DE2554798A1 - Bandkompressionseinrichtung - Google Patents

Description

173, Boulevard Haussmann

75008 Paris /Frankreich

Unser zeichen ; T 1902

Bandkompressionseinrichtung

Die Erfindung betrifft Bandkompressionseinrichtungen und insbesondere diejenigen, die in aktiven Erfassungssystemen, wie etwa Radaroder Lidaranlagen, verwendbar sind.

Es ist nämlich bekannt, daß es zum Unterscheiden eines Zieles mit geringer effektiver Oberfläche, wie beispielsweise eines Periskops oder eines U-Boot-Schnorchels, von seiner Störechos reflektierenden
Umgebung erforderlich ist, die Auflösung des Erfassungssystems zu vergrößern. Die Auflösung wird insbesondere vergrößert, indem die Dauer der Impulse verringert wird. Diese Methode verbessert das
Verhältnis zwischen der Amplitude des Nutzsignals und der der von der Umgebung hervorgerufenen Störechos. Sie bringt außerdem

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eine bessere Entfernungsortungsgenauigkeit mit sich. Dagegen ist aber die Bandbreite der von dem Empfänger gelieferten Videosignale größer. Im allgemeinen werden bei diesen Anwendungsfällen keine Anforderungen an die Genauigkeit gestellt. Ebenso ist die Wahrscheinlichkeit, daß zwei in dem Antennenstrahl vorhandene Ziele sehr nahe beieinanderliegen, praktisch Null. Es wird lediglich ein Kontrast zwischen den Zielechos und den Umgebungsstörechos verlangt.

Um diesen Kontrast voll auszunutzen, müßten die Auswertungseinrichtungen, die sich an den Empfänger anschließen, eine Bandbreite haben, die zumindest gleich der Spektralbreite der Videosignale ist. Das ist im allgemeinen unmöglich, wenn die Auswertungseinrichtung eine herkömmliche Katodenstrahlanzeige— röhre oder irgendeine andere Einrichtung enthält, die durch eine Bedienungsperson auszuwerten ist. Die Bandbreite dieser Einrichtung ist gering und es ist erforderlich, eine Bandkompressionsschaltung zwischen den Empfänger und die Auswertungseinrichtung einzufügen, um die Kontrastverluste zu verringern, die sich durch eine Fehlanpassung ergeben wurden.

Ein Ziel der Erfindung ist somit die Schaffung einer solchen Bandkompressionseinrichtung. Da die Nutzsignale im allgemeinen kurze Impulse sind, drückt sich die Kompression durch eine Verlängerung der Dauer der Impulse aus.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer vor allem digitalen Bandkompressionseinrichtung, welche eine große Gebrauchsanpassungsfähigkeit aufweist und insbesondere einen veränderlichen

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Kompressionsfaktor liefern kann.

Gemäß der Erfindung ist eine Bandkompressionseinrichtung mit einer Eingangsklemme für den Empfang der eine Spektralbreite B aufweisenden Signale und mit Codiereinrichtungen, welche die Eingangssignale empfangen und an N Ausgängen digitale Signale Hefern, welche in jedem Zeitpunkt dem Amplitudenwert des Eingangssignals in bezug auf N vorbestimmte Quantisierungsstufen entsprechen, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Ausgänge der Codiereinrichtungen mit einem Eingang (S) einer bistabilen RS- oder JK-Kippschaltung verbunden ist, von welcher ein Ausgang mit dem Eingang (D) einer bistabilen D-Kippschaltung verbunden ist, daß ein Taktgeber mit dem anderen Eingang jeder Kippschaltung verbunden ist und mit einer Taktfrequenz arbeitet, die kleiner ist als die Spektralbreite B, und daß Decodiereinrichtungen mit N Eingängen die Ausgangssignale der D-Kippschaltungen empfangen.und ein Signal Hefern, dessen Bandbreite zusammengepresst ist.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Bandkompressionseinrichtung nach

der Erfindung, welche Signale in analoger Form empfängt und liefert,

Fig. 2 ein Beispiel einer RS-Kippschaltung,

Fig. 3 ein Beispiel einer D-Kippschaltung,

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Fig. 4 die Form der Signale in verschiede

nen Punkten der Schaltungen,

Fig. 5 eine weitere Kompressionseinrichtung,

welche analoge Signale empfängt und digitale Signale liefert, und

Fig. 6 noch eine weitere Kompressi onsein-

richtung, welche digitale Signale empfängt.

