DE2812948A1

DE2812948A1 - Filteranordnung

Info

Publication number: DE2812948A1
Application number: DE19782812948
Authority: DE
Inventors: David L Hershberger
Original assignee: Harris Corp
Current assignee: Harris Corp
Priority date: 1977-03-25
Filing date: 1978-03-23
Publication date: 1978-10-05
Also published as: JPS6150408B2; DE2812948C2; NL7803062A; NL183619B; FR2385260B1; JPS53118954A; FR2385260A1; NL183619C; US4134074A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Filtersystem und insbesondere auf ein Schema zur Tiefpaßfilterung eines amplitudenbegrenzten Signals ohne Überschreiten der vorbestimmten Amplitudengrenzen. Das System wird speziell anhand von FM-Stereo-Rundfunk beschrieben.

In Systemen, die eine Spitzenamplitudenbegrenzung und eine Bandbreitenbegrenzung eines Signals erfordern, ergeben sich Probleme bei der gleichzeitigen Erfüllung dieser Anforderungen aufgrund der Tendenz einer Schaltung, die eine dieser Begrenzungen bewirkt, die andere nachteilig zu beeinflussen. So hat ein Bandbreitenbegrenzungsfilter im allgemeinen die Tendenz, Spitzenamplitudenüberschreitungen zu verursachen, während ein Spitzenamplitudenbegrenzungskreis die Tendenz hat, Fehlersignale zu erzeugen, die im allgemeinen außerhalb der Bandbreitengrenzen liegen. Deshalb geht unabhängig davon, welchen Grenzen das Signal zunächst unterworfen wird, bei der Schaffung der zweiten Grenze die erste verloren.

Dies ist insbesondere beim FM-Stereo-Rundfunk kritisch, wo Vorschriften hinsichtlich der Bandbreiten- und Modulationsgrenzen des zu sendenden Signals existieren. Diese Anforderungen wurden bisher im allgemeinen durch Verringerung des Amplitudenpegels des Modulationssignals bis zu einem Wert erfüllt, bei dem Überschreitungen durch nachfolgende Bandbegrenzungsfilter keine Übermodulation des Sundfunksignals verursachen. Dies kann eine ziemlich große Verringerung der Modulationswirksamkeit üblicherweise in der Größenordnung von 2,5 bis 6 db bedeuten.

Es ist daher erwünscht, ein System zur Frequenzfilterung eines amplitudenbegrenzten Audiosignals in der Art zu schaffen, daß der mittlere Modulationspegel nicht

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verringert werden muß, um ein Überschwingen zu vermeiden. Ein optimales System zur Durchführung dieser Funktion muß einen flachen Frequenzgang im Durchlaßbereich des Filters bei allen Amplituden bis zu einer Modulation von 100 % haben, muß eine hohe Dämpfung von Frequenzen außerhalb des Durchlaßbereiches haben, muß die Übermodulation infolge von Filterüberschwingungen bis zu einem beträchtlichen Pegel verringern, darf die Qualität des verarbeiteten Signals nicht verschlechtern und darf nur einen unbedeutenden Gesamtklirrfaktor und eine unbedeutende Intermodulationsverzerrung bei jedem Modulationspegel der 100 %-Modulation haben.

Die Erfindung schafft eine neue Filtertechnik, die eine Übermodulation infolge einer Amplitudenüberschreitung bzw. einer Amplitudenüberschwingung beseitigt, während alle obigen Anforderungen erfüllt werden.

Durch die Erfindung wird eine Vorrichtung zur Filterung eines amplitudenbegrenzten Signals geschaffen, bestehend aus einem ersten Filter, das auf das amplitudenbegrenzte Signal anspricht, um ein gefiltertes Signal zu erzeugen, das eine Amplitudenüberschwingungskomponente infolge der Filterung aufweisen kann, sowie einen Überschwingungskompensator, der auf das gefilterte Signal anspricht und das Signal modifiziert, um ein modifiziertes gefiltertes Signal zu erzeugen, das, wenn es zum zweiten Mal gefiltert wird, ein frequenzbegrenztes Signal ergibt, das bestimmte Amplitudengrenzen nicht überschreitet.

