DE2429744C3 - Schaltung zur Synthese von Signalen bestimmter, vorgegebener Bandbreite - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Synthese von Signalen bestimmter, vorgegebener Bandbreite, bestehend aus Einrichtungen zur Erzeugung von η kohärenten, sinusförmigen Signalen 51, 52 ... Sn, wobei /?>3, deren Frequenzen durch eine gegebene Beziehung verknüpft sind und Einrichtungen zur Einstellung der Phase aller dieser Signale vorgesehen sind.

Bekannte Schaltungen dieser Art erzeugen solche Signale ir. Form von zeitlich verteilten, einzelnen Schwingungsabschnitten oder Impulsen, die anschließend in geeigneter Weise gefiltert werden, was zur Verwendung von Schaltungen führt, die zur Übertragung von sehr breiten Frequenzspektren in der Lage sind.

Eine erste LöSÜP.^a besteht dsrin, einen kürzen Impuls n:)rh Ηργ Frfinrlijnty bildet

in eine Verzögerungsleitung mit Anzapfungen zu schicken, deren Gesamtverzögerung gleich der Dauer des gewünschten Signals ist und deren Bandbreite hinreichend groß sein muß, um ohne allzu große Verformung das Spektrum des Impulses zu übertragen, und wobei die Zahl der Anzapfungen gleich der Zahl der für die Erzielung des gewünschten Signals mit hinreichender Genauigkeit erforderlichen Zahl der Signalabschnitte oder Impulse ist Der Pegel jeder

ίο Anzapfung wird durch Bewertung auf eine bestimmte Amplitude kalibriert, und jedem Signalabschnitt oder Impuls wird ein passendes Signal zugeordnet Die Summierung der an jeder Anzapfung entnommenen Signale ergibt dann in Form eines Signalabschnittes das gewünschte Signal, das anschließend gefiltert wird.

Eine andere Lösung besteht darin, ausgehend von einer fortwährend erzeugten Welle hoher Frequenz und einer Anordnung digitaler Schaltungen einen Abschnitt einer Folge von Impulsen zu erzeugen. Die an den verschiedenen Ausgängen erzeugten Impulse werden dann amplitudenbewertet und mit einem passenden Vorzeichen versehen und addiert Wie im vorhergehenden Fall wird das gewünschte Signal nach geeigneter Filterung erhalten.

Die beiden vorher beschriebenen Lösungen führen zur selben Synthesegenauigkeit des Signals unter der Voraussetzung, daß die Zahl der Signalabschnitte hinreichend groß ist und daß diese Signalabschnitte beim Durchlaufen der Schaltungen keine zu große

jo Begrenzung der Bandbreite erfahren. Insbesondere bereiten diese Lösungen Schwierigkeiten praktischer Art, wenn es notwendig ist, Signale mit einem breiten Spektrum zu erzeugen. Die Bandbreiten für eine Verzögerungsleitung sind gegenwärtig durch die Technologie derselben und durch mangelnde Reproduzierbarkeit beschränkt. Digitale Schaltungen können sehr kurze Signalabschnitte erzeugen; um jedoch eine Spektraldichte des Ausgangssignals beispielsweise in der Größenordnung von einigen zehn Megahertz in der Videolage zu erzielen, muß von Signalen ausgegangen werden, deren Spektren bis zu einigen hundert Megahertz und darüber hinaus reichen. Die beschriebenen Lösungen sind daher mit wachsender Spektraldichte immer schwieriger realisierbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung zur Synthese von Signalen bestimmter, vorgegebener Bandbreite zu schaffen, die sich dadurch auszeichnet, daß trotz der Verwendung von nur wenigen Komponenten eine gute Annäherung an die gewünschte Form des Synthesesignals erreicht wird.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch eine Anordnung aus Vervielfacherschaltungen, die das zeitliche Produktsignal 51 · 52 ■ ... · 5 π dieser Signale bilden.

