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B E S C 1I R E I B U N G zu der Patentanmeldung betreffend Digitaler
Mischer Digitale oder sogen. quasi-harmonische Frequenzmischer sind bekannt. Sie
bestehen meist aus miteinander verknüpften Gatterschaltungen, denen die zu mischenden
periodischen Digitalsignale zugeführt werden. Die Festlegung der Schaltflanke: Ges
frequenzdifferenzsignals erfolgt meist über einen Spannungskomparator, der einem
analogen Mittelwertbildner, be spielsweise einem RC-Glied, nachgeschaltet ist, welcher
at etwa durch die Eingangssignale bedingtes Phasenrauschen vt -ringern soll. Diese
bekannten Mischerschaltungen sind niemals rein digital aufgebaut und besitzen deshalb
den grundsätzl en Nachteil, dass sie in ihrem Analogteil exakt justiert wert müssen,
thermisch sehr instabil und ausserdem spannungsabhängig sind.
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5 ist Aufgabe der Erfindung, einen Frequenzmischer zu schaffen, &er
rein digital arbeitet und trotzdem auch mit Phasenrauschen behaftete Eingangssignale
verarbeiten kann und bei dem die ungeteilte Differenzfrequenz erhalten bleibt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch einen digItalen wischer
nach Hauptanspruch. Weitere vorteilhafte Ausgestal gen eines erfindungsgemässen
Mischers ergeben sich aus den ü-leransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Ein erfindungsgemässer Mischer ist rein digital aufgebaut und arbeitet
auch rein digital und es erübrigen sich daher kostspielige und zeitraubende Justierungen
von irgendwelchen Analogsohaltungen wie Spannungskomparatoren, Integratoren und
dergl. Er ist ausserdem thermisch sehr stabil und spannungsunabhängig. Der erfindungsgemässe
digitale Mischer hat gegenüber einer Mischschaltung mit analoger Mittelwertbildung
den prinzipiellen Vorteil, dass er bei gleichen Zeitkonstanten des jeweiligen Mittelwertbildners
ein um F fach besseres Signal-Störungsverhältnis aufweist. Der erfindungsgemässe
Mischer kann ferner auslgungsweise periodische Phasenschwankungen unterdrücken,
etwa Netzstörungen.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an
einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt das Prinzipschaltbild eines erfindungsgemässen Mischers
Figuren 2 bis 5 zeigen Zeitdiagramme zur Erläuterung seiner Funktionsweise Nach
Fig. 1 besteht der erfindungsgemässe digitale Mischer aus einer bistabilen Kippstufe
K, der über einen Eingang D das erste zu mischende periodische Digitalsignal f1
mit der grösseren Frequenz zugeführt wird und die über das zweite periodische Digitalsignal
f2 mit der kleineren Frequenz derart geschaltet wird, dass nur dann am Q-Ausgang
dieser Kippstufe Impulse erscheinen, wenn die Anstiegs flanke des Impulssignals
fl vor oder zusammen mit der Anstiegsflanke des Impulssignals f2 auftritt. Der spannungslose
Zustand des Signals fl löscirv dann jeweils wieder die Kippstufe K. Bei Koinzidenz
der Anstiegsflanken der beiden Digitalsignale r2'und f1 tritt also
am
Ausgang Q der Kippstufe K ein Rechteckimpuls von der Dauer der halben. Periode des
ersten Signals f1 auf, welcher in der Taktfolge des zweiten Signals f2 dann kontinuierlich
schmäler wird, bis er etwa ab der halben Periode der Differenzfrequenz 4 f = f1-f2
verschwindet. Dies gilt exakt unter der Voraussetzung, dass fl etwas grösser ist
als f2,f viel kleiner ist als f1 bzw. f2 und ein Schaltverhältnis des Digitalsignals
f1 von etwa 1:1 vorliegt. Dieser Sachverhalt ist in Fig. 2 analogäquivalent dargestellt.
Anschliessend an den Bereich B, in welchem die Anstiegsrlanke des Signals f2 den
Spannungszustand des Signals fl antrifft, herrscht eine Totzeit 0, in der der Ausgang
Q der Kippschaltung K spannungsfrei bleibt.
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Zur Verarbeitung von Digitalsignalen, die ein Phasenrauschen besitzen,
ist anschliessend an diese Kippstufe K ein Integrator geschaltet, und zwar gemäss
der Erfindung ist auch dieser Integrator rein digital. Er besteht aus einem Zähler
Z, der am Ausgang der Kippstufe K angeschaltet ist, und an dessen Ausgang die Impulse
der Differenzfrequenz d f f1-f2 auftreten. Das Löschen und Gelöschthalten des Zählers
Z erfolgt über eine monostabile Kippstufe F, die vom Ausgangs impuls des Zählers
ausgelöst wird und eine vorbestimmte Eigenzeit besitzt.
