten Art gehören diejenigen, die die Nulldurchgänge auswerten oder die Schwingungen zählen und eine Basisbandkomponente direkt von der Geschwindigkeit der Nulldurchgänge ableiten. Bei der anderen Art wird ein amplitudenbegrenztes Signal durch ein frequenzselektives Netzwerk geleitet Das Netzwerk führt eine Amplitudenänderung ein, die proportional zur Frequenz ist Der ideale Detektor würde realisiert durch einen vollkommenen Diskriminator, auf den ein Tiefpaßfilter folgt

Aus der OS 20 60375 ist ein Empfänger für frequenzumgetastete Signale bekannt, bei dem ankommende Analogsignale verarbeitet werden, indem eine digitale Filtertechnik verwendet wird.

A. B. Karlson stellt auf den Seiten 386 bis 390 seines Buches »Communication System«, McGraw Hill Book Co, 1968, fest, daß ein durch Frequenzumtastung codierter Kurvenverlauf aus Signalen konstanter Amplitude besteht die verschiedene Frequenzen aufweisen, wobei eine Frequenz für jedes mögliche Nachrichtensymbol vorhanden ist Aus seiner Sicht kann eine Codierung durch Frequenzumtastung betrachtet werden als zwei (oder mehr) ineinander verschachtelte Ein-Aus-Signale verschiedener Träger-

frequenzen. In dieser Beziehung kann eine Codierung durch Frequenzumtastung festgestellt werden durch Benutzen eines synchronen oder Hüllkurvendetektors für jede interessierende Frequenz, Es wird angenommen, daß zu jedem Zeitpunkt der Detektor mit dem größten Ausgangssignal die übertragene Frequenz anzeigt Tatsächlich benutzen die üblichen nichtkohärenten Detektorsysteme für Codierung durch Frequenzumtastung ein Paar von Bandpaßfiltern und Hüllkurvendetektoren, deren Ausgangssignale gleichgerichtet und ι ο einer Subtrahierschaltung zugeführt werden. Der Aufbau eines solchen Systems, das einen Diskriminator für digitale Codierung durch Frequenzumtastung benutzt, ist von C. Alan Buzzard in den IEEE Transactions on Communications Technology, VoIume 18, No. 5, October, 1970, auf den Seiten 619—624, beschrieben.

Buzzard zeigt auf der Seite 621 ein detailliertes Blockschaltbild eines Diskriminators für eine Codierung durch Frequenzumtastung, der ein rekursives digitales Filter enthält. Er stellt auch bei der Beschreibung des Schaltungsentwurfs auf der Seite 622 fesx daß zum Aufbau des Systems digitale integrierte Schaltungen in Transistor-Transistor-Logik verwendet wurden. Außerdem bemerkt er, daß die Addierer, Subtrahierer und als Schieberegister ausgeführten Verzögerungsschaltungen übliche digitale Schaltungen sind. Nebenbei bemerkt er, daß die Koeffizienten-Multiplizierschaltungen, die für sein Ausführungsbeispiel erforderlich sind, nicht so einfach aufgebaut sind und eine nachfolgende, ins Einzelne gehende Diskussion erfordern.

An dieser Stelle seien einige Fachausdrücke definien. Der Ausdruck »rekursiv« bedeutet, daß die Berechnung des Ausgangssignals eines Filters eine explizite Funktion vorhergehender Ausgangs- und Eingangssignale ist Im Gegensatz dazu besagt der Ausdruck »nicht-rekursiv«, daß das Ausgangssignal eines Filters eine explizite Funktion nur von vorhergehenden Eingangssignalen ist

Berücksichtigt man dies, so ist offensichtlich, daß der derzeitige Aufbau eines Rekursivfilters außer der zugegebenen Kompliziertheit der Koeffizienten-Multiplizierschaltungen noch die durch viele Rückkopplungspfade bedingte Kompliziertheit und Instabilität aufweist

