DE2714946A1

DE2714946A1 - Transfersales filter mit ladungsuebertragungsschaltungen

Info

Publication number: DE2714946A1
Application number: DE19772714946
Authority: DE
Inventors: Lawrence Griffith Heller
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1976-04-12
Filing date: 1977-04-02
Publication date: 1977-10-20
Also published as: IT1115713B; GB1560909A; FR2348606B1; JPS52124839A; CA1097811A; US4039978A; FR2348606A1

Description

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Böblingen, den 31. März 1977 sa-bd/bb

Anmelderin:

International Business Machines Corporation, Armonk, N.Y. 1O5O4

Amtliches Aktenzeichen:

Neuanmeldung

Aktenzeichen der Anmelderin: YO 975 058

Vertreter:

Patentassessor

Dipl.-Phys. Hermann Schmandt Böblingen

Bezeichnung:

Transfersales Filter mit Ladungsübertragungsschaltungen

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Die Erfindung betrifft ein transfersales Filter mit LadungsUbertragungsschaltungen, bei dem von einem analogen Eingangssignal abgetastete Werte als Ladungsträgerpakete eine Kette von Verzögerungsleitungen durchlaufen, und bei dem mit Abgriffen zwischen den Kettengliedern verbundene Schaltungen vorgesehen sind, die den jeweiligen Signalwerten eine Gewichtung zuordnen und zu einem Ausgangssignal kombinieren, das dem durch die Filterübertragungsfunktion modifizierten Eingangssignal entspricht.

Filter der eingangs genannten Art werden auch als optimale Suchfilter (matched filter) bezeichnet (siehe Nachrichtentechnische Zeitschrift, Jahrgang 17, Heft 12, Dezember 1964, Seiten 605 bis 613, insbesondere Seite 606 linke Spalte "über den Entwurf optimaler Suchfilter", von W. Schüssler).

Die Verwendung von LadungsUbertragungsschaltungen (charge transfer devices-CTD) für transfersale Filter ist an sich bekannt. Ein Beispiel hierfür ist beschrieben in der Veröffentlichung: "Transversal Filtering Using Charge-Transfer Devices" von Dennis D. Buss, Dean R. Collins, Walter H. Bailey und C. Richard Reeves in IEEE J. Solid-state Circuits, Band SC-8, Nr. 2, April 1973, Seiten 138 bis 146. In dieser Veröffentlichung sind für transfersale Filter unter Verwendung von ladungsgekoppelten Schaltungen (charge-coupled devices-CCD) und von Eimerkettenschaltungen (bucket-brigade devices-BBD) beschrieben.

Bei den transfersalen Filtern mit ladungsgekoppelten Schaltungen werden die verzögerten Signale abgegriffen, indem der Strom gemessen wird, der während der übertragung in den Taktleitungen fließt, und die abgegriffenen Signale erfahren an einer Elektrode eine Aufteilung, die einer Bewertung entspricht.

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Bei den transfersalen Filtern mit Eimerkettenschaltungen werden die verzögerten Signale durch Anzapfung an den Gates der Feldeffekttransistoren mit Hilfe eines Source-Folgers gewonnen, dessen Ladung den Gewichtungs- oder Bewertungskoeffizienten bestimmt.

Die in der genannten Veröffentlichung beschriebenen Transfer-

salfilter erfordern genaue Bewertungen oder Gewichtungen an den Anzapfungen über einen weiten Wertbereich. Dies ist jedoch sehr schwer zu erreichen.

Ein weiteres Beispiel eines Analogfilters, bei dem Ladungs-Ubertragungsschaltungen verwendet werden, ist in der US Patentschrift 3 819 958 beschrieben. Bei dem hier beschriebenen Filter ist ebenfalls eine vollständige Bewertung oder Gewichtung erforderlich, zu deren Realisierung die Anordnung aufgeteilter Elektroden verwendet wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein transfersales Filter anzugeben, bei dem nur eine sehr einfache Bewertung erforderlich ist. Diese Bewertung soll zudem durch logische Programmierung steuerbar sein.

