DE2554798B2 - Bandkompressionseinrichtung - Google Patents
BandkompressionseinrichtungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Bandkompressionseinrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1
angegebenen Art.
Eine solche Bandkompressionseinrichtung ist insbesondere in aktiven Erfassungssystemen, wie Radar- oder
Lidaranlagen, verwendbar. 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 Amplitude der von der Umgebung
hervorgerufenen Störechos. Sie bringt außerdem eine bessere Fernortungsgenauigkeit 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 Spektralbreiite der Videosignale ist. Das ist im
allgemeinen unmöglich, wenn die Auswertungseinrichtung eine herkömmliche Katodenstrahlanzeigeröhre
oder irgendeine andere Einrichtung enthält, die durch eine Bedienungsperson auszuwerten ist und deren
Bandbreite gering ist
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Bandkompressionseinrichtung zu schaffen, die zwischen dem Empfänger
und der Auswertungseinrichtung durch eine Anpassung der Bandbreite der Auswertungseinrichtung
und der Spektralbreite der Videosignale die Kontrast-Verluste verringert, die sich durch eine Fehlanpassung
ergeben würden.
Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Die Erfindung schafft eine digitale Bandkompressionseinrichtung, welche eine große Gebrauchsanpassungsfähigkeit aufweist und insbesondere einen veränderlichen Kompressionsfaktor liefern kann. Da die Nutzsignale im allgemeinen kurze Impulse sind, drückt sich die Kompression durch eine Verlängerung der Dauer der Impulse aus.
Die Erfindung schafft eine digitale Bandkompressionseinrichtung, welche eine große Gebrauchsanpassungsfähigkeit aufweist und insbesondere einen veränderlichen Kompressionsfaktor liefern kann. Da die Nutzsignale im allgemeinen kurze Impulse sind, drückt sich die Kompression durch eine Verlängerung der Dauer der Impulse aus.
Bei Analog-Digital-Wandlern ist es bekannt, den Quantisierungsschaltungen für das analoge Eingangssignal
bistabile Kippschaltungen nachzuschalten (D. F. Hoeschele »Analog-to-Digital/Digital-to-Analog
Conversion Techniques«, J. Wiley & Sons, Inc., New York, London, Sydney 1968, S. 412).
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
näher beschrieben. Es zeigen
F i g. 1 eine Bandkompressionseinrichtung nach der Erfindung, welche Signale in analoger Form empfängt
und liefert,
F i g. 2 ein Beispiel einer RS-Kippschaltung,
F i g. 3 ein Beispiel einer D-Kippschaltung,
F i g. 3 ein Beispiel einer D-Kippschaltung,
Fig.4 die Form der Signale in verschiedenen Punkten der Schaltungen,
F i g. 5 eine weitere Kompressionseinrichtung, welche analoge Signale empfängt und digitale Signale liefert,
und
Fig.6 noch eine weitere Kompressionseinrichtung,
welche digitale Signale empfängt.
F i g. 1 zeigt eine Bandkompressionseinrichtung, welche Signale in analoger Form empfängt und benutzt. Die
Dynamik des Eingangssignals, d. h. die Maximalamplitude, die es erreichen kann, wird in N Quantisierungsstufen
unterteilt. Die Amplitude des Eingangssignals wird in jedem Zeitpunkt mit jeder dieser Stufen verglichen.
Zu diesem Zweck enthält die Einrichtung N Komparatoren Q, C2... Cn, von denen jeder an einem Eingang
eine Bezugsspannung, welche eine der Quantisierungsstufen festlegt, und an dem anderen Eingang das an eine
Klemme Ei angelegte analoge Eingangssignal empfängt. Die N Bezugsspannungen werden durch einen
Spannungsteiler erzeugt, der N + \ Präzisionswiderstände Ro, RX... RN enthält, die an eine Konstantspannungsquelle
Uref und an die Schaltungsmasse angeschlossen sind. Die Widerstände Ro bis RN sind derart
gewählt, daß die Quantisierungsstufen zwischen O und
Href gemäß einem bestimmten Gesetz verteilt sind.