Erfindungsgemäß ergibt sich das Synthesesignal im wesentlichen als Produkt der einzelnen Komponenten, im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem üblicherweise eine bewertete Summe der Komponenten das Synthesesignal darstellt.

w) Die Produktbildung führt dazu, daß das Spektrum des zu erzeugenden Signals in einem im Vorhinein gewählten Frequenzband fortschreitend und im hinreichenden Umfang angereichert wird. Dieses Frequenzband entspricht demjenigen, den das Spektrum des

hi gewünschten Signals einnehmen soll. Es ergibt sich hieraus, daß lediglich die in diesem Band enthaltenen Frequenzen beteiligt sind, was den Vorteil der Schaltung

Die Schaltung nach der Erfindung eignet sich insbesondere zur Erzeugung eines ^Lf. -Signals, dessen

Spektraldichte in einem Rechteck gegebener Breite konstant ist In diesem Fall ist die die Frequenzen der Signale 51, S2 ... Sn verknüpfende Beziehung eine geometrische Reihe mit der Basis 2.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung umfaßt eine Schaltung zur Erzeugung eines angenäherten,

zeitlich begrenzten

-Signals Einrichtungen zur

Erzeugung von /!sinusförmigen, kohärenten Signalen Sl, 52 ... Sn, deren Frequenzen nach einer geometrischen Reihe mit der Basis 2 steigen, sowie Einrichtungen zur Regelung der Phase aller dieser Signale und eine Anordnung aus Vervielfacherschaltungen, die das zeitliche Produkt dieser Signale bildet, sowie Schaltungen zum Ausblenden des gewünschten Signals aus dem Produktsignal.

in der Zeichnung ist die Schaltung nach der Erfindung anhand beispielsweise gewählter Ausführungsformen und eines erläuternden Diagramms schematisch vereinfacht dargestellt. Es zeigen

F i g. 1 und 3 Ausführungsformen einer Schaltung nach der Erfindung und

Fig.2 vier Signale 51, 52, 53, 54 und das Produktsignal.

F i g. 1 zeigt im Blockschaltbild ein Ausführungsbeispiel einer Schaltung nach der Erfindung. Es handelt sich insbesondere um eine Schaltung zur Erzeugung eines

sin t _o. ,
Signals.

Die Schaltung umfaßt einen Oszillator 1, der als Grund- oder Pilotoszillator dient. Auf den Oszillator folgt eine Kette von Frequenzverdopplern mit den Bezugsziffern 2, 3, 4. Der Oszillator sowie die Verdoppler sind mit entsprechenden einstellbaren Phasenschiebern 5, 6, 7, 8 verbunden. Die Ausgangssignale der Phasenschieber werden anschließend miteinander multipliziert, und zwar mittels einer Multiplizierschaltung 9, die mit den Ausgängen der Phasenschieber 5 und 6 verbunden ist, gefolgt von einer Pufferschaltung 10, einer zweiten Multiplizierschaltung 11, die mit den Ausgängen der Schaltungen 10 und 7 verbunden ist, gefolgt von einer Pufferschaltung 12 und einer dritten Multiplizierschaltung 13, die mit den Ausgängen der Schaltungen 12 und 8 verbunden ist, ebenfalls gefolgt von einer Pufferschaltung 14. Auf diese Pufferschaltung 14 folgt eine Ausblendschaltung 15, die von dem Produktsignal lediglich dessen gewünschten oder Nutzanteil hindurchläßt und die eine Multiplizierschaltung oder einfach ein Schalter sein kann. Die Steuerung der Ausblendschaltung 15 geschieht mittels einer Steuerschaltung 16, die beispielsweise ein mit dem Oszillator 1 verbundener Frequenzteiler ist, dem Impulsformerschaltungen und Schaltungen zur Einstellung der richtigen Phasenlage nachgeordnet sind, so daß die Steuerschaltung einen Rechteckimpuls bestimmter Dauer θ liefert.

Die Frequenzvervielfacherschaltungen 2,3,4, die hier Frequenzverdoppler sind, sind beispielsweise Multiplizierschaltungen identisch den Multiplizierschaltungen 9, ti und 13. Die beiden Eingänge einer solchen Multiplizierschaltung sind dann miteinander verbunden. Sie liefert zwei Signale gleichzeitig, nämlich ein Signal mit der doppelten Frequenz des Eingangssignals und ein Gleichspannungssignal, das dadurch beseitigt wird, daß dem Ausgang der Multiplizierschaltung eine Kapazität nachgeschaltet wird. Obwohl beide Schaltungen den gleichen Aufbau besitzen, werden die Schaltungen 2, 3 und 4 weiterhin als Frequenzvervielfacher bzw. Verdoppler bezeichnet, während die Schaltungen 9,11 und 13 weiterhin als Multiplizierschaltungen bezeichnet werden um Verwirrungen zu vermeiden.