Bei einem transfersalen Filter der eingangs genannten Art, wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Schaltungen gebildet sind durch eine Teilerschaltung, die für jeden einzelnen der abgetasteten k Signalwerte eine Folge von Ladungsträgerpaketen mit abnehmenden Bruchteilen der Ladung bildet, durch eine Speicherschaltung, in welcher die jeweils gleichen Bruchteile aller abgetasteten SignaLwerte getrennt gespeichert und einer positiven oder negativen Gewichtung zugeordnet werden, und aus einer Summierschaltung, in welcher jeweils die gleiche Gewichtung enthaltenden Ladungsträgerpakete zusammengefaßt und kombiniert werden.

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Weitere vorteilhaften Merkmale des erfindungsgemäßen Filters sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird anhand eines durch die Zeichnungen erläuterten AusfUhrungsbeispieles beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 die Prinzipdarstellung eines Transfersalfliters in einem schematischen Blockdiagramm,

Fig. 2 ein AusfUhrungsbeispiel eines Ladungsübertragungstransfersalfliters, der in den Patentansprüchen gekennzeichneten Art, ebenfalls im Blockdiagramm dargestellt, und

Fig. 3 im Blockdiagramm, eine Ladungsübertragungsregisterschaltung, die in dem in Fig. 2 dargestellten Transfersalfilter enthalten ist.

Ein Filter kann im Frequenzbereich oder in den Frequenzbereichen charakterisiert werden durch eine übertragungsfunktion H (s), in welcher der Ausgang V (s) mit dem Eingang V. (s) durch den Ausdruck

V_o (S) » V₁ (S) H (S) (1)

verbunden ist. In dieser Formel repräsentiert H die Funktion des Abtastkoeffizienten.

Durch Invertierung des Ausdrucks (1) in den Zeitbereich oder die Zeitbereiche erhält man

Jv_o (S) J = L~¹ (V₁ (s) H (S) J

v_o (t) = L"¹ I V„ (S) I = L¹ Iv₁ (s) H (S) I (2)

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-s-

oder durch Faltung

v_o (t) =/ MT)V₁ (t-T)dT=T I h_mv_±

(t-mT) (3) ο ■"■ m=0

Die Näherungssumme entsprechend dem Ausdruck (3) kann durch das Blockdiagramm eines Transfersalfliters, das in Fig. 1 dargestellt ist, erläutert werden. Wie in der genannten Veröffentlichung beschrieben ist, kann das Filter der Fig. 1 mit LadungsUbertragungschaltungen, entweder mit ladungsgekoppelten Schaltungen oder mit Eimerkettenschaltungen realisiert werden. Diese bekannten Schaltungen verlangen jedoch, sehr genaue Gewichtungen über einen weiten Wertebereich und sie bieten keine Möglichkeit für eine logische Steuerung der Filter.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel des Transfersalfilters ist ein Eingangsstromkreis 10 vorgesehen, der die Transistoren 12, 14, 16 und 18 und die Kondensatoren 20, 22, 24 und 26 enthält. Das Eingangssignal v. ist das abgetastete analoge Signal. Der Stromkreis 10 erzeugt eine Folge von Ladungsträgerpaketen für jeden abgetasteten Eingangssignalwert v., die dargestellt wird durch

Q = C₂₆V₁Z₂, C₂₆V₁/*...C₂₆V₁/!* (4)

Aus dem Ausdruck (4) ist zu ersehen, daß das erste gebildete Ladungspaket ^c ₂6^vi ^{durch den} Faktor 2 geteilt ist. Bei anderen Anwendungen kann es erwünscht sein, die Folge mit dem ursprünglichen Ladungpaket C₃₆V₁ als erstes Paket der Folge zu beginnen. Die Ladungspakete, die durch den Stromkreis 10 erzeugt werden, werden in das aus Ladungsübertragungsschaltungen aufgebaute Register 30 übertragen. Bei der Beschreibung der Wirkungsweise des Schaltkreises 10 wird angenommen, daß das Register 30 einen Eingangstran-