Fig. 1 zeigt eine Bandkompressionseinrichtung, welche Signale in analoger Form empfängt und benutzt. Die Dynamik des Eingangssignal, d.h. die MaximalampHtude, die es erreichen kann, wird in N Quantisierungsstufen unterteilt. Die Amplitude des Eingangs- · signals wird in jedem Zeitpunkt mit jeder dieser Stufen verglichen. Zu diesem Zweck enthält die Einrichtung N Komparatoren C , C C , von denen jeder an einem Eingang eine Bezugsspannung, welche eine der Quantisierungsstufen festlegt, und an dem anderen Eingang das an eine Klemme El angelegte analoge Eingangssignal empfängt. Die N Bezugsspannungen werden durch einen Spannungsteiler erzeugt, der N + 1 Präzisionswiderstände Ro, R1 ... RN enthält, die

an eine Konstantspannungsquelle U und an die ■ Schaltungsmasse

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angeschlossen sind. Die Widerstände Ro bis RN sind derart gewählt, daß die Quantisierungsstufen zwischen O und U gemäß

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einem bestimmten Gesetz verteilt sind. Dieses Gesetz kann linear, exponentiell, logarithmisch oder dgl. sein. In dem beschriebenen

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Beispiel ist dieses Gesetz linear. Bei jedem Komparator entspricht das Ausgangssignal dem Digitalwert O, wenn die Amplitude des Eingangssignals kleiner als die angelegte Bezugsspannung ist. Wenn aber diese Amplitude größer als die angelegte Bezugsspannung ist, ist der Ausgang des Komparators auf dem Digital wert 1 . Selbstverständlich würden die Digitalwerte umgekehrt, wenn eine negative Logik verwendet würde. Der Ausgang jedes Komparators ist mit dem Eingang S einer bistabilen RS-Kippschaltung verbunden, deren Eingang R mit einem Tfektgeber H verbunden ist. Der Ausgang jeder RS-Kippschaltung ist mit dem Eingang D einer bistabilen D-Kippschaltung verbunden, die außerdem an einem Eingang C die Signale des Taktgebers H empfängt. Die Anzahl der vorhandenen RS- und D-Kippschaltungspaare ist ebenso groß wie die der Komparatoren. Diese Kippschaltungen sind in Fig. 1 mit RS , RS ... RS bzw. D , D ... D bezeichnet. Die Ausgänge der D-Kippschaltungen sind mit den Eingängen einer Addierschaltung A verbunden, der ein Tiefpassfilter F nachgeschaltet ist, dessen Durchlaßbereich gleich der durch den Kompressionsfaktor der Einrichtung geteilten Bandbreite des Eingangssignals ist. Diese Signale werden in analoger Form über eine Ausgangsklemme S1 an die Auswertungsschaltung abgegeben.

Die analogen Signale, die von dem Empfänger eines, beispielsweise elektromagnetischen, Erfassungssystems geliefert werden und an dem Eingang E1 anliegen, werden in N digitale Signale umgewandelt. Der Komparator Cl , der die höchste Bezugsspannung empfängt, liefert die Ziffer mit dem größten Stellenwert. Dagegen liefert der N-te Komparator C , der die niedrigste Bezugsspannung empfängt, die Ziffer mit dem niedrigsten Stellenwert.

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Jede Ziffer wird als "Bit" und dessen Zustand mit O oder 1 bezeichnet.

Die RS-Kippschaltungen registrieren jedes an ihren Eingang S angelegte 1-Bit und halten es gespeichert, bis an ihren Eingang R ein von dem Taktgeber H abgegebener Impuls angelegt wird. An Stelle der RS-Kippschaltungen können ebenso gut JK-Kippschaltungen verwendet werden.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel einer RS-Kippschaltung. Es handelt sich beispielsweise um die Kippschaltung RS , die zwischen den Komparator C. und die Kippschaltung D geschaltet ist. Sie besteht aus zwei NOR-Schaltungen N und N mit zwei Eingängen, wobei ein Eingang jeder NOR-Schaltung mit dem Ausgang der anderen verl
sind gleich.

anderen verbunden ist. Alle anderen Kippschaltungen RS .. .RS

Am Anfang ist der Ausgang P in dem Zustand O und der Ausgang Q ist in dem Zustand 1 . Dieser Ausgang Q wird nicht benutzt. Allein der Ausgang P ist mit der folgenden D-Kippschaltung verbunden . Sobald der Eingang S ein 1-Bit empfängt, geht der Ausgang P in den Zustand 1 über und bleibt in diesem Zustand, bis ein von dem Taktgeber kommender Impuls an den Eingang R angelegt wird.