Die Pufferschaltungen 10, 12, 14 können Verstärker und/oder Filterschaltungen mit einer Verstärkung größer oder kleiner als eins sein, die dazu dienen, die

ίο beteiligten Impedanzen aneinander anzupassen, bestimmte Störsignale zu beseitigen und eine Einstellung der Pegel der Ausgangssignale der Multiplizierschaltungen zu ermöglichen.
Die Gesamtschaltung arbeitet wie folgt:

51 sei das Ausgangssignal des Oszillators 1 mit der Kreisfrequenz -^r und einer Amplitude gleich Eins.

Bekanntlich wird dieses sinusförmige Signal in der Frequenzebene durch zwei bei

und

"Ό

ΊΓ

"Ό

liegende Striche dargestellt 52 sei das Ausgangssignal des Verdopplers 2, also ein Signal mit der Kreisfrequenz

-'-"" . Das Produkt 51 ■ 5 2 erzeugt vier Linien, die bei

"Ό

8 ■' ⁺

3 "<

liegen. Die Verallgemeinerung dieses Vorganges durch j5 Fortführung der Produktbildung mit 53 der Kreisfrequenz -^, anschließend durch 54 der Kreisfrequenz >■>„

vervielfacht die Zahl der Linien in einem begrenzten Frequenzband, das zwischen — 2coo und +2ωο liegt.

Man hat folglich acht Linien in der positiven Frequenzebene und ebenso viele in der negativen Frequenzebene, die jedoch augenscheinlich real nicht vorhanden sind. Alle Linien haben dieselbe Energie.

Das Beispiel der F i g. 1 umfaßt lediglich einen Oszillator und drei Frequenzvervielfacher. Selbstverständlich könnte eine größere Zahl von Frequenzvervielfachern und ebenso von Frequenzteilern vorgesehen sein, um η Signale mit der Kreisfrequenz

"Ό. —,

zu erzeugen. Man hätte dann eine entsprechend größere Anzahl von Linien, die alle dieselbe Energie besitzen und zwischen -2ω₀ und + 2 ωο liegen. Wenn die Zahl π gegen unendlich geht, ist die Spektraldichte des Produktsignals folglich ein Rechteck mit der Seitenlänge 4 ωο, worin ωο die Kreisfrequenz des Signals mit der höchsten Frequenz ist, das von der Kette der Vervielfacher und/oder Teiler erzeugt wird, welche dem

μ Pilotoszillator zugeordnet sind. Dieser rechteckigen Spektraldichte entspricht exakt die Zeitfunktion

■>ul

Fig. 2 zeigt die vier sinusförmigen Funktionen 5 t, 52, 53 und 54 sowie die Produktfunktion 5. Dabei ist angenommen, daß die vier sinusförmigen Funktionen im

Zeitpunkt

ir. Koinzidenz ein Maximum mit Erzeugung des -Signals zu einem beliebigen

demselben Vorzeichen besitzen. Die Produktfunktion 5 besitzt folglich ebenfalls ein Maximum. Jedem Nulldurchgang der Funktionen Sl, 52, 53 und 54 entspricht ein Nulldurchgang der Funktion 5. Das Ausblenden des Signals 5 erfolgt zwischen den Schaltpunkten tnund t₀ + θ durch die Ausblendschaltung 15. Das Zeitintervall θ entspricht annähernd der positiven Halbwelle des Signals 51 mit der Kreisfrequenz -^-, woraus sich ergibt θ = ---.

Die vor dem Zeitpunkt to und nach dem Zeitpunkt to +θ erzeugten Teile des Signals 5 entsprechen nicht der Funktion ^Mn ' und werden daher beseitigt. Dies ist

die Aufgabe der Ausblendschaltung 15, die einerseits das Produktsignal und andererseits ein Rechtecksignal mit einer Amplitude gleich Eins und der Dauer θ erhält.

Allgemein gesprochen muß das Ausblenden oder Herausschneiden der Zeitdauer Θ derart erfolgen, daß das Maximum des Ausgangssignals in der Mitte dieser Ausblendung liegt und die Dauer der Ausblendung gleich der oder kleiner als die halbe Periodendauer des Signals mit der niedrigsten Frequenz ist Für eine Schaltung mit π Signalgeneratoren, deren Kreisfrequenzen gleich

sind, beträgt die Dauer der Ausblendung folglich:

Die Phasenschieber 5, 6, 7, 8 haben die Aufgabe, die Koinzidenz der Maxima der Signale 51, 52, 53, 54 im

Augenblick to+ ., herzustellen. Diese Koinzidenz

wiederholt sich zeit'ich mit derselben Periode wie sie das Signal der niedrigsten Frequenz besitzt.