Dieses Gesetz kann linear, exponentiell, logarithmisch od. dgl. sein. In dem beschriebenen Beispiel ist dieses
Gesetz linear. Bai jedem !Comparator entspricht das
Ausgangssignal dem Digitalwert 0, 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 !Comparators auf dem Digitalwert 1. Selbstverständlich
würden die Digitalwerte umgekehrt, wenn eine negative
Logik verwendet würde. Der Ausgang jedes !Comparators ist mit dem Eingang 5 einer bistabilen RS-Kippschaltung
verbunden, deren Eingang R mit einem Taktgeber 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 F i g. 1
mit RSu RS2... RSn bzw. D\,Eh...DN 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 51 an die Auswertungsschaltung
abgegeben.
Die analogen Signale, die von dem Empfänger eines, beispielsweise elektromagnetischen, Erfassungssystems
geliefert werden und an dem Eingang E\ 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 Cn, der die
niedrigste Bezugsspannung empfängt die Ziffer mit dem niedrigsten Stellenwert
Jede Ziffer wird als »Bit« und dessen Zustand mit 0 oder 1 bezeichnet
Die RS-Kippschaltungen registrieren jedes an ihren
Eingang 5 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.
Fi g. 2 zeigt ein Beispiel einer RS-Kippschaltung. Es
handelt sich beispielsweise um die Kippschaltung RS1,
die zwischen den Komparator G und die Kippschaltung D\ geschaltet ist. Sie besteht aus zwei NOR-Schaltungen
N\ und Ni mit zwei Eingängen, wobei ein Eingang jeder
NOR-Schaltung mit dem Ausgang der anderen verbunden ist Alle anderen Kippschaltungen RSi... RSn sind
gleich.
Am Anfang ist der Ausgang P in dem Zustand 0 und der Ausgang ζ) ist in dem Zustand 1. Dieser Ausgang Q
wird nicht benutzt Allein der Ausgang P is't mit der folgenden D-Kippschaltung verbunden. Sobald der
Eingang Sein 1-Bit empfängt geht der Ausgang Pin 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 5 gleichzeitig mit dem
Taktimpuls angelegt ist kann di■·.: bistabile Kippschaltung
kippen oder nicht: es liegt eine Unbestimmtheit vor. Dieser Fall ist aber um so seltener, je kurzer 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/und K vorhanden sind.
F i g. 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
F i g. 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
ic Eingänge R und S sind mit den Ausgängen von zwei
UND-Schaltungen M\ und M2, 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 Mj empfängt ebenfalls das Taktsignal
von der Klemme C und das invertierte Eingangssignal der Klemme Düber einen Inverter /.
Solange der Eingang C in dem Zustand 0 bleibt, ändert sich der Zustand des Ausgangs Pnicht und dieser
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 zu dem nächsten Taktimpuls in diesem Zustand.
Der Vorteil dieser Kombination wird durch die Betrachtung von F i g. 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. Dieses 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 b\ bis 64 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 (b 1). Ebenso vergleichen die anderen Komparatoren das Signal (a) mit den immer größer werdenden
Schwellenwerten 2,3 und 4 und liefern die Signale (b 2), (b 3) und (b 4). Es ist zu erkennen, daß allein die Impulse
der Nutzechos zu einem Bit mit hohem Stellenwert führen. Da das Rauschsignal unter der Stufe 1 liegt,
verschwindet es nach der Verarbeitung.
Das Signal (c) wird von dem Taktgeber ii geliefert. Seine Wiederholungsperiode ist im wesentlichen gleich
der Elementardauer der Eingangssignale multipliziert mit dem gesuchten Kompressionsfaktor.
Die Signale (d\) bis (d4) stellen die Ausgangssignale
der vier RS-Kippschaltungen dar, weiche den Komparatoren nachgeschaltet sind. Diese Kippschaltungen
empfangen die Signale (bl) bzw. (b 2) bzw. (7)3) bzw.