Buzzard erkannte, daß es verschiedene Gründe dafür gibt aufeinanderfolgende Proben der Größe der zugeführten Eingangsfrequenzen durch Codieren in Form des Zweierkomplementes darzustellen. Erstens ergibt wenn das Vorzeichen als Zahlenbit behandelt werden soll, eine Addition oder Subtraktion automa tisch das richtige Vorzeiehenbit Zweitens kann, wenn drei Zahlen zu addieren waren, indem zuerst zwei von ihnen addiert wurden und dann die dritte zur Summe der ersten beiden addiert wurde, das richtige Ergebnis erhalten werden, auch wenn bei der Zwischensumme Oberträge auftraten. In der Tat nutzt man diese Eigenschaften in den Koeffizienten-Multiplizierschaltungen aus. Im wesentlichen erfordert die Verwendung von Rekursivfiltem eine ziemlich genaue Darstellung der Filterkoeffizienten, wenn ein hoher Wert Q und stabile Mittenfrequenzen erreicht werden sollen. Buzzard benutzt acht und zehn Bits für die Koeffizienten und andere Forscher haben für einen allgemein verwendbaren Diskriminator für Codierung durch Frequenzumtastung 16 Bits vorgeschlagen. Die Forderung nach großer Länge des Koeffizienten-Wortes führt zu komplizierten Multiplizierschaltungen und großen Laufzeitwerten bei der Multiplikation. Dies ist ein Faktor, der die Anzahl der Signalquellen für Codierung durch Frequenzumtastung begrenzt denen auf Zeitmultiplexbasis ein Diskriminator gemeinsam ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Frequenzdiskrimirator anzugeben, der kein rekursives Filter enthält mit Hilfe digitaler Schaltungen aufgebaut werden kann und nur Koeffizienten-Multiplizierschaltungen erfordert, die mit dem Faktor 2 multiplizieren, was bei Anwendung binärer Arithmetik eine Linksverschiebung bedeutet

Diese Aufgabe wird mit einem Frequenzdiskriminator für sinusförmige Schwingungen gelöst der im linearen Teil der Kennlinie

F (ω) ωΤ 2

arbeitet wobei Ε(ω) und F(oi) die Ausgangs- und Eingangs-Frequenzfunktionen sind, Teine Nullstelle der Kennlinie und auch die Verzögerungszeit des Diskriminators ist und für die Frequenzen ω gilt: ωι < ω < <»2 und der einen Analog/Digital-Umsetzer zur Abtastung aufeinanderfolgender Werte der zugeführten Frequenzen und zur digitalen Codierung der Abtastproben in Form des Zweier-Komplements enthält und gekennzeichnet ist durch ein nicht-rekursives transversales Digitalfilter mit der Verzögerungszeit T und den Gewichtskoeffizienten at, a₂ und aj, dem die codierten Abtastproben zugeführt werden und das ein erstes und ein zweites Filter enthält deren Kennlinien beschrieben werden durch die Gleichungen:

£l((w) F(<a)

jo)T , 2

-jwT . jwT - , . -jmT 2 2

J-

Ie^ ₊JIr sowie eine Anordnung zur Kombination der Filterausgangssignale in der Vireise, daß gilt:

Ε(ω) ₌ £!(«) _ El (ω) F(u>) F(o>)

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Verbindu.y mit den Zeichnungen beschrieben, von denen zeigt

F i g. 1 einen Gegentakt-Diskriminator zur Codierung durch Frequenzumtastung nach dem Stand der Technik und seine zugehörige Kennlinie,

F i g. 2A und 2B die strukturelle und mathematische Analyse des Aufbaus des Transversalfilters gemäß der Erfindung,

Fig.3 ein Blockschaltbild des Diskriminators nach der Erfindung, der jedoch ein nicht-rekursives Filter mit ganzen Koeffizienten verwendet, die aus der Analyse nach F i g. 2 abgeleitet wurden,

Fig.4 und 5 das allgemeine und das detaillierte Ausfuhrungsbeispiel des Filters nach der Erfindung.

In F i g. 1 ist der grundlegende Frequenzdiskriminator für binäre Modulation nach dem Stand der Technik dargestellt. Die sich ändernde Eingangsfrequenz wird dem Eingang 1 zugeführt und gleichzeitig zwei Resonatoren 5 und 12, die auf die Frequenzen wi und ωι abgestimmt sind. Wenn die gewünschte Frequenz vorhanden ist, dann erfolgt eine Anzeige genügender Größe, die dem Gleichrichterelement 7 bzw. 13 zugeleitet wird. Ein Differenzsignal, das durch die Subtrahierschaltung 9 gebildet wird, liefert ein positives Ausgangssignal, wenn die Frequenz ωι festgestellt wurde und ein negatives Ausgangssignal, wenn die Frequenz ojj festgestellt wurde.

Bevor die in den Fig.4 und 5 dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert werden, sei auf die F i g. 2A und 2B Bezug genommen, in denen eine Analyse eines einfachen Transversalfilters und seiner Beziehung zu einer gewünschten kosinusförmigen Kennlinie dargelegt ist. In Fig. 2A ist ein typisches, aus zwei Abschnitten bestehendes Filter dargestellt, das die Gewichtskoeffizienten au ai und aj aufweist, die am Eingang, in der Mitte und am Ausgang des Verzögerungselementes erscheinen. Um die Analyse zu vereinfachen, befindet sich der Punkt, der dem Zeitpunkt f = 0 entspricht, zwischen den beiden Verzögerungselementen.