In dem unvorhergesehenen Fall, in welchem ein Impuls an den Eingang S gleichzeitig mit dem Taktimpuls angelegt ist, kann die

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bistabile Kippschaltung kippen oder nicht: es liegt eine Unbestimmtheit vor. Dieser Fall ist aber um so seltener, je kürzer die Taktimpulse sind.

Die Benutzung einer JK-Kippschaltung an Stelle jeder RS-Kippschaltung beseitigt diesen Nachteil, denn das Kippen erfolgt ganz gewiss, wenn zwei Impulse gleichzeitig an den Eingängen J und K vorhanden sind.

Fig. 3 zeigt eine D-Kippschaltung, beispielsweise die Kippschaltung D. . Sie enthält eine durch den Block B dargestellte RS-Kippschaltung mit Eingängen R und S, deren Ausgang P mit der Addierschaltung A verbunden ist und deren Ausgang Q nicht benutzt wird. Die Eingänge R und S sind mit den Ausgängen von zwei UND-Schaltungen M. und M , die jeweils zwei Eingänge haben, verbunden. Einer der Eingänge der UND-Schaltung M empfängt das aus der vorhergehenden RS-Kippschaltung kommende Signal an einer Klemme D, und der andere Eingang empfängt das Signal des Taktgebers an einer Klemme C. Die andere UND-Schaltung M empfängt ebenfalls das Taktsignal von der Klemme C und das inverti erte Eingangssignal der Klemme D über einen Inverter I.

Solange der Eingang C in dem Zustand O bleibt, ändert sich der Zustand des Ausgangs P nicht und behält den zuvor aufgezeichneten Zustand "bei. Sobald der Eingang C in den Zustand 1 gebracht " ■ wird, nimmt der Ausgang P denselben Zustand wie der Eingang D an. Bei jedem Taktimpuls nimmt also jede D-Kippschaltung den Zustand an, in welchem sich die ihr vorgeschaltete RS-Kippschaltung in dem Zeitpunkt des Impulses befindet, und bleibt zumindest bis

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zu dem nächsten Taktimpuls in diesem Zustand.

Der Vorteil dieser Kombination wird durch die Betrachtung von Fig. 4 deutlich, welche die Form der Signale in verschiedenen Punkten der Schaltungen zeigt.

Das Signal (a) ist ein analoges Eingangssignal. Die Amplitude des Signals wird mit beispielsweise vier Stufen verglichen, die durch mit 1, 2, 3 und 4 bezeichnete Linien dargestellt sind, welche zu der Stufe O parallel sind, die die Amplitude Null darstellt. Diese Signal enthält zwei Impulse, welche beispielsweise Nutzechos entsprechen. Das sind die beiden größeren Impulse. Die anderen Signale stellen Störsignale und Rauschen dar.

In diesem Beispiel wird eine Bandkompressionseinrichtung betrachtet, welche lediglich vier Komparatoren enthält. Die Signale b1 bis b4 stellen die Ausgangssignale der Komparatoren dar. Die an diese Komparatoren angelegten Bezugsspannungen sind die Spannungen, welche den Stufen 1 bis 4 von Fig. 4a entsprechen. Der erste Komparator vergleicht das Eingangssignal mit dem Schwellenwert 1 und liefert das Signal (b1). Ebenso vergleichen die anderen Komparatoren das Signal (a) mit den immer größer werdenden Schwellenwerten 2, 3 und 4 und liefern die Signale (b2), (b3) und (b4). Es ist zu erkennen, daß allein die Impulse der Nutzechos zu einem Bit mit hohem Stellenwert führen. Da das Rauschsignal unter d&r Stufe 1 Hegt, verschwindet es nach der Verarbeitung.

Das Signal (c) wird von dem Taktgeber H geliefert. Seine

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Wiederholungsperiode ist im wesentlichen gleich der Elementardauer der Eingangssignale multipliziert mit dem gesuchten Kompressionsfaktor .

Die Signale (d1) bis (d4) stellen die Ausgangssignale der vier RS-Kippschaltungen dar, welche den Komparatoren nachgeschaltet sind. Diese Kippschaltungen empfangen die Signale (b1) bzw. (b2) bzw. (b3) bzw. (b4). Das Ausgangssignal jeder Kippschaltung geht bei jeder Anstiegsflanke des Eingangssignals von dem Zustand O in den Zustand 1 über und kehrt bei jedem Taktimpuls in den Zustand O zurück. Es ist zu erkennen, daß die Dauer des Ausgangssignals jeder RS-Kippschaltung von dem Zeitpunkt der Ankunft der Signale der Komparatoren abhängt. Wenn dieses Signal an dem Anfang der Wiederholungsperiode des Taktgebers ankommt, wie es bei dem Signal (b1) der Fall ist, hat das Ausgangssignal der Kippschaltung (in diesem Fall d1) eine Dauer, die praktisch gleich der Wiederholungsperiode des Taktgebers ist. Wenn dagegen das Signal am Ende der Wiederholungsperiode ankommt(Fall des Signals b2), kann das Ausgangssignal der Kippschaltung (Signal d2) sehr kurz sein.

Die D-Kippschaltungen, die den RS-Kippschaltungen nachgeschaltet sind, dienen dem Zweck, die Dauer der Ausgangssignale zu normalisieren. Bei jedem Taktimpuls nehmen sie den Zustand der vorangehenden RS-Kippschaltung an. Im allgemeinen entspricht die Anstiegsflanke jeder D-Kippschaltung der Abfallflanke der vorangehenden Kippschaltung und die Einrichtung arbeitet einwandfrei, da sich diese Flanken etwas überdecken. Die Ausgangssignale der

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D-Kippschaltungen sind bei (el), (e2), (e3) und (e4) dargestellt.

Die Zeitspannen aller Bits sind jetzt zwar gleich der Wiederholungsperiode der Taktsignale, diese Bits weisen jedoch eine durch die D-Kippschaltungen hervorgerufene Verzögerung auf, welche maximal gleich der Dauer einer Taktperiode ist. Dieser Nachteil ist jedoch nicht sehr störend, daß die Signale alle verzögert sind und diese Verzögerung in der Auswertungseinrichtung kompensiert werden kann.

Wenn die Signale (el) bis (e4) addiert werden, ergibt sich daraus das Signal (f), welches mit ausgezogener Linie dargestellt ist. Nach der Filterung in dem Tiefpaßfilter ist das Signal dasjenige, das mit gestrichelter Linie dargestellt ist.

Der Kompressionsfaktor der Einrichtung kann als das Verhältnis zwischen der Wiederholungsperiode des Taktgebers und der Dauer der Eingangsimpulse gewertet werden. Damit die Einrichtung korrekt arbeitet, ist es erforderlich, daß die Ansprechzeit der Komparatoren und der RS-Kippschaltungen kleiner ist als die .Dauer der Eingangssignale. Die RS-Kippschaltungen können ohne zusätzlichen Vorteil durch JK-Kippschaltungen ersetzt werden. Die Geschwindigkeit der D-Kippschaltungen soll einfach größer sein als die Geschwindigkeit des Taktgebers.

Die Komparatoren an dem Eingang der Einrichtung sind schnelle Schaltungen. Gegenwärtig sind schnelle Komparatoren auf dem Markt, die in ECL-Technik ausgeführt sind (ECL ist die Abkürzung für Emitter Coupled Logic, d.h. emittergekoppelte Logik). Die

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RS- oder JK- und D-Kippschaltungen sind ebenfalls als integrierte Schaltungen auf dem Markt.

Fig. 5 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der Kompressionseinrichtung, welche analoge Signale empfängt und digitale Signale liefert. Das Schaltbild von Fig. 5 ist bis zu dem Ausgang der Kippschaltungen D , D ...D in allen Punkten mit dem von Fig. 1 identisch. Eine Codierschaltung K1 mit N Eingängen empfängt die digitalen Signale der Kippschaltungen und wandelt diese Signale in binärer Logik in η Bits um. In diesem Fall gilt N = 2 - 1 . Die Ausgangssignale werden an η Ausgängen erzeugt, welche insgesamt durch den Ausgang S2 dargestellt sind. Diese Konfiguration kann in dem Fall vorteilhaft angewandt werden, in welchem das Auswertungssystem ein digitales System ist.