Der Überschwingungskompensator ist von besonderer Art und hat einen Schwellwertbegrenzer, der auf das ge-

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filterte Signal anspricht, um die Überschwingungskomponente von dem gefilterten Signal zu trennen. Einrichtungen sind vorgesehen, um die Amplitude der Überschwingungskomponente zu erhöhen, die von dem gefilterten Signal getrennt wurde, und um diese verstärkte Komponente von dem gefilterten Signal zu subtrahieren, um das modifizierte Signal zu erzeugen.

Zusammenfassend wird somit ein Filtersystem für ein FM-Modulationssystem geschaffen. Das Filtersystem bewirkt eine Frequenzbegrenzung eines Eingangssignals und überschreitet dessen Amplitudengrenzen nicht. Das Filtersystem hat ein erstes Filter und ein zweites Filter, die durch einen Überschwingungskompensator getrennt sind. Der Kompensator modifiziert das Ausgangssignal des ersten Filters derart, daß, wenn das modifizierte Signal von dem zweiten Filter getrennt wird, ein Ausgangssignal geschaffen wird, das eine ausgewählte Amplitude nicht überschreitet. Der Überschwingungskompensator hat einen Schwellwertbegrenzer, der jede Überschwingungskomponente abtrennt, die von dem ersten Filter erzeugt wird, einen Verstärker, der die Überschwingungskomponente verstärkt, und einen Subtrahierkreis, der die verstärkte Überschwingungskomponente vom Ausgangssignal des ersten Filters subtrahiert, um das modifizierte Signal zu erzeugen. Das zweite Filter hat eine konstante Verzögerungszeit für alle Frequenzen innerhalb des Durchlaßbereiches des Filtersystems.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren 1 bis 3 beispielsweise erläutert. Es zeigt:

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Figur 1 ein Blockschaltbild eines FM-Stereo-Rundfunksystems, auf das die Erfindung zweckmäßig anwendbar ist,

Figur 2 ein Blockschaltbild eines dynamischen Filters mit Einschwingverhalten gemäß der Erfindung,

Figur 3 den Verlauf von Signalen des Filters der Figur 2 für verschiedene Eingangszustände, und

Figur 4 ein Blockschaltbild des Filters der Figur 2 mit weiteren Komponenten, um ein Überschwingen noch weitgehender zu verringern.

Figur 1 zeigt ein FM-Stereo-Eundfunksystem üblicher Form. Solch ein System hat eine linke und rechte Audiosignalquelle 12 und 14. Die Signale, die von diesen Audiosignalquellen erzeugt werden, werden jeweils zu Begrenzern 16 und 18 übertragen, die die Amplitude der Audiosignale auf einen bestimmten Pegel begrenzen, um die Modulation entsprechend den bestehenden Vorschriften zu begrenzen. Das Ausgangssignal der Filter 16 und 18 kann verschiedene HF-Komponenten infolge der Begrenzungswirkung der Filter enthalten. Diese Signale werden dann jeweils zu Filtern 20 und 22 übertragen, die jede Signalkomponente über 15 kHz entfernen, um wiederum die bestehenden Vorschriften zu erfüllen. Ein Stereo-Modulator 24 ist vorgesehen, um die Signale einem Frequenzmultiplexvorgang zu unterwerfen und ein Signalgemisch zu erzeugen. Dieses Signalgemisch wird dann zu einem FM-Modulator 26 zur FM-Modulation eines Trägersignals übertragen.

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Wenn die Filter 20 und 22 üblicher Art sind, überschreitet die Amplitude der Signale in bestimmten Fällen die Amplitudengrenzen der Begrenzer 16 und 18, selbst wenn das Eingangssignal der Filter genau amplitudenbegrenzt ist. Dieses Aaplitudenüberschwingen kann zwei Gründe haben. Die Filter 20 und 22 bewirken im allgemeinen unterschiedliche Zeitverzögerungen für Signale unterschiedlicher Frequenz. Wenn sie zum Beispiel elliptische Filter sind, dann erfahren die höheren Frequenzen im allgemeinen eine größere Zeitverzögerung beim Durchgang durch die Filter als die Signale niedrigerer Frequenz. Die Filter ändern daher die relative Phase zwischen den verschiedenen Frequenzkomponenten der Signale. Dies kann bewirken, daß das Ausgangssignal eine größere Amplitude als das von dem Begrenzer 16 und 18 gelieferte Signal hat.

Betrachtet man zum Beispiel den Fall eines Rechtecksignals, so fallen nur die Grundwelle und die dritten Harmonischen in den Durchlaßbereich der Filter. Die erste Harmonische des Rechtecksignals, die eine niedrigere Frequenz hat, erfährt im allgemeinen eine kürzere Zeitverzögerung als die dritte Harmonische. Obwohl somit die Spitzenamplituden der ersten und dritten Harmonischen am Eingang des Filters zeitlich getrennt sind, können sie am Filterausgang zusammenfallen. Wenn dies eintritt, vereinigen sich die Spitzenamplituden der ersten und dritten Harmonischen des Rechtecksignals am Ausgang des Filters additiv und erzeugen ein Signal mit einer Amplitude, die die Amplitudengrenzen der Begrenzer 16 und 18 überschreitet.

Der zweite Grund für das Überschwingen von Signalen liegt in der Abflachung des Frequenzspektrums des Eingangssignals. Die erste Harmonische eines Rechtecksignals hat eine Amplitude, die etwa 27 % größer als die

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Amplitude des Rechtecksignals ist, von dem sie eine Komponente bildet. Die höheren Harmonischen modifizieren die Grundwelle (d.h. die erste Harmonische) und erzeugen ein Signalgemisch mit der Form eines Rechtecksignals. Wenn das Rechteckeingangssignal des Filters eine solche Frequenz hat, daß die Grundwelle allein in den Durchlaßbereich des Filters fällt, dann erscheint diese Grundwelle am Ausgang ungeändert durch diese Komponenten höherer Frequenz. Ein Sinussignal mit einer Amplitude, die 27 % größer als die Amplitude des Eingangsrechtecksignals ist, erscheint dann am Ausgang des Filters. Rechtecksignale dieser Art können jedoch häufig entweder von den Signalquellen selbst oder durch die Begrenzungswirkung der Begrenzer 16 und 18 erzeugt werden.

Wie zuvor erwähnt wurde, wurde das Problem des Filterübe rschwingens beim Stand der Technik allgemein durch Reduzierung der Audiopegel auf einen Wert begrenzt, bei dem Überschwingungen "häufigen Wiederauftretens" die 100 %-Modulation nicht überschreiten. Durch die Erfindung wird ein dynamisches Filter geschaffen, das die Filterung der amplitudenbegrenzten Signale derart erreicht, daß ein Überschwingen im wesentlichen vermieden wird.

Figur 2 zeigt ein erfindungsgemäßes dynamisches Filter mit Einschwingverhalten. Ein Filter dieser Form ist vorzugsweise in jedem Audiokanal anstelle der üblichen Filter 20 und 22 vorgesehen. Das dynamische Filter 30 hat ein Filter 32, das üblichen Aufbau haben kann und zum Beispiel ein elliptisches Filter siebter Ordnung mit einer Grenzfrequenz von 15 kHz ist. Bei diesem Filter tritt gelegentlich ein Überschwingen infolge der

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zuvor anhand der bekannten Filter 20 und 22 beschriebenen Gründe auf.

Gemäß der Erfindung sind zusätzlich ein Kompensator 34- und ein Filter 36 mit konstanter Zeitverzögerung vorgesehen. Da der Durchlaßbereich des Filters 36 im wesentlichen gleich dem des Filters 32 ist, und da das Filter 36 für alle Frequenzen in dem Durchlaßbereich des Filters 32 eine konstante Zeitverzögerung hat, kann das erste Filter als das Ausgangssignal des zweiten Filters vorbestimmend angesehen werden. Dies bedeutet, daß, wenn das erste Filter überschwingt, das zweite Filter ebenfalls überschwingt, während, wenn das erste Filter nicht überschwingt, auch das zweite Filter nicht überschwingt. Der Kompensator 34-ist somit vorgesehen, um ein Überschwingen des Filters 36 auf der Grundlage des Überschwingens des Filters 32 vorwegzunehmen und das Signal derart zu ändern, daß ein Überschwingen nicht auftritt. Dieser Kompensator wirkt nur, wenn das erste Filter überschwingt, und ist sonst passiv und hat keinen Einfluß auf das Signal.

Der Kompensator 34- hat einen Schwellwertbegrenzer 38, der die Amplitude des vom Filter 32 zugeführten Signals mit einer bestimmten Amplitudengrenze vergleicht, die durch ein Potentiometer 4-0 festgelegt wird. Dieser Schwellwertbegrenzer 38 liefert ein Ausgangssignal entsprechend dem Teil des vom Filter 32 zugeführten Signals, der die Amplitudengrenzen überschreitet, die durch das Potentiometer 40 eingestellt sind. Das Ausgangssignal des Schwellwertbegrenzers 38 bleibt daher auf dem Pegel Full, wenn das Ausgangssignal des Filters 32 diese Anplitudengrenze nicht überschreitet. Die Schwellwertbegrenzung wird vorzugsweise so berech-

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net, daß sie der Amplitudenbegrenzung entspricht, die in den Begrenzern 16 und 18 eingestellt ist. Auf diese Weise trennt der Schwellwertbegrenzer die Überschwingungskomponente vom Ausgangssignal des Filters 32. Wenn ein Überschwingen auftritt, spricht das Ausgangssignal des Schwellwertbegrenzers 38 linear nur auf den Überschwingungsanteil eines Signals an, d.h., den Teil des Signals, der den Begrenzungsschwellwert überschreitet, der von dem Potentiometer 40 bestimmt wird. Der Begrenzer 38 spricht auf keinen anderen Teil des Signals an.

Das Ausgangssignal des Schwellwertbegrenzers 38 wird zu einem Verstärker 42 geleitet, der dazu dient, die Amplitude der Überschwingungskomponenten, die von dem Schwellwertbegrenzer 38 abgetrennt werden, um einen festen Betrag zu erhöhen. Für einen optimalen Betrieb sollte der Verstärker 40 vorzugsweise eine Verstärkung von etwa 1,85 haben. Die verstärkten Überschwingungskomponenten des Verstärkers 40 werden einem Subtrahierkreis 42 zugeführt, der das Ausgangssignal des Filters 32 mit den verstärkten Überschwingungskomponenten des Verstärkers 40 subtraktiv kombiniert. Dieser Vorgang dient dazu, das Ausgangssignal des Filters 32 mit einer Komponente zu versehen, die mit der Überschwingungskomponente, die sonst an Ausgang des Filters 36 erscheinen würde, kombiniert wird und diese im wesentlichen unterdrückt. Wenn daher das modifizierte Signal vom Filter 36 gefiltert wird, ist dessen Ausgangssignal ebenfalls modifiziert, so daß im wesentlichen kein Überschwingen auftritt.

Das Filter 36 mit konstanter Verzögerungszeit kann zweckmäßigerweise zwei Komponenten haben, ein Filter 42 üblichen Aufbaus und ein Allpaßfilter 44, das alle

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Frequenzen ohne Dämpfung durchläßt, jedoch eine Phasenverzögerung bewirkt, die die durch das übliche Filter 42 hervorgerufene Phasenverzögerung kompensiert. Das Filter 42 kann ähnlich dem Filter 32 ein elliptisches Filter siebter Ordnung sein. Die Phasenkennlinien von Filtern dieser Art können nahe der Grenzfrequenz extrem nicht linear sein. XJm daher den Aufbau des Allpaßfilters bzw. Phasenentzerrers 44 zu vereinfachen, ist der Durchlaßbereich des Filters von 15 auf 17»5 kHz erweitert, so daß sich der lineare Phasenteil des Filters 42 durch den Durchlaßbereich des Filters 32 erstreckt. Bei diesem Aufbau stellt die Kombination des Allpaßfilters 44 und des Tiefpaßfilters 42 eine Annäherung an eine konstante Zeitverzögerung (z.B. 100 MikroSekunden) zwischen Gleichspannung und 15 kHz dar.

