DE2812948C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Filteranordnung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In Systemen, die gleichzeitig eine Amplituden- und eine Frequenzbegrenzung eines Signals erfordern, ergeben sich dadurch Schwierigkeiten, daß beide Begrenzungen nicht unabhängig voneinander durchgeführt werden können. So hat ein Breitbandbegrenzungsfilter im allgemeinen die Tendenz, Überschwingungen zu verursachen, während ein Amplitudenbegrenzer die Tendenz hat, Fehlersignale zu erzeugen, die außerhalb des Breitbandbegrenzers liegen. Dies ist insbesondere bei FM-Stereorundfunk kritisch, da hier Vorschriften hinsichtlich der Bandbreiten- und Modulationsgrenzen des Sendesignals bestehen. Es ist bekannt, zur Beseitigung dieser Schwierigkeiten die Amplitude des Modulationssignals auf einen Wert zu verringern, bei dem Überschwingungen durch nachfolgende Bandbegrenzungsfilter keine Übermodulation des Rundfunksignals verursachen. Dies kann zu einer erheblichen Verringerung des Modulations­ wirkungsgrades, üblicherweise in der Größenordnung von 2,5 bis 6 db führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine dynamische Filteranordnung zu schaffen, die bei einem möglichst hohen mittleren Modulationspegel eine gleichzeitige Amplituden- und Frequenzbegrenzung bei möglichst weitgehender Überschwingungsunter­ drückung ermöglicht.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die vorgeschlagene Filteranordnung hat einen flachen Frequenzgang im Durchlaßbereich bei allen Amplituden bis zu einer Modulation von 100 Prozent, eine hohe Dämpfung von Frequenzen außerhalb des Durchlaßbereichs, reduziert eine Übermodulation infolge von Überschwingungen erheblich, hat nur einen geringen Gesamtklirrfaktor sowie eine geringe Intermodulationsverzerrung.

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

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines FM-Stereo-Rundfunk­ systems,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer dynamischen Filteranordnung gemäß der Erfindung,

Fig. 3 den Verlauf von Signalen der Filteranordnung der Fig. 2 für verschiedene Eingangssignale und

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Abwandlung der Filteranordnung der Fig. 2.

Fig. 1 zeigt ein FM-Stereo-Rundfunksystem üblicher Form. Solch ein System hat eine linke und rechte Audiosignal­ quelle 12 und 14. Die Signale, die von diesen Audiosig­ nalquellen erzeugt werden, werden jeweils zu Begrenzern 16 und 18 übertragen, die die Amplitude der Audiosig­ nale auf einen bestimmten Pegel begrenzen, um die Mo­ dulation entsprechend bestehenden Vorschriften zu begrenzen. Die Ausgangssignale der Begrenzer 16 und 18 können infolge der Begrenzungswir­ kung verschiedene HF-Komponenten enthalten. Diese Signale werden dann zu Filtern 20 und 22 übertragen, die jede Sig­ nalkomponente über 15 kHz entfernen, um die bestehenden Vorschriften zu erfüllen. Ein Stereo-Modu­ lator 24 ist vorgesehen, um die Signale einem Frequenz­ multiplexvorgang zu unterwerfen und ein Signalgemisch zu erzeugen. Dieses Signalgemisch wird dann zu einem FM-Modulator 26 zur FM-Modulation eines Trägersignals übertragen.

Wenn die Filter 20 und 22 üblicher Art sind, überschrei­ tet die Amplitude der Signale in bestimmten Fällen die Amplitudengrenzen der Begrenzer 16 und 18, selbst wenn das Eingangssignal der Filter genau amplitudenbegrenzt ist. Dieses Amplitudenüberschwingen kann zwei Gründe haben. Die Filter 20 und 22 bewirken im allgemeinen unterschiedliche Zeitverzögerungen für Signale unter­ schiedlicher Frequenz. Wenn die Filter zum Beispiel ellipti­ sche Filter sind, dann erfahren die höheren Frequenzen im allgemeinen eine größere Zeitverzögerung beim Durch­ gang durch die Filter als die Signale niedrigerer Fre­ quenz. Die Filter ändern daher die relative Phase zwi­ schen 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 Rechteck­ signals, so fallen nur die Grundwelle und die dritte Har­ monische in den Durchlaßbereich der Filter. Die erste Harmonische des Rechtecksignals, die eine niedri­ gere Frequenz hat, erfährt im allgemeinen eine kürzere Zeitverzögerung als die dritte Harmonische. Obwohl so­ mit die Spitzenamplituden der ersten und dritten Har­ monischen 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 Begren­ zer 16 und 18 überschreitet.