(b 4). Das Ausgangssignal jeder Kippschaltung geht bei jeder Anstiegsflanke des Eingangssignals von dem
Zustand 0 in den Zustand 1 über und kehrt bei jedem Taktimpuls in den Zustand 0 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 (b 1) der Fall ist, hat das
Ausgangssignal der Kippschaltung (in diesem Fall dl) 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
c/2) 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 D-Kippschaltungen sind bei (e 1), (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, da die Signale alle
verzögert sind und diese Verzögerung in der Auswertungseinrichtung kompensiert werden kann.
Wenn die Signale (e 1) 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 RS- oder JK- und D-Kippschaltungen sind ebenfalls als
integrierte Schaltungen auf dem Markt.
F i g. 5 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der Kompressionseinrichtung, welche analoge Signale empfängt und digitale Signale liefert. Das Schaltbild von F i g. 5 ist bis zu dem Ausgang der Kippschaltungen Di, />2... Dn in allen Punkten mit dem von F i g. 1 identisch. Eine Codierschaltung K 1 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 52 dargestellt sind. Diese Konfiguration kann in dem Fall vorteilhaft angewandt werden, in welchem das Auswertungssystem ein digitales System ist.
F i g. 5 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der Kompressionseinrichtung, welche analoge Signale empfängt und digitale Signale liefert. Das Schaltbild von F i g. 5 ist bis zu dem Ausgang der Kippschaltungen Di, />2... Dn in allen Punkten mit dem von F i g. 1 identisch. Eine Codierschaltung K 1 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 52 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 D1 bis Dn gleichzeitig einen Binärcodierei
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 zuvoi beschriebenen Einrichtungen enthält sie eine Anordnung
von Kippschaltungen RS\, RS2... RSn, dener Kippschaltungen Di bzw. D2... bzw. Dn nachgeschalte'
sind. Die an die Kompressionseinrichtung angelegter Signale sind Binärsignale mit η Bits. Diese Signale
werden an die η Eingänge (die insgesamt durch der Eingang E2 dargestellt sind) einer Decodierschaltunf
K 2 angelegt, welche an 2" — 1 Ausgängen digitale Signale analog den Ausgangssignalen der Komparato
ren von F i g. 1 liefert. Der Rest des Schaltbildes gleich den Schaltbildern der F i g. 1 und 2. Die von der
Kippschaltungen Di bis Dn abgegebenen Signal«
werden an eine Schaltung C angelegt, bei welcher e! sich um einen Addierer handeln kann, dem eir
Tiefpaßfilter nachgeschaltet ist, das komprimiert« analoge Signale liefert, oder um einen Binärcodierer
welcher binäre Signale an η Ausgängen abgibt, di< durch den Ausgang 53 dargestellt sind.
Die Bandkompressionseinrichtung ist bei Systemei zur elektromagnetischen Erfassung, wie beispielsweisi
Radar- oder Lidarsystemen, anwendbar.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
1. 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 bistabilen D-Kippschaltung verbunden
ist, während die zweiten Eingänge der Kippschaltungen mit einem Taktgeber (H) verbunden
sind, welcher Impulse mit einer Wiederholungsfrequenz erzeugt, die kleiner als die Spektralbreite B
ist, und daß Decodiereinrichtungen mit N Eingängen die Ausgangssignale der bistabilen D-Kippschaltungen
empfangen und ein Signal abgeben, dessen Bandbreite komprimiert ist.
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. Bandkompressionseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Decodiereinrichtungen
eine Codierschaltung (K 1) mit N Eingängen und mit N Ausgängen enthalten, welche Signale in
binärer Form liefert.
4. Bandkompressionseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wiederholungsfrequenz
des Taktgebers (H) im wesentlichen gleich der Bandbreite einer Auswertungseinrichtung ist.
5. Bandkompressionseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die RS-Kippschaltungen
Ansprechzeiten haben, die kleiner sind als die Dauer der Eingangssignale, und daß die Geschwindigkeit
der D-Kippschaltungen größer als die Geschwindigkeit des Taktgebers (H) ist.
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