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sistor enthält, an dessen Steuerelektrode ein Phasenimpuls (Phase 1) angelegt wird, mit dem Wert V . Es wird ferner angenommen, daß der Stromkreis 10 und der genannte Eingangsübertragungstransistor im Zusammenwirken mit einem üblichen Phasenimpulsgenerator arbeiten, der verschiedene Phasenimpulse, beispielsweise Phase 1, Phase 2, Phase 3 usw. erzeugt und die an den Steuerelektroden der einzelnen Transistoren angelegt werden.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise des in Fig. 2 dargestellten Schaltkreises 10 wird im folgenden ein Operationszyklus beschrieben. Anfangs zur Zeit t liegt der Phasenimpuls 1 am Ubertragungstransistor im Register 30 mit einem Pegel von V und bleibt im EIN-Zustand. Zum Zeitpunkt t gelangen auch die am Transistor 18 anliegende Rückstellphase, die am Transistorschalter 16 anliegende Phase 2 und die am Transistor 12 anliegende Phase 3 in den EIN-Zustand. Die Rückstellphase am Transistor 18 geht zum Zeitpunkt t.. in den AUS-Zustand. Der Knotenpunkt 23 lädt sich auf auf das Potential V - V , über den Eingangstransistor des Registers 30, wobei V , der Schwellenwert des Eingangstransistors ist, der in Sättigung betrieben wird.

Das Phasensignal 2 kommt zum Zeitpunkt t_ in den AUS-Zustand. Dadurch öffnet der Transistorschalter 16 und isoliert den Knotenpunkt oberhalb des Kondensators 22 auf der Spannung v.. Zum Zeitpunkt t₃ kommt das Phasensignal 3 in den AUS-Zustand. Dadurch wird der Transistor 12 gesperrt. Das Phasensignal 4 am Transistor 14 kommt in den EIN-Zustand und entlädt den Knotenpunkt oberhalb des Kondensators 20 von v. auf Masse. Zum Zeitpunkt t. kommt der Phasenimpuls 4 in den AUS-Zustand. Dadurch wird der Knotenpunkt oberhalb des Kondensators 20 auf Massepotential isoliert. Das Phasensignal 2 geht dann wieder in den EIN-Zustand, und die durch das

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Potential ν. bedingte Ladung verteilt sich zwischen den beiden Knotenpunkten oberhalb der Kondensatoren 20 und 22. Das bedeutet, daß der Knotenpunkt oberhalb des Kondensators 22 auf das Potential v./2 entladen wird und daß ein Ladungsträgerpaket entsprechend der Ladung C₃₆, v./2 in das Register injiziert wird. Zum Zeitpunkt t₅ kommt das Phasensignal 2 in den AUS-Zustand. Dadurch wird der Schalter 16 geöffnet. Das Phasensignal 4 kommt wieder in den EIN-Zustand. Dadurch wird der Knotenpunkt oberhalb des Kondensators 20 Über den Transistor 14 auf Masse entladen. Zum Zeitpunkt t~ kommt der Phasenimpuls 4 am Transistor 14 wieder in den AUS-Zustand, dadurch wird der Knotenpunkt oberhalb des Kondensators 20 auf Masse isoliert. Der Phasenimpuls 2 kommt in den EIN-Zustand und schließt den Schalter 16. Dadurch verteilt sich die Ladung v./2 zwischen den Knotenpunkten oberhalb der Kondensatoren 2O und 22. Das bedeutet, daß der Knotenpunkt 50 oberhalb des Kondensators 22 auf das Potential v./4 entladen wird, und daß ein Paket von Ladungsträgern entsprechend der Ladung C_, v./4 in das Register 30 injiziert wird.

Der Zyklus des Schaltkreises 10 der Fig. 2 kann fortgesetzt werden, um Ladungsträgerpakete entsprechend der Ladungen ^C26^vi^' ^C26^vi/^' ^C26^vi^² *ⁿ ^^{as La}dungsübertragungsregister 30 zu injizieren. Da die Kapazität 26 in Serie mit der Kapazität 22 geschaltet ist, ist die resultierende Kapazität bezüglich des Registers 30 kleiner als jede der beiden Kapazitäten 22 oder 26. Deshalb können die Kapazitäten 20 und 22 groß sein, um eine höhere Genauigkeit zu erreichen, während die effektive Kapazität bezüglich der Zeitkonstanten der Schaltung klein ist und eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit erlaubt. Es versteht sich, daß anstelle der Schaltung 10 auch andere Schaltungen, die die entsprechenden Ladungen erzeugen, verwendet werden können.

