DE2826457A1

DE2826457A1 - Verfahren und einrichtung zum wiedergewinnen des grundpegels bei wechselstromgekoppelten signalen

Info

Publication number: DE2826457A1
Application number: DE19782826457
Authority: DE
Inventors: John David Polonio
Original assignee: Bunker Ramo Corp
Current assignee: Bunker Ramo Corp
Priority date: 1977-06-17
Filing date: 1978-06-16
Publication date: 1979-01-04
Also published as: GB2000408A; JPS5440015A; GB2000408B; US4125812A

Description

PATENTANWÄLTE: A. GRÜNECKER

DtPL-WG.

„ ' H. KINKELDEY

W.

DFI-ING.-A.E (CALTECH

K. SCHUMANN P. H. JAKOB

»PL-ING.

G. BEZOLD

"* DR RERNAT- DIPL-CHEM.

P 12 870

========= ₈ MÜNCHEN

MAXIMILIANSTRASSE

Verfahren und Einrichtung zum Wiedergewinnen des Grundpegels bei wechselstromgekoppelten Signalen

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zum Wiedergewinnen des Grundpegels bei wechselstromgekoppelten Signalen, insbesondere auf eine Schaltung zum Wiedergewinnen des Bezugs-Gleichanteils zufallsabhängiger Signale.

Wenn zufallsabhängige, d.h. nicht vorhersehbare Codemuster, seriell über ein wechselstromgekoppeltes System, wie beispielsweise eine FM-Eunkstrecke, übertragen werden, liegt am Empfängereingang eine kontinuierlich schwankende Gleichspannungs-Verlagerung (offset) vor, verglichen mit dem ursprünglich übertragenen Signal. Diese zufallsabhängige Modulation des Bezugs-Gleichanteils wird allgemein als "wandernde Grundlinie" oder "wandernder Grundpegel" (galloping baseline) bezeichnet. Zu irgendeinem gegebenen Zeitpunkt kann diese "wandernde Grundlinie" als feste Grundpegelverschiebung des Signals bezüglich einer Bezugs-

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größe betrachtet werden.

In allen realen Systemen Ist die Übertragungsstrecke als ban&begrenzt anzusehen und ist in der Lage, das Signal mit Häuschen zu überlagern. Das Interpretieren von durch Bauschen gestörten Signalen bei solchen Übertragungsstrecken wird in hohem Maße erleichtert, wenn die "ijhre (ideale) Grundlinie des modulierten Signals bekannt ist. Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Schaltung zum Wiedergewinnen der Grundlinie oder des Grundpegels eines wechselstromgekoppelten Signals anzugeben.

Gemäß einem wichtigen Merkmal der vorliegenden Erfxndung schließt sich an eine Differenzierschaltung eine Inte-'grierschaltung In Kaskade an. Die Anordnung empfängt das wechselstromgekoppelte Signal und stellt dessen Bezugs-Gleichanteil kontinuierlich wieder her. Beide Schaltungen werden zu Beginn auf den Bezugs-Gleichanteil eingestellt und beide Schaltungen werden nach, dem Verstreichen einer vorbestimmten Zeitdauer zurückgesetzt. Diese vorbestimmte Zeitdauer hängt ab von dem für die Infornationsstrecke im ungünstigsten Fall anzunehmenden Signal/Rausch-Verhältnis. Bei asynchronem Empfang ist die Übertragung auf diese Zeitdauer beschränkt; anschließend kann eine weitere Übertragung mit einem Vorsatz in Gang gesetzt werden, wobei der Vorsatz nach seiner Erfassung einen Rucks te llvorgang anstößt. Bei synchronem Empfang wird das Rücksetzen periodisch getriggert, und die Übertragung wird während des Rücksetzens unterbrochen.

Ein bevorzugter Gedanke der Erfxndung liegt darin, ein Verfahren und eine Einrichtung anzugeben zum Wiedergewinnen des Grundpegels bei wechselstromgekoppelten Signalen. Insbesondere soll eine Schaltung zum Wiedergewinnen des Bezugs-Gleichanteils Zufallsabhängiger Signale angegeben werden. Wenn über wechselstromgekoppelte Systeme zufalls-

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abhängige Codes seriell übertragen werden, wie es beispielsweise bei PH-Funkstrecken der J?all ist, so liegt auf der Empfangsseite eine sich, stetig ändernde Gleichspannungs-Verlagerung bezüglich des ursprünglich übertragenen Signals vor. In allen realen Systemen ist die Übertragungsstrecke bandbegrenzt und kann das Signal durch Bauschen modulieren. Das Erkennen eines durch Rauschen in einer derartigen Übertragungsstrecke gestörten Signals wird in hohem Maße erleichtert, wenn die ideale Grundlinie des modulierten Signals bekannt ist. Die erfindungsgemäße Einrichtung umfaßt eine Differenzierschaltung, an die sich eine Integrierschaltung anschließt, um das Signal zu empfangen und den Bezugs-Gleichanteil kontinuierlich wieder herzustellen. Beide Schaltungen werden anfänglich auf den Bezugs-Gleichanteil eingestellt und nach dem Verstreichen einer vorbestimmten Zeitdauer zurückgesetzt. Diese Zeitdauer hängt ab von dem für das System im ungünstigsten Fall anzunehmenden Signal/Raus ch-Verhältnis. Die Übertragung wird vor dem Rücksetzen beendet oder unterbrochen. Ein Vorsatz kann dazu verwendet werden, die Signalübertragung zu der Einrichtung bei asynchronem Empfang wieder aufzunehmen. Bei synchronem Empfang wird die Übertragung einfach jedesmal, wenn die Einrichtung zurückgesetzt wird, unterbrochen.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein funktionelles Blockdiagramm der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 Impulsdiagramme zur Veranschaulichurig des durch die vorliegende Erfindung gelösten Problems,

Fig. 3 ein Impulsdiagramm eines asymmetrischen digitalen Signals, welches durch eine Wechselstrom-Kbpplungsschaltung einer Kopplung unterworfen werden soll,

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Fig. 4 ein Schaltungsdiagramm einer grundlegenden Wechsels trom-Kopplun gs schaltung,

I¹Xg. 5 ein Impulsdiagramm des in Fig. 3 dargestellten Signals, welches durch eine Wechselstrom-Kopplungsschaltung einer Kopplung unterworfen wurde,

Fig. 6 bis 9 Übertragungsfrequenzgänge, die zum Verständnis der Entwurfskriterien des in Fig. 1 dargestellten Differentiators und Integrators dienlich sind und

Fig. 10 ein Schaltungsbeispiel für die Differenzierschaltung, die Integrierschaltung und die Initialisierungsschaltung gemäß Fig. 1.

Wie aus der folgenden Beschreibung hervorgehen wird, beruht die Erfindung auf der Erkenntnis, 'daß für eine "langsam" wandernde Grundlinie, d.h. für eine Grundlinie, die sich im Vergleich zu der Inderungsgeschwindigkeit der in dem Signal enthaltenen Informati» η relativ langsam ändert, die Steigung des wechselstromgekoppelten Signals annähernd gleich ist der Steigung des Signals, wenn dieses gleichstromgekoppelt ist. Daher muß zum Wiedergewinnen des bei der Wechselstromkopplung verlorengehenden Bezugs-Gleichanteils zuerst die Steigung des wechselstromgekoppelten Signals beginnend bei einer bekannten Bezugsgröße erfaßt werden, und dann muß das wechselstromgekoppelte Signal mit seinem Bezugs-Gleichanteil rekonstruiert werden, ebenfalls beginnend bei der bekannten Bezugsgröße. Danach ist das wechselstromgekoppelte Signal mit seinen ursprünglichen Gleichstromeigenschaften wiederhergestellt. Der Fehler bei diesem Vorgang ist beschränkt durch die Genauigkeit, mit der der Anstieg der Grandlinie in dem wechselstromgekoppelten Signal als vernachlässigbar, je-

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doch, meßbar angenommen wird, verglichen mit dem Anstieg des Informationssignals.

Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm einer Einrichtung zum Wiedergewinnen eines Grundpegels gemäß diesem Verfahren. Grundsätzlich umfaßt die Schaltung lediglich drei wesentliche 'Heile: einen Differenziator 10, einen Integrator 11 und eine Initialisierungsschaltung-12. Obschon oben bereits die Notwendigkeit Jedes dieser drei Bauteile angedeutet wurde, kