DE2737530C2 - Filterschaltung für hochfrequente elektrische Nachrichtensignale - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Filterschaltung für hochfrequente elektrische Nachrichtensignale, die durch Frequenz- bzw. Winkelmodulation eines Basisbandsignals mit Unterträgern entstanden sind, wobei die Filterschaltang die Übertragungsfunktion H(Q hat.

Bekanntlich sind Übertragungssysteme mit Winkelmodulation (Frequenzmodulation) unempfindlich gegen Jiichtlineare Verzerrungen in der HF-Strecke (RF-Strecke). Dagegen können lineare Bauelemente mit linearen Verzerrungen in der HF-Strecke im Basisband nichtlineare Verzerrungen hervorrufen, wodurch die Übertragungsqualität entscheidend verschlechtert werden kapjL Lineare Verzerrungen können in Form einer Übertragungsfunktion H(Q als Amplituden- und Laufzeitgang angegeben werden.

Eine andere Möglichkeit zur Charakterisierung der linearen HF-Verzerrungen ist die Angabe ihrer Auswirkungen im Basisband in Form von differentieller Phase und differemieMem Gewinn. Diese beiden meßbaren Größen spielen insbesondere bei Übertragungssystemen eine Rolle, bei denen im Basisband einer oder mehrere Unterträger übertragen werden. Zum Beispiel sind differentielle Phase und differentieller Gewinn repräsentative Maßstäbe für die Übertragungsqualität eines geschlossen frequenzmodulierten Farbfernsehbildes mit einem oder mehreren Tonunterträgern. Einzelheiten hierüber finden sich noch in den Literaturstellen »AEÜ 27« (1973), Seiten 98 bis 100 und Seiten 406 bis 407.

Wenn die Filter in der dort angegebenen Art bemessen werden, dann zeigen sich im praktischen Betrieb folgende Schwierigkeiten.

Bei großen Werten für differentielle Phase (>20°) und differentiellen Gewinn (>20%) moduliert das Luminanzsignal den Farbträger derart, daß ein Graukeil nach der Übertragungsstrecke bunt gestreift erscheint Darüber hinaus tritt im Tonkanal durch differentielle Phase und Amplitude das Luminanzsignal als Störsignal auf.

Der Erfindung zugrunde liegende Untersuchungen haben folgendes gezeigt Lineare Verzerrungen in der

ίο HF-Strecke werden hauptsächlich durch Amplituden- und Laufzeitgang von Filtern verursacht, die in Übertragungssystemen zur Kanalselektion notwendig sind. Hierbei bestimmen vorgegebene Werte für Nachbarkanalunterdrückung und Schranken für die differentiellen Verzerrungen den Filteraufwand. Bei der heute üblichen Auslegung der Übertragungsstrecke ist das Filter von einem der bekannten Typen, z. B. ein Filter mit Tschebyscheff-Verhalten. Diese Filter sind zwar optimal bezüglich ihrer Verzerrunger im Durch-

laßband, nicht aber bei einer Übertragung von frcqaenz- bzw. winkelmodulierten Signalen bezüglich differentieller Verzerrungen im Basisband.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Filterschaltungen für die Übertragung frequenz- bzw. winkelmodulierter Nachrichtensignale anzugeben, mit denen bei gleichen Verzerrungen ein steilerer Dämpfungsanstieg erreicht werden kann oder die bei gleichem Sperrdämpfungsanstieg eine geringere Anzahl von Schaltelementen eifordern als bekannte Filter entsprechender Bauart.

Diese Aufgabe wird, ausgehend von den einleitend genannten Filtern, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Übertragungsfunktion H(Q derart gewählt ist, daß die Schwankungsbreite des differentiellen Gewinns und/oder der differentielien Phase bei vorgegebener Außenbanddämpfung ein Minimum wird.

Solche Filter sind also direkt für minimale differentielle Verzerrungen irn Videoband optimiert und es kann deshalb bei gleichem Aufwand eine wesentlich verbesserte TV-Übertragung erzielt werden.

Nachstehend wird die Erfindung noch näher erläutert Unter Verwendung der eingangs genannten Literaturstellen beschreiben Gleichung (1) und Gleichung (2) in quasistationärer Näherung den Zusammenhang zwi-

« sehen differentieller Phase δΦ und differentieilem Gewinn δ und der Übertragungsfunktion H(f) des Filters.

6-j

Wo)

Hierin bedeuten k_p den AM-PM-Konve^rsionskoeffizienten eines dem Filter nachgeschalteten nichtlinearen Vierpols, z. B. einer Wanderfeldröhre, f_a die momentane durch das Basisbandsummensignal hervorgerufene Frequenzablage und /j die Spaltfrequenz, beispielsweise die Frequenz eines Unterträgers. H(Q ist die Übertragüiigsfüiiküoii dc5 FAiSTS, definiert ab QSQUSBt äsi komplexen Ausgangsspannung zur halben Generatorspannung im angepaßten Betrieb. H*(Q stellt den konjugiert komplexen Wert zu H(QaZT.