Eine derartige Schaltung ist mit besonderem Vorteil in einem Radarsystem mit Impulskompression verwendbar. Bei einem solchen Radarsysteni ist die Erzeugung eines angenäherten und zeitlich begrenzten ^Sln ' -Signals ausreichend. Das ü." ' -Signal am Ausgang

der Ausblendschaltung 15 wird dem Modulator zugefügt, wo es eine Trägerwelle moduliert
Bei der Schaltung nach F i g. 1 ist die Periode der

Wiederkehr des ~ⁿ— -Signals fest vorgegeben. Eine

große Zahl von Radargeräten mit Impulskompression soll nun aber mit einer veränderlichen Wiederholungsfrequenz arbeiten können. Die Wiederholfrequenz kann insbesondere gewobbelt sein. Die Synthese des

-—' -Signals durch die vorstehend beschriebene Schal tung ermöglicht diese Betriebsart nicht Die Synthese wird erzielt durch aufeinanderfolgende Produkte kohärenter, von einem Pilotoszillator abgegebener Wellen, und die Wiederholfrequenz steht folglich zwangsläufig in einem ganzzahligen Verhältnis zu der Pilotfrequenz. Diese Synthese ist sehr gut angepaßt an vollständig kohärente Radarsysteme, eignet sich jedoch nicht für eine Wobbelung der Wiederholfrequenz.

Auch bei anderen Anwendungen der Schaltung nach der Erfindung kann zwingend erforderlich sein, daß die Zeitpunkt erfolgen kann.
Um sich nun von dieser Beschränkung freizumachen

und die Erzeugung des ^sln ' -Signals aperiodisch zu

machen, wird ein gesteuerter Oszillator verwendet. Das Blockschaltbild einer solchen Schaltung mit einem derartigen Oszillator ist in Fig. 3 dargestellt. Die

ίο Schaltung umfaßt einen gesteuerten Oszillator 10, gefolgt von einer Kette von Frequenzvervielfachern 2, 20, 30, 40. Die von dieser Kette erzeugten Signale werden in geeigneter Weise in den Phasenschiebern 50, 60, 70 und 80 phasenverschoben und anschließend wie

r> im Fail der Fig. i mittels Muitiplizierschaitungen 90, 110 und 130, denen Pufferschaltungen 100, 120 und 140 zugeordnet sind, multipliziert Die Einrichtungen zum Ausblenden des Produktsignals bestehen weiterhin aus einem Schalter oder einer Multiplizierschaltung 150 und deren Steuerschaltung 160.

Der Oszillator 10 wird ausreichend früh und während einer hinreichend langen Zeit zum Schwingen gebracht, um die Gewinnung des gewünschten Signals und seine Ausblendung zu gestatten. Zu diesem Zweck liefert eine

2") Synchronisationsschaltung 170 Steuerimpulse an den Oszillator 10 und an die Steuerschaltung 160 für die Ausblendschaltung. Diese Synchronisationsschaltung soll im Fall der Verwendung in einem Radarsystem diesem und der Schaltung nach der Erfindung gemeinsam sein. Die Steuerimpulse haben eine Wiederholperiode gleich derjenigen der gesendeten Impulse, und diese Periode kann folglich gewobbelt sein.

Die Phasenschieber 50 bis 80 sind derart eingestellt,

daß das Maximum der - -Funktion genau in der Mitte

des Ausblendzeitintervalls θ liegt. Selbstverständlich sind diese Einstellungen, ausgehend von der genauen Kenntnis der Phase der Signale der verschiedenen Multiplizierschaltungen und des Oszillators, zu Beginn 4i ι dessen Anlaufens vorgenommen. Die Steuerschaltung 160 für die Ausblendschaltung 150 liefert daher ein Rechtecksignal der Dauer Θ, dessen Beginn in bezug auf den Augenblick der Auslösung des Oszillators 10 verzögert ist. Die Schaltung 160 kann aus einer Verzögerungseinrichtung in Verbindung mit einer Schaltung zur Erzeugung eines Rechteckimpulses der Dauer θ bestehen.