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/θ"

Auf diese Welse wird die Folge entsprechend dem Ausdruck (4) seriell in das Register 30 durch die Schaltung 10 eingegeben. In dem Register 30 ist damit eine Folge von jeweils durch den Faktor 2 geteilten Ladungspaketen gespeichert, die aus einem abgetasteten Wert des Eingangssignals gebildet wurden. Das als Ladungsübertragungsschaltung ausgebildete Register 30 ist in bekannter Weise aufgebaut. Ein Beispiel hierfür ist beschrieben in der Veröffentlichung "Charge Coupled 8-Bit Shift Register" von M. F. Tompsett und anderen in Applied Physics Letters, Band 17, Nr. 3, Seite 111, August 19 70.

Wenn jede Folge von Ladungspaketen für jeden abgetasteten Wert des Eingangssignals voll im Register 30 enthalten ist, werden die Ladungspakete parallel in eine Reihe von η Registern 32-1, 32-2...32-n eingegeben, die ebenfalls als Ladungsübertragungschaltungen aufgebaut sind. In jedem dieser Register werden Ladungspakete mit dem selben Bruchteilswert für die verschiedenen abgetasteten Werte des Eingangssignals gespeichert. Z.B. sind im Register 32-3 alle Ladungspakete der abgetasteten Werte des Eingangssignals gespeichert, die durch 8 dividiert wurden. Mit dem Ausdruck "derselbe Bruchteilswert" werden dabei diese Ladungspakete verstanden, die durch den selben Wert dividiert wurden, obgleich der resultierende Wert in den einzelnen Fällen verschieden ist.

Die Register 32-1 bis 32-n enthalten jetzt jeden abgetasteten Wert des Eingangssignal in der Form von in einer Reihe von Ladungspaketen mit abnehmendem Bruchteilswert. Diese Ladungspakete können nach jeder Verzögerungsleitung selektiv mit Gewichtungen versehen werden, und zwar mit den Gewichtungen +1, -1, und 0, und die gewichteten Werte können in den Registern 32 summiert werden. Dieses Verfahren resultiert in einer genauen Verwirklichung der FaItungssurne entsprechend

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dem Ausdruck (3).

Durch Zuordnung der Gewichtungen "+1", "-1" oder "0" kann jeder Wert der Gewichtungen h von (3), multipliziert durch die Verzögerungswerte von v. (t-mt) in der Form von Ladungen summiert werden, um den Ausdruck (3) zu erzeugen. Es sind deshalb bei dieser Anordnung keine genauen Gewichtungen er forderlich, lediglich die Gewichtungen +1, -1 und 0. Das Summieren der Gewichtungen +1 und -1 kann unter Verwendung der Schaltelemente 34, 36 und 38 durchgeführt werden oder unter Verwendung von integrierenden Operationsverstärkern. Der Ausdruck (3) kann reproduziert werden unter Verwendung der Gewichtungen "+1" und "-1" ohne die Gewichtung "0" mit einer Ungenauigkeit vergleichbar mit v./2ⁿ.

Ein Ausführungsbeispiel eines der als Ladungsübertragungs- schaltung ausgebildeten Register 32-1 bis 32-n ist in Fig. dargestellt. Angenommen, daß Eingangssignal v. werde k-mal abgetastet, so enthält das in Fig. 3 dargestellte Register k separate Speicherzellen 40-1, 40-2,...,40-k, wobei jede Speicherzelle ein einzelnes der Ladungspakete enthält, die durch das zeitliche Abtasten und das Teilen in Brüche erzeugt wurde. Jede der Speicherzellen ist mit drei aus Feldeffekttransistoren gebildeten Schaltern 42, 44, 46 und 48, 52, 54 usw. bis 56, 58, 60 verbunden. Alle Speicherzellen 4O-1 bis 40-k sind in gleicher Weise angeschlossen, z.B. die Speicherzelle 40-1 mit der "+1"-Leitung durch den Schalter 42, mit der "-1"-Leitung durch den Schalter 44 und mit der "O"-Leitung (falls diese verwendet wird) durch den Schalter 46. Die Schalter werden gesteuert durch die logische Steuerung 62.