Im Gegensatz zur bisher üblichen Filterdimensionierung wird nun die Übertragungsfunktion H(Q in Gleichung (1) und Gleichung (2) derart gewählt, daß eine der Schwankungsbreiten oder beide Schwankungsbreiten der differentiellen Verzerrungen δ und δΦ bei vorgegebener Außerbanddämpfung ein Minimum annehmen. Dies kann auf die verschiedensten Weisen gelöst werden. So ist es beispielsweise möglich, für die differentiellen Verzerrungen einen tschebyscheffpolynomariigen Verlauf über der Frequenzablage f_a anzusetzen und ein Hurwitzpolynom im Nenner der Übertragungsfunktion H(Q, dessen Koeffizienten mit der Methode des Koeffizientenvergleichs in beliebig hoher Näherung je nach Rechenaufwand bestimmt werden können.
Für den speziellen Fall, daß lediglich der differentielle

Gewinn optimiert werden soll, lassen sich für den sog. äquivalenten Tiefpaß des Grades π in erster Näherung die Koeffizienten a_r des Betragquadrates der Übertragungsfunktion H(f)sas folgender Gleichung ermitteln:

(3)

μ -2(21

wobei U die Koeffizienten des Tschebyscheff-Polynoms ro (2n-i-2)ter Ordnung sind und y=2t'JAf₅₅- Der Frequenzhub Spitze-Spitze Af_ss und die Spaltfrequenz f_s lassen sich frei vorgeben.

Prinzipiell läßt sich die Optimierung der Gleichungen (1) mit (2) auch rein numerisch mit Hilfe eines Digitalrechners durchführen.

Die Methode der Optimierung auf minimale differentielle Verzerrungen ist nicht an bestimmte Schaltungsstrukturen gebunden. Vielmehr bedingt die gewünschte Schaltungsstruktur die Form für den Ansatz für die Übertragungsfunktion H(J), nach der sich dann in an sich bekannter Weise auch die Schaltelementewerte für das Filter ermitteln lassen. Beispielsweise kann nach dem Buch von G. Pfitzenmaier (Tabellenbuch Tiefpässe« (Siemens-AG, Berlin und München, 1971) die vorstehend genannte äquivalente Tiefpaßschaltung auf Grund der gestellten Anforderungen ermittelt und daraus durch eine der dort ebenfalls angegebenen Frequenztransformationen eine geeignete Bandpaßschaltung ermittelt werden.

Zur Verdeutlichung des erzielbaren Gewinns wurde für ein FM-Farbfernsehübertragungssystem (mit Emphase) die Außerbanddämpfung bei vorgegebener Schwankungsbreite des differentiellen Gewinns für den Farbhilfsträger ermittelt Die Ergebnisse sind für Tsehebyscheff Filter und für nach den vorstehenden Erläuterungen optimierte Filter in der nachfolgenden Tabelle einander gegenübergestellt

Kreiszahl
2

Außerbanddämpfung	22,7	32,1	44,5
Tsehebyscheff
Außerbanddämpfung	22,7	51,7	>80
differentieller Gewinn
optimiert

76 dB
- dB

Die vorstehende Tabelle zeigt einen Vergleich von Tschebyscheff-Batiipässen mit solchen, die bezüglich des differentiellen Gewinns des Farbhilfsträgers optimiert sind. Der differentielle Gewinn '-eträgt bei allen Filtern 1% für den Farbhilfsträger. Dabei müssen die Bandpässe folgende Anforderunge« erfüllen: Bandbreite 27 MHz, Außerbanddämpfung bei 46,5 MHz von Kanalmittel, Emphase nach CCIR Rec. 405-1. Spitzenhub bei 15,6 kHz, 4,36 MHz bei einem Videosignal von IV.

Geht man von Filtern gleicher Außerbanddämpfung aus, so zeigt sich, daß ein optimiertes vierkreisiges Filter einen noch um den Faktor 3,1 geringeren differentiellen Gewinn hat als ein sechskreisiges Tschebyscheff-Filter.

Mit den vorstehend beschriebenen Filterschaltungen gelingt eine verzerrungsarme winkel- bzw. frequenzmodulierte Übertragung von Basisbandsignalen mit Unterträgem bei gleichzeitiger hoher Kanalsektion. Diese Filter werden nicht wie bisher üblich, für minimale Verzerrungen im Durchlaßband dimensioniert, sondern direkt für minimale differentielle Verzerrungen im Basisband. Dadurch entsteht ein Filtertyp, der beispielsweise die in der vorstehenden Tabelle angegebenen Anforderungen mit verminderter Kreiszahl erfüllt Es entsteht so ein Filtertyp für frequenzmodulierte Übertragungssysteme, der bei hoher Außerbanddämpfung im RF-Kanal gleichzeitig minimale differentielle Amplitudenverzerrungen von Unterträgern im Basisband aufweist Für den äquivalenten Tieipaß läßt sich in quasistationärer Näherung die optimale übertragungsfunktion zunächst analytisch ermitteln. Auf Grund der angegebenen Bemessung können dann die Koeffizien-

ten der Übertragungsfunktion H(Q bestimmt werden. Der Vergleich mit konventionellen Filtertypen zeigt daß bei gleichem Bauelementeaufwand eine erhebliche Verminderung der differentiellen Amplitudenverzerrungen möglich ist, beispielsweise für den Färb- bzw.

so Tonunterträger eines TV-Signals.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Fflterschaltung für hochfrequente elektrische Nachrichtensignale, die durch Frequenz- bzw. Winkelmodulation eines Basisbandsignals mit Unterträgern entstanden sind, wobei die Fflterschaltung die Übertragungsfunktion Hj[Q hat, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsfunktion H(Q derart gewählt ist, daß die Schwankungsbreite des differentiellen Gewinnes (ö) und/oder der differentiellen Phase (δΦ) bei vorgegebener Außerbanddämpfung ein Minimum wird.