Nach der bisherigen Beschreibung werden die Signale 51,52, S 3 und 5 4 mit der Frequenz

ausgehend von einem Oszillator der Frequenz Jo, gefolgt von Frequenzverdopplern erhalten. Diese Anordnung stellt jedoch lediglich ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dar. Die Schaltungen nach den F i g. 1 und 3 können ebenso gut einen Oszillator der Frequenz /o, gefolgt von einer Kette von Frequenzteilern mit dem Teilerfaktor 2 enthalten, oder auch einen Oszillator, der einerseits mit einer Kette von Frequenzvervielfachern und andererseits mit einer Kette von Frequenzteilern verbunden ist, vorausgesetzt daß die Gesamtanordnung eine Folge sinusförmiger Signale liefert, deren Frequenzen einer geometrischen Reihe, die auf der Zahl 2 aufbaut, folgea Mit der Schaltung nach der Erfindung können auch

andere als —^--Signale erzeugt werden. Dann hängen

die Einrichtungen zur Erzeugung der r. Signale Sl, 52 ...Sn von dem Gesetz ab, durch das die Frequenzen dieser Signale miteinander verknüpft sind. Ketten aus Frequenzteilern und Frequenzvervielfachern sowie Frequenzumsetzern können ebenso gut Verwendung finden wie aufwendigere Einrichtungen wie etwa Frequenzsynthesiser. Darüber hinaus kann die Einstellung der Phase vor der Multiplikation fest oder zeitabhängig veränderlich sein. Schließlich ist es durch Hinzufügung von Hochpaß-, Bandpaß- oder Tiefpaßfiltern am Ausgang der Multiplizierschaltungen und die Hinzunahme von Bewertungs- oder Gewichtungsschaltungen möglich, ein begrenztes Spektrum zu erzielen, in welchem die Linien eine nicht gleichförmige Amplitude besitzen und demzufolge die Energieverteilung nicht konstant ist, sondern einem bestimmten Gesetzt folgt. Die Schaltung kann daher eine Vielzahl von Signalen ausgehend von einer wenig aufwendigen Anordnung erzeugen.

Die beschriebene Schaltung besitzt den Vorteil, mit relativ einfachen Mitteln realisiert werden zu können und eine beliebige Manipulation der in einem relativ begrenzten Band enthaltenen Frequenzen zu ermöglichen. Die Frequenzen sind niemals höher als diejenige, die man zu erzielen wünscht. Die einzig verbleibenden Beschränkungen sind durch die Technologie der Multiplizierschaltungen bedingt, die jedoch zufolge der Entwicklung der integrierten Schaltungen ständig verbessert werden. Jedenfalls ermöglichen die Eigenschaften der integrierten Schaltungen bereits jetzt bessere Leistungen auf dem vorliegenden Gebiet zu erzielen, als sie mit Schaltungen nach dem Stand der Technik erreichbar waren. Beim Einsatz der Schaltung in Verbindung mit Radarsystemen mit Impulskompression bedeutet dies ein größeres Auflösungsvermögen derselben. Die Schaltung eignet sich aber auch aufgrund ihrer Vielseitigkeit für die Erzeugung komplexer Signale im Labor.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Schaltung zur Synthese von Signalen bestimmter, vorgegebener Bandbreite, bestehend aus Einrichtungen zur Erzeugung von η kohärenten, sinusförmigen Signalen 51,52... Sn, wobei u>3, deren Frequenzen durch eine gegebene Beziehung verknüpft sind und Einrichtungen zur Einstellung der Phase aller dieser Signale, gekennzeichnet durch eine Anordnung aus Multiplizierschaltungen, die das zeitliche Produktsignal 51 · 52 ·... · 5 η dieser Signale bilden.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gegebene Beziehung eine geometrische Reihe mit der Basis 2 ist und daß Schaltungen zum Ausbienden von dem ^- -Signal angenäherten, zeitlich begrenzten Signalen aus dem Produktsignal 51 · 52 · ... · 5 π vorgesehen sind.

3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausblendschaltung eine Multiplizierschaltung (15; 150) umfaßt, die über einen ersten Eingang das Produktsignal 51 -52·. ..Sn und über einen zweiten Eingang ein von einem Rechtecksignalgenerator (16; 160) abgegebenes Signal erhält.

4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechtecksignalgenerator (16; 160) Einrichtungen zur Herstellung einer Koinzidenz zwischen dem erzeugten Rechtecksignal und einer Halbwelle des sinusförmigen Signals mit der niedrigsten Frequenz enthält.

5. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Pilotoszillator (10) für die Erzeugung der kohärenten Schwingungen ein schwingungsgesteuerter Oszillator ist, der durch einen Steuerimpuls gegebener Länge steuerbar ist.

6. Schaltung nach Anspruch 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechtecksignalgenerator (16; 160) in Serienschaltung eine Verzögerungseinrichtung, die den Steuerimpuls des Pilotoszillators erhält und eine Impulserzeugerschaltung enthält.

7. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den Multiplizierschaltungen Filter nachgeschaltet sind.

8. Verwendung der Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in einem Radarsystem mit Impulskompression.