Auf diese Weise kann das Eingangssignal ν., das bereits zeitlich k-mal abgetastet worden ist und jedesmal in 2ⁿ Brüche geteilt worden ist, mit Hilfe der Register ent-

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sprechend der Darstellung in Fig. 3 selektiv mit einer Gewichtung "+1", "-1" oder "0" versehen werden, und die Resultate können auf den Ausgangsleitungen kombiniert werden, um ein Ergebnis entsprechend dem Ausdruck (3) herzustellen. Es sind keine genauen Gewichtungen erforderlich. Die logische Steuerung 6 2 kann durch ein Programm gesteuert werden, so daß die Filtereigenschaften geändert oder angepaßt werden können,η lediglich, in dem verschiedene Instruktionen in die logische Steuerung 62 eingegeben werden.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE

Transfersales Filter mit Ladungsübertragungsschaltungen, bei dem von einem analogen Eingangssignal abgetastete Werte als Ladungsträgerpakete eine Kette von Verzögerungsleitungen durchlaufen, und bei dem mit Abgriffen zwischen den Kettengliedern verbundene Schaltungen vorgesehen sind, die den jeweiligen Signalwerten eine Gewichtung zuordnen und zu einem Ausgangssignal kombinieren, das dem durch die FIlter-Ubertragungsfunktion modifizierten Eingangssignal entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß dLe Schaltungen gebildet sind durch eine Teilerschaltung (10), die für jeden einzelnen der abgetasteten Ic Signalwerte eine Folge von Ladungsträgerpaketen mit abnehmenden Bruchteilen der Ladung bildet, durch eine Speicherschaltung (30, 32) in welcher die jeweils gleichen Bruchteile aller abgetasteten Signalwerte getrennt gespeichert und einer positiven oder negativen Gewichtung zugeordnet werden, und aus einer Summierschaltung (34, 36, 38), in welcher jeweils die gleiche Gewichtung enthaltenden Ladungsträgerpakete zusammengefaßt und kombiniert v/erden.

Transfersales Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilerschaltung (10) über Schalter (12, 14, 16) ansteuerbare Kondensatoren (20, 22) zur Ladungsverteilung enthält, die unter dem Einfluß von Phasensignalen (ψ) aus k abgetasteten Werten eines Eingangssignals jeweils eine Folge von η elektrischen Ladungsträgerpaketen mit abnehmenden Bruchteilwerten des Signals bilden.

Transfersales Filter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus den, den abgetasteten Signalwerten entsprechenden Ladungsträgerpaketen (¹Jl - Qk) in der Teiier3chaltung Folgen mit jeweil:; der HüLfte

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der vorangehenden Ladung (Q1/2, Q1/4, ..., Q1/2ⁿ bis Qk/2, ..., Qk/2ⁿ) gebildet werden.

Transfersales Filter nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherschaltung ein Register (30) mit η Speicherzellen zur Speicherung von jeweils einer Folge von Ladungsträgerpaketen (Q1/2, ..., Ui/2ⁿ bis Qk/2, ..., Qk/2ⁿ) sowie eine Anzahl von n, von den einzelnen Speicherzellen ansteuerbaren Registern (32-1 bis 32-n) mit jeweils k Speicherzellen zur Speicherung der jeweils gleichen Bruchteile der aus den Eingangssignalen gebildeten Ladungs trätjerpaketen aufweist.

Transfersales Filter nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Speicherzellen der η Register (32-1 bis 32-n) über steuerbare Schalter (z.B. 42, 44, 46) mit Sammelleitungen verbindbar sind, die der jeweiligen Gewichtung zugeordnet sind.

Transfersales Filter nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die die Gewichtung "+1", ¹¹O", "-1" der Registerzellen (4Ο-1 bis 4O-k) bestimmenden Schalter (z.B. 42, 44, 46) durch einen programmierbaren Computer (62) steuerbar sind.

Transfersales Filter nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die den Gewichtungen "+1" und "-1" zugeordneten Sammelleitungen den Eingangen eLnes Differenzverstärkers (38) über steuerbare Schalter (M, 36) zuführbar sind.

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