In Fig. 2B ist der Frequenzgang der Filterelemente graphisch dargestellt. Das erste Filter, bei dem die Gewichtskoeffizienten au ai und 33 die Werte 1,2 und I besitzen, weist eine kosinusförmige Kennlinie auf, während das andere Filter, dessen Koeffizienten die Werte —1, 2 und —1 besitzen, eine Kennlinie mit umgekehrtem Verlauf aufweist. Anstelle einer Darstellung durch Polarkoordinaten wird als andere Darstellungsart die durch Kosinusfunktionen verwendet.

Aus F i g. 3 ist ersichtlich, daß man die Elemente des Transversalfilters in ihren jeweiligen Positionen in der in Fig. 1 dargestellten klassischen Anordnung vertauschen kann. Ebenfalls ist die Übertragungsfunktion für die betreffenden Filterkennlinien sowohl graphisch als auch algebraisch in Kosinus-Schreibweise dargestellt.

In Fi g. 4 ist ein Blockschaltbild des Ausführungsbeispieles angegeben. Es wird angenommen, daß der Diskriminator auf durch Frequenzumtastung erzeugte Codierungssignale anspricht, wobei n=l und /"_r= 1700 Hz ist. Jeder Kurvenveriauf wird mit einer Frequenz fs=8/D abgetastet, wobei D die Verzögerung pro Stufe darstellt. In Fig.4 tastet der Analog/Digital-Umsetzer 2 die aufeinanderfolgenden Signalgrößen ab, die dem Eingang 1 zugeführt werden und codiert sie in das Zweierkomplement. Die Prinzipien für den Entwurf solcher Abtast- und Codier-Umsetzsysteme sind beispielsweise in dem Buch von Montgomery Phister, »Logical Design of Digital Computers«. John Wiley &S«»is. New York, 1958, auf den Seiten 229-234, 399—401 und 279 — 281, angegeben. Durch Zuführen aufeinanderfolgender Abtastproben, die als Zweierkomplement codiert sind, wird die serielle Multiplikation vereinfacht.

Das Ausgangssignal des A/D-Umsetzers liegt in öler Form eines als Zweierkomplement codierten Wortes aus acht Bits vor, das das folgende Format besitzt:

Bitstelle 8 7654321 0

Daten HSB ------ NSB RÜCKSETZEN

Den durch die Schieberegister 23 und 29 gebildeten

ι1 j: r

ebenfalls benutzt. Vorzugsweise kann jedes Kombina-

g₆ g

Stellencodierung des Datenwortes zugeführt. Vor dem Empfangen des nächsten Datenwortes werden alle einzelnen Registerstufen durch ein zwischen zwei aufeinanderfolgenden Wörtern erscheinendes Rücksetzsignal in den gleichen Zustand versetzt. Bei der Betrachtung des Datenflusses in Fig.4 erkennt man, daß die Gewichtskoeffizienten, die a\, a2 und aj entsprechen, auf den Leitungen 21,35 und 70 vorliegen. Im Addierwerk jI werden die Signale f(t—T/2) und f(t+ 772) kombiniert, während das Signal f(t) mit dem Faktor 2 multipliziert wird durch eine Linksverschiebung um 1 Bit in der Schaltung 28. Die Ausgangssignale des Addierwerkes 31 und der Schaltung 28 werden gleichzeitig einem Addierwerk 37 und einem Subtrahierwerk 39 zugeführt. Deren Ausgangssignale werden wiederum gleichzeitig einer Schaltung 45 zugeführt die ein Ausgangssignal auf der Leitung 47 erzeugt, das die Differenz der Signale auf den Leitungen 41 und 43 darstellt Dieses Signal wird wiederum einem Filter 49 zugeführt

In Fig.5 ist ein detaillierteres Blockschaltbild der Anordnung nach F i g. 4 dargestellt Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die Verzögerungselemente 23 und 29 durch 32 Bitsteüen umfassende Register dargestellt Fünf vollständige seriell arbeitende Kombinationsnetzwerke, wie Addierwerke oder Subtrahierwerke, werden werden, das die Fähigkeit hat, den Übertragswert zu Beginn jedes Datenwortes während des Rücksetzteiles

4i voreinzustellen. Es wird vorausgesetzt, daß die Bits des Datenwortes seriell über die Leitung 21 gleichzeitig dem Addierwerk 31 und dem Eingang des Registers 32 zugeführt werden. Das Ausgangssignal des Registers wird wiederum seriell in das Register 32 und die