Der zweite Grund für das Überschwingen von Signalen liegt in der Abflachung des Frequenzspektrums des Ein­ gangssignals. Die erste Harmonische eines Rechtecksig­ nals hat eine Amplitude, die etwa 27% größer als die Amplitude des Rechtecksignals ist, von dem sie eine Komponente ist. Die höheren Harmonischen modifi­ zieren 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 Grund­ welle allein in den Durchlaßbereich des Filters fällt, dann erscheint diese Grundwelle am Ausgang unverändert durch diese Komponenten höherer Frequenz. Ein Sinus­ signal mit einer Amplitude, die etwa 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 Filter­ überschwingens beim Stand der Technik allgemein durch Reduzierung der Audiopegel auf einen Wert begrenzt, bei dem häufig auftretende Überschwingungen die 100%-Modulation nicht überschreiten. Durch die Erfindung wird eine dynamische Filteranordnung geschaffen, die die Filterung der amplitudenbegrenzten Signale derart erreicht, daß ein Überschwingen im wesentlichen vermie­ den wird.

Fig. 2 zeigt die erfindungsgemäße dynamische Filteranordnung. Eine solche Filteranordnung 30 ist vorzugsweise in jedem Audiokanal anstelle der üblichen Filter 20 und 22 in Fig. 1 vorgesehen. Die dynamische Filteranordnung 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 Fil­ ter tritt gelegentlich ein Überschwingen infolge der zuvor anhand der bekannten Filter 20 und 22 beschrie­ benen Gründe auf.

Zusätzlich zum Filter 32 sind 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 im Durchlaßbe­ reich des Filters 32 eine konstante Zeitverzögerung hat, kann das erste Filter 32 als das Ausgangssignal des zweiten Filters 36 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 vorgesehen, um ein Überschwingen des Filters 36 auf Grund des Überschwingens des Filters 32 zu verhindern. 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 Sig­ nals mit einer bestimmten Amplitudengrenze vergleicht, die durch ein Potentiometer 40 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 Aus­ gangssignal des Schwellwertbegrenzers 38 bleibt daher auf dem Pegel Null, wenn das Ausgangssignal des Fil­ ters 32 diese Amplitudengrenze nicht überschreitet. Die Schwellwertbegrenzung wird vorzugsweise so berech­ net, daß sie der Amplitudenbegrenzung entspricht, die in den Begrenzern 16 und 18 in Fig. 1 eingestellt ist. Auf diese Weise trennt der Schwellwertbegrenzer die Überschwingungskomponente vom Ausgangssignal des Fil­ ters 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 Begrenzungsschwell­ wert überschreitet, der von dem Potentiometer 40 be­ stimmt wird. Der Begrenzer 38 spricht auf keinen an­ deren 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 42 vorzugsweise eine Verstärkung von etwa 1,85 haben. Die verstärkten Überschwingungs­ komponenten des Verstärkers 42 werden einem Subtrahier­ kreis 44 zugeführt, der das Ausgangssignal des Filters 32 mit den verstärkten Überschwingungskomponenten des Verstärkers 42 subtraktiv kombiniert. Dieser Vorgang dient dazu, das Ausgangssignal des Filters 32 mit einer Komponente zu versehen, die die Überschwin­ gungskomponente, die sonst am Ausgang des Filters 36 erscheinen würde, im wesent­ lichen unterdrückt. Wenn daher das modifizierte Signal vom Filter 36 gefiltert wird, ist dessen Ausgangssig­ nal ebenfalls modifiziert, so daß im wesentlichen kein Überschwingen auftritt.

Das Filter 36 kann zwei Komponenten haben, ein Filter 48 üblichen Aufbaus und ein Allpaßfilter 46, das alle Frequenzen ohne Dämpfung durchläßt, jedoch eine Pha­ senverzögerung bewirkt, die die durch das übliche Filter 48 hervorgerufene Phasenverzögerung kompen­ siert. Das Filter 48 kann ähnlich dem Filter 32 ein elliptisches Filter siebter Ordnung sein. Die Phasen­ kennlinien von Filtern dieser Art können nahe der Grenzfrequenz extrem unlinear sein. Um den Aufbau des Allpaßfilters 46 zu vereinfachen, ist der Durchlaßbereich des Filters 48 von 15 auf 17,5 kHz erweitert. Bei diesem Aufbau bewirkt die Kombination des Allpaßfilters 46 und des Tief­ paßfilters 48 an eine konstante Zeit­ verzögerung (z. B. 100 Mikrosekunden) zwischen Gleich­ spannung und 15 kHz dar.

Die Arbeitsweise dieser Schaltung ist aus Fig. 3 ersichtlich, in der Signale an verschiedenen Stellen der dynamischen Filteranordnung für drei Eingangssignale I, II und III gezeigt sind. Im Falle I ist ein Eingangs­ signal mit im wesentlichen sinusförmigem Verlauf vor­ gesehen, das in den Durchlaßbereich des Filters 32 fällt. Die Amplitude dieses Signals ist im wesentlichen auf dem 100%-Modulationspegel, so daß kein Überschwin­ gen toleriert werden kann. Da die Frequenz dieses Sig­ nals im Durchlaßbereich des Filters 32 liegt und das Signal keine höheren Harmonischen enthält, entspricht das Ausgangssignal des Filters 32 exakt dem Eingangs­ signal. Da keine Überschwingungskomponente erzeugt wird, bleibt das Ausgangssignal des Schwellwertbegren­ zers 38 auf dem Spannungspegel Null. Es wird deshalb vom Subtrahierkreis 44 kein Signal vom Ausgangssignal des Filters 32 subtrahiert, so daß das Ausgangssignal des Subtrahierkreises 44 exakt dem Eingangssignal ent­ spricht, das Fig. 3a-I zeigt. Da dieses Signal auch im Durchlaßbereich des Filters 36 liegt, wird keine Ände­ rung dieses Signals durch dieses Filter bewirkt, und das Ausgangssignal, das Fig. 3e-I zeigt, entspricht genau dem Eingangssignal in Fig. 3a.

Im Falle II ist ein Rechtecksignal mit einer 100%- Modulationsamplitude und einer Frequenz im Durchlaß­ bereich des Filters 32 vorgesehen. Dieses Signal hat solch eine Frequenz, daß nur die Grundwellenkompo­ nente des Rechtecksignals in den Durchlaßbereich des Filters 32 fällt. Das Ausgangssignal des Filters 32 (Fig. 3b-II) entspricht somit nur dieser Grundwellen­ komponente des Rechtecksignals und schwingt um etwa 27,8% über. Der Schwellwertbegrenzer 38 spricht nicht linear auf dieses Ausgangssignal an und erzeugt ein Signal (Fig. 3c-II), das nur dem Überschwingungsan­ teil des Ausgangssignals des Filters 32 entspricht. Dieses Signal wird, verstärkt durch den Verstärker 42, vom Ausgangssignal des Filters 32 subtrahiert, um ein modifiziertes Signal zu erzeugen, das Fig. 3d-II zeigt. Dieses modifizierte Signal entspricht, wenn es vom zweiten Filter 36 weiter gefiltert wird, dem Signal der Fig. 3e-II. Dieses Signal überschreitet den 100%- Modulationspegel nicht.

Im Falle III ist ein Rechtecksignal mit weit niedrigerer Frequenz gezeigt. Wenn dieses Signal zum Filter 32 geleitet wird, hat das Ausgangssignal (das Fig. 3b-III zeigt) eine erhebliche Komponente in Form einer gedämpften Schwingung. Da die Spitzen die­ ser Schwingungskomponente den 100%-Modulationspegel überschreiten, ergeben sich Ausgangssignale des Schwell­ wertbegrenzers 38, die Fig. 3c-III zeigt. Nach Sub­ traktion durch den Subtrahierkreis 44 vom Ausgangs­ signal des Filters 32 wird das in Fig. 3d-III ge­ zeigte Signal erzeugt, das schließlich vom Filter 36 gefiltert wird und das Signal der Fig. 3e-III er­ gibt, das nicht überschwingt.

Fig. 4 zeigt eine weiter verbesserte Ausführungs­ form der dynamischen Filteranordnung 30, die auch einen Momentanbegrenzer 50 und ein Einpol-Tiefpaßfilter 52 hat. Der Begrenzer 50 und daß Tiefpaß­ filter 52 sind vorgesehen, da die dynamische Filteranordnung der Fig. 2 gelegentlich um einige Prozent überschwingt. Durch den Einbau des Begrenzers 50 und des Tiefpaß­ filters 52 jedoch wird eine Filteranordnung geschaffen, die nicht überschwingt.

Die beschriebene Filteranordnung hat einen flachen Fre­ quenzgang in einem ausgewählten Durchlaßbereich bei allen Pegeln bis zu einer 100%-Modulation und eine hohe Dämpfung von Frequenzen außerhalb des Durchlaß­ bereiches. Die Anordnung verringert Überschwingungskom­ ponenten auf einen unwesentlichen Pegel, so daß da­ durch eine Übermodulation vermieden wird, und hat einen sehr niedrigen Gesamtklirrfaktor und eine sehr niedrige Intermodulationsverzerrung.

Claims (6)

1. Dynamische Filteranordnung zur Frequenz- und Amplitudenbegrenzung, insbesondere von FM-Stereorund­ funksignalen, gekennzeichnet durch

• a) ein erstes Filter (32), dem ein amplitudenbegrenztes Eingangssignal zugeführt wird und das ein fre­ quenzbegrenztes, ggf. Überschwingungen aufweisendes Ausgangssignal abgibt,
• b) einen Kompensator (34), der auf die Überschwingungen des Ausgangssignals des ersten Filters (32) an­ spricht, und ein überschwingungenfreies Ausgangssignal abgibt, und
• c) ein zweites Filter (36), das auf das Ausgangssignal des Kompensators (34) anspricht und ein frequenz­ begrenztes, überschwingungenfreies Ausgangssignal abgibt.

2. Filteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompensator (34) einen Schwellwertbegrenzer (38), der auf die Überschwingungen des dem Kompensator (34) zugeführten frequenzbegrenzten Eingangssignals anspricht, einen dem Schwellwertbegrenzer (38) nachgeschalteten Verstärker (42) und einen Subtrahierkreis (44) aufweist, der die verstärkten, vom Schwellwertbegrenzer (38) durch­ gelassenen Überschwingungen vom frequenzbegrenzten Eingangssignal subtrahiert.

3. Filteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Filter (36) für alle Frequenzen im Durchlaßbereich des ersten Filters (32) eine konstante Zeitverzögerung hat.

4. Filteranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (36) aus zwei Komponenten besteht, nämlich einem elliptischen Filter (48), das eine Zeitverzögerung hat, die frequenzmäßig für alle Frequenzen im Durchlaß­ bereich des ersten Filters (32) linear ist, sowie einem Allpaßfilter (46) mit einer Verzögerungskennlinie, die so ausgebildet ist, daß die kombinierte Verzögerungs­ kennlinie des zweiten Filters (36) für alle Frequenzen im Durchlaßbereich des ersten Filters (32) konstant ist.

5. Filteranordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen dem zweiten Filter (36) nachgeschalteten Momentan­ begrenzer (50) zur Unterdrückung von Restüberschwingungen.

6. Filteranordnung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch ein dem Momentanbegrenzer (50) nachgeschaltetes Einpol- Tiefpaßfilter (52).