Die Arbeitsweise dieser Schaltung ist aus Figur 3 ersichtlich, in der Signale an verschiedenen Stellen des dynamischen Filters für drei Eingangssignale I, II und III gezeigt sind. Im Falle I ist ein Eingangssignal mit im wesentlichen sinusförmigem Verlauf vorgesehen, das in den Durchlaßbereich des Filters 32 fällt. Die Amplitude dieses Signals ist im wesentlichen auf dem 100 %-Modulationspegel, so daß kein Überschwingen toleriert werden kann. Da die Frequenz dieses Signals im Durchlaßbereich des Filters 32 liegt und das Signal keine höheren Harmonischen enthält, entspricht das Ausgangssignal des Filters 32 exakt dem Eingangssignal. Da keine Überschwingungskomponente erzeugt wird, bleibt das Ausgangssignal des Schwellwertbegrenzers 38 auf dem Spannungspegel Null. Es wird deshalb vom Subtrahierkreis 42 kein Signal vom Ausgangssignal des Filters 32 subtrahiert, so daß das Ausgangssignal des Subtrahierkreises 42 exakt dem Eingangssignal ent-

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spricht, das Figur 3s-I zeigt. Da dieses Signal auch im Durchlaßbereich des Filters 36 liegt, wird keine Änderung dieses Signals durch dieses Filter bewirkt, und das Ausgangssignal, das Figur 3e-I zeigt, entspricht genau dem Eingangssignal in Figur 3a.

Im Falle II ist ein Rechtecksignal mit einer 100 %-Modulationsamplitude und einer Frequenz im Durchlaßbereich des Filters 32 vorgesehen. Dieses Signal hat solch eine Frequenz, daß nur die Grundwellenkomponente des Rechtecksignals in den Durchlaßbereich des Filters 32 fällt. Das Ausgangssignal des Filters 32 (Figur 3b-II) entspricht somit nur dieser Grundxellenkomponente des Rechtecksignals und schwingt um etwa 27,8 % über. Der Schwellwertbegrenzer 38 spricht nicht linear auf dieses Ausgangssignal an und erzeugt ein Signal (Figur 3c-II), das nur dem Uberschwingungsanteil des Ausgangssignals des Filters 32 entspricht. Dieses Signal wird, verstärkt durch den Verstärker 40, vom Ausgangssignal des Filters 32 subtrahiert, um ein modifiziertes Signal zu erzeugen, das Figur 3d-II zeigt. Dieses modifizierte Signal entspricht, wenn es vom zweiten Filter 36 weiter gefiltert wird, dem Signal der Figur 3e-II. Dieses Signal überschreitet den 100 %-Modulationspegel nicht.

Im Falle III ist ein Rechtecksignal mit einer weit niedrigeren Frequenz gezeigt. Wenn dieses Signal zum Filter 32 geleitet wird, hat das Ausgangssignal (das Figur 3b-III zeigt) eine erhebliche Komponente in Form einer gedämpften Schwingung. Da die Spitzen dieser Schwingungskomponente den 100 %-Modulationspegel überschreiten, ergeben sich Ausgangssignale des Schwellwertbegrenzers 38, die Figur 3c-III zeigt. Nach Sub-

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traktion durch den Subtrahierkreis 42 vom Ausgangssignal des Filters 32 wird das in Figur 3d-III gezeigte Signal erzeugt, das schließlich vom Filter 36 gefiltert wird und das Signal der Figur 3e-III ergibt, das nicht überschwingt.

Figur 4 zeigt eine weiter verbesserte Ausführungsform des dynamischen Filters 30, das auch einen Momentanbegrenzer 50 und ein Einpol-Tiefpaßfilter 52 aufweisen kann. Der Begrenzer 50 und das Tiefpaßfilter 52 sind vorgesehen, da das dynamische Filter der Figur 2 gelegentlich um einige Prozent überschwingt. Durch den Einbau des Begrenzers 50 und des Tiefpaßfilters 52 jedoch wird ein kombiniertes Filtersystem geschaffen, das nicht überschwingt.

Das beschriebene Filtersystem hat einen flachen Frequenzgang in einem ausgewählten Durchlaßbereich bei allen Pegeln bis zu einer 100 %-Modulation und eine hohe Dämpfung von Frequenzen außerhalb des Durchlaßbereiches. Das System verringert Überschwingungskomponenten auf einen unwesentlichen Pegel, so daß dadurch eine Übermodulation vermieden wird, und hat einen sehr niedrigen Gesamtklirrfaktor und eine sehr niedrige Intermodulationsverzerrung.

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HARRIS CORPORATION
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Patentansprüche

M.IVorrichtung zur Frequessbegrenzung eines amplitudenbegrenzten Signals ohae Überschreitung bestimmter Amplitudengrenzen, gekennzeichnet durch eine erste Filtereinrichtung (32), die auf das amplitudenbegrenste Signal anspricht, um ein frequenzbegrenztes Signal mit einer Amplitude zu erzeugen, die die Amplitudeagrenzen überschreiten kann, einen Kompensator (34)? der auf die Amplitudenüberschreitung des frequsBzbegreszten Signals anspricht, um das frequeszbegreazte Signal derart zu ändern, daß ein Übersctoiagea einer nachfolgenden Filtereinrichtung im wesentliches vermieden wird, die auf das geänderte Signal anspricht, und eine zweite Filtereinrichtung (36), die auf das geänderte Signal zur Frequenzbegrenzung dieses Signals

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anspricht, um ein frequenzbegrenztes Signal mit einer Amplitude zu erzeugen, die die bestimmten Amplitudengrenzen im wesentlichen nicht überschreitet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichn'et, daß der Kompensator (34) einen Schwellwertbegrenzer (38) aufweist, der auf das frequenzbegrenzte Signal anspricht, das eine Amplitude hat, die die Amplitudengrenzen überschreiten kann, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das nur auf den Teil des frequenzbegrenzten Signals anspricht, der die Amplitudengrenzen überschreitet, einen Verstärker (40) zur Erhöhung der Verstärkung des Ausgangssignals, um ein verstärktes Ausgangssignal zu erzeugen, und einen Signalsubtrahierkreis (4-2), um das verstärkte Ausgangs sign al von dem frequenzbegrenzten Signal zu subtrahieren, das eine Amplitude hat, die die Amplitudengrenzen überschreiten kann, um dadurch das geänderte Signal zu erzeugen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Filtereinrichtung (36) aus einem Filter mit einer konstanten Zeitverzögerung für alle Frequenzen in dem Durchlaßbereich der ersten Filtereinrichtung (32) aufweist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Filtereinrichtung (36), die eine konstante Zeitverzögerung hat, aus einem elliptischen Filter (42) besteht, das eine Zeitverzögerung hat, die bezüglich der Frequenz für alle Frequenzen im Durchlaßbereich der ersten Filtereinrichtung (32) im wesentlichen linear in Beziehung steht, und aus einem Phasenentzerrer (44),

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der eine Zeitverzögerungskennlinie hat, die so ausgebildet ist, daß die nicht konstante Zeitverzögerungskennlinie des elliptischen Filters (4-2) derart kompensiert wird, daß die kombinierte Zeitverzögerungskennlinie der zweiten FiItereinrichtung (36) für alle Frequenzen im Durchlaßbereich der ersten Filtereinrichtung (32) im wesentlichen konstant ist.
5· Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Momentanbegrenzer (50), der auf das frequenzbegrenzte Signal der zweiten Filtereinrichtung (32) anspricht, um die Amplitude dieses Signals zu begrenzen und dadurch die restliche Amplitudenüberschwingung zu beseitigen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5» gekennzeichnet durch ein Einpol-Tiefpaßfilter (52) zur Filterung des Ausgangssignals des Momentanbegrenzers (

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