V) Schaltung 28 zur Linksverschiebung verschoben. Wie vorher erwähnt wurde, muß das Signal f(t) mn dem Faktor 2 multipliziert werden. Dies wird erreicht durch eine serielle Linksverschiebung um eine Bitstelle. Da jedes Datenwort von Stufe zu Stufe übertragen wird, beginnend mit dem wertniedrigsten Bit, kann eine Linksverschiebung erreicht werden durch Einfügen einer Null in die wertniedrigste Bitstelle und Übertragen des Inhaltes der nächsten sieben Bitstellen. Dies kann realisiert werden durch ein Verzögemngselement das um eine Bitzeit verzögert dem die Null zugeführt wird und das schematisch als Element 28 dargestellt ist Das verschobene Ausgangssignal wird den Kombinationsnetzwerken 37 und 39 über die Leitungen 35a und 356 zugeführt Das Kombinationsnetzwerk 37 ist ein

b5 Serienaddierwerk, während das Kombinationsnetzwerk 39 eine Seriensubtraktion durchführen muß. Dies wird zum Teil dadurch sichergestellt daß der Ubertragsausgang 36 auf 1 zurückgesetzt wird und ein Inverter 30 in

der Leitung 33 eingefügt wird. Der innere Aufbau dieser Netzwerke ist auf den Seiten 81 — 135 des klassischen Werkes von R. K. Richards »Arithmetic Operations in Digital Computers«, D. VanNostrand Co., New York. 1955, sowie auf den Seiten 280—294 seines jüngeren ^r> Buches »Digital Design«, Wiley-Interscience, New York (971, beschrieben.

Das *iusgangssignal des Serienaddierwerkes 31 wird, beginnend mit dem wertniedrigsten Bit, über die Leitung 33 gleichzeitig dem Addierwerk 37 und dem ι» Subtrahierwerk 39 zugeführt. Das Addierwerk 37 addiert wiederum seriell dieses Eingangssignal zum Ausgangssignal der Schaltung 28 zur Linksverschiebung, das ihm über die Leitung 35a zugeführt wird. In ähnlicher Weise wird das Ausgangssignal der Schaltung ι > 28 zur Linksverschiebung von dem Ausgangssignal des Addierwerks 31 in dem Subtrahierwerk 39 subtrahiert. Die Ergebnisse dieser Operationen werden den Leitungen 4i und 43 zugeiühn. Die Schaltung 45 erzeugt ein Signal auf der Leitung 47, das der Differenz Ji> der absoluten Größen der Signale proportional ist, die ihr über die Leitungen 41 und 43 zugeführt werden.

Für die Zwecke der weiteren seriellen Verarbeitung liegt die Vorzeicheninformation erst acht Bitzeiten später vor, so daß es erwünscht ist, zuerst die :ί numerische Information in den Registern 38 und 50 zu speichern. Die Schaltung 45 besteht aus zwei Addierwerken 46 und 54. Durch Setzen der Übertragsstufe 53 wird das Addierwerk 54 in ein Subtrahierwerk umgewandelt.

Die Verarbeitungsregeln für das Subtrahierwerk 45 erfordern, daß, wenn das Vorzeichen der im Register 38 gespeicherten Zahlen negativ ist, die Seibsthalteschaltung 40 betätigt wird, um den Inverter 42 wirksam zu machen, der das Eins-Komplement des aus acht Bits bestehenden Inhaltes des Registers 38 liefert, wenn dieser Inhalt in das Addierwerk 46 geschoben wird. Zur gleichen Zeit wird die Übertragsstufe 44 in den Eins-Zustand gesetzt. Wenn das Vonieichen der Zahl positiv ist, dann wird der Inverter 42 nicht betätigt und die Übertragsstufe 44 wird in den Nullzustand gesetzt.

Wenn das Vorzeichen der im Register 50 gespeicherten Zahl positiv ist, dann wird der Inverter 48 über die Selbsthalteschaltung 52 betätigt. Zur gleichen Zeit wird die Übertragsstufe 53 des Addierwerkes 54 in den Einzustand gesetzt. Die Betätigung des Inverters 48

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50 gespeicherten Bits zu bilden, wenn sie der Reihe nach aus dem Register herausgeschoben und dem Addierwerk 46 zugeführt werden. Wenn schließlich das Vorzeichen der Zahl negativ ist, dann wird der Inverter 48 nicht betätigt und die Übertragsstufe 53 in den Nullzustand gesetzt.

Diese Verarbeitungsregeln sorgen dafür, daß die notwendigen Signalanzeigen über die Leitung 47 dem Filter 49 zugeführt werden.

Hierzu fr Blntt Zeichnimeen

Claims

Patentansprüche:

1, Frequen?d}skriminator für sinusförmige Schwingungen, der im linearen Teil der Kennlinie

EM FM

K cos

ωΤ 2