Die Bandkompressionseinrichtung wird auf diese Weise wie ein Analog/Digital-Wandler benutzt, der mit einer Abtastfrequenz arbeitet, die deutlich kleiner ist als die Bandbreite der Eingangssignale.

Selbstverständlich können die Ausgänge der Kippschaltungen D bis D gleichzeitig einen Binärcodierer speisen, der ein digitales Auswertungssystem versorgt, während ein Addierer und ein Filter ein anderes analoges Auswertungssystem versorgen.

Fig. 6 zeigt eine weitere Kompressionseinrichtung, welche digitale Signale empfängt. Wie die zuvor beschriebenen Einrichtungen enthält sie eine Anordnung von Kippschaltungen RS , RS .. .RS , denen Kippschaltungen D bzw. D ...bzw. D nachgeschaltet sind.

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Die an die Kompressionseinrichtung angelegten Signale sind Binärsignale mit η Bits. Diese Signale werden an die η Eingänge (die insgesamt durch den Eingang E2 dargestellt sind) einer Decodierschaltung K2 angelegt, welche an 2 - 1 Ausgängen digitale Signale analog den Ausgangssignalen der Komparatoren von Fig. 1 liefert. Der Rest des Schaltbildes gleicht den Schaltbildern der Fig. 1 und Die von den Kippschaltungen D bis D abgegebenen Signale werden an eine Schaltung G angelegt, bei welcher es sich um einen Addierer handeln kann, dem ein Tiefpaßfilter nachgeschaltet ist, das komprimierte analoge Signale liefert, oder um einen Binärcodierer, welcher binäre Signale an η Ausgär-ien abgibt, die durch den Ausgang S3 dargestellt sind.

Die Erfindung ist bei Systemen zur elektromagnetischen Erfassung, wie beispielsweise Radar- oder Lid ar sy stern en, anwendbar.

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   1 J Bandkompressionseinrichtung mit einer Eingangsklemme für den Empfang eines Signals, welches eine Spektralbreite B hat, und mit Einrichtungen zur. Codierung des Eingangssignals in N digitale Signale, welche in jedem Zeitpunkt dem Wert der Amplitude des Eingangssignals in bezug auf N Quantisierungsstufen entsprechen, wobei N eine ganze Zahl ist, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der digitalen Signale an einen Eingang einer bistabilen RS— oder JK-Kippschaltung angelegt wird, von welcher ein Ausgang mit einem Eingang einer D-Kippschaltung verbunden ist, wobei die beiden Eingänge der bistabilen Kippschaltung mit einem Taktgeber (H) verbunden sind, welcher Impulse mit einer Wiederholungsfrequenz erzeugt, die kleiner als die Spektralbreite B ist, und daß De— codiereinrichtungen mit N Eingängen die Ausgangssignale der bistabilen D-Kippschaltungen empfangen und ein Signal abgeben, dessen Bandbreite zusammengepresst ist.
2. 2. Bandkompressionseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Decodiereinrichtungen eine Addierschaltung

   (A) mit N Eingängen und mit einem Ausgang enthalten, der mit einem Tiefpaßfilter (F) verbunden ist, dessen Durchlaßbereich im wesentlichen gleich der Wiederholungsfrequenz der Impulse des Taktgebers (H) ist.
3. 3. Bandkompressionseinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Decodiereinrichtungen eine Codierschaltung (K1)

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   mit N Eingängen und mit N Ausgängen enthalten, welche Signale in binärer Form liefern.
4. 4. System zur elektromagnetischen Erfassung mit einem Sender-Empfänger, welcher Videosignale liefert, die eine Spektralbreite B haben, und mit wenigstens einer Auswertungseinrichtung, deren Bandbreite b kleiner als B ist, dadurch gekennzeichnet,

   daß zwischen dem Empfänger und der Auswertungseinrichtung eine Bandkompressionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 angeordnet ist, in welcher die Wiederholungsfrequenz des Taktgebers im wesentlichen gleich der Bandbreite der Auswertungseinrichtung ist.

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