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Die Anstiegs flanke eines ohne Phasenrauschen behafteten Digitalsignals
erscheint nach Fig. 5 immer im Zeitpunkt t = o. Die Wahrscheinlichkeitsfunktion
des Auftauchens dieser Flanke ist ein Dirac-Stoss mit der endlichen Fläche 1, also
der Gesamtwahrscheinlichkeit 1, dass die Flanke zum Zeitpunkt t=o auftritt. Besitzt
das Eingangssignal jedoch Phasenrauschen so zerläuft dieser Dirac-Stoss zu einer
Glockenkurve nach Fig. 4. Die Wahrscheinlichkeit, dass die Anstiegs flanke des Signals
f1 im Intervall dt auftaucht, ist durch die Formel nach Fig. 4 gegeben, wobei a
mit der Halbwertsbreite c der Glockenkurve verknüpft
sind. Mit Hilfe
der Gesamtwahrscheinlichkeit W lässt sich nun eine Aussage darüber machen, wie wahrscheinlich
das Erscheinen der Anstiegsflanke des Signals f1 bis zu einem Zeitpunkt t ist.
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Diese Funktion zeigt Fig. 5. Unter der Annahme, dass das periodische
Signal f2 phasenrauschfrei ist und das periodische Signal f1 jitterbehaftet ist,
stellt sich die Wahrscheinlichkeit, dass die Anstiegsflanke des Signals f2 den Spannungszustand
des Signals fl antrifft, also die Kippstufe K zum Ausgangssignal veranlasst, genauso
wie die Gesamtwahrscheinlichkeit W(t) nach Fig. 5 dar. Damit ergibt sich, dass über
den Zähler Z alle Treffer registriert werden.
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Die Funktionsweise der erfindungsgemässen Schaltung nach Fig.
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ist folgende: Ausgangspunkt sei die eingangs erwähnte Totzone 0, in
der kein Ausgangssignal am Ausgang der Kippstufe K auftritt.
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Nähert sich nun die Anstiegs flanke des Signales fl derjenigen des
Signales r2, so gibt zunächst die Kippstufe K vereinzelt Impulse aus dem Zeitraster
des Signals f2 an den Zähler Z ab, diese Impulsfolge wird dann immer schneller und
regelmässiger, bis schliesslich jeder Takt des Signals f2 den Zähler Z erreicht.
In diesem Zeitpunkt ist die Stochastik der Anstiegsflanke des jitterbehafteten Signales
f1 abgeklungen. Wenn die Rechteckspannung des Signals f1 symmetrisch ist, muss dies
spätestens zum Zeitpunkt x nach Fig. 5 abgeschlossen sein. In der Praxis hat es
sich als zweckmässig erwiesen, diesen Zeitpunkt als 1/6.4f nach der idealiserten
Koinzidenz zu definieren. Der Zähler hat in diesem Zeitpunkt r2/6 tf Taktimpulse
von der Kippstufe K erhalten und gibt einen Ausgangsimpuls ab. Sein Zählvolumen
ist demnach M = f2/64f. Am Ausgang des Zählers erscheinen so Ausgangs impulse im
Abstand 1/4f, also eine Impuls folgte der Differenzfrequenz 4 dr. Diese Ausgangsimpulse
eilen der idealisierten Koinzidenz der Ans tiegs flanken der Signale fl, f2 um die
konstante Dauer M/r2 nach, was einer Phasenverschiebung
entspricht.
Der am Zählerausgang erscheinende Ausgangsimpuls der Periodizität Af löst gleichzeitig
die monostabile Kippstufe F åuss die eine solche Eigenzeit besitzt, dass der Zähler
gelöscht gehalten wird, bis etwa die Mitte der später folgenden Totzeit 0 des Äusgangssignals
Q der Kippstufe K erreicht ist. Die Eigenzeit der monostabilen Kippstufe F beträgt
in einem praktischen Ausführungsbeispiel beispielsweise 7/124f.
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Diese Schaltung wirkt genauso, wenn auch das zweite Signal f2 ein
Phasenrauschen besitzt. Hierdurch wird die beschriebene Mittelwertbildung nicht
beeinflusst. Sein Anteil bleibt nur additiv bei der transformierten Ausgangsfrequenz
ß f erhalten.
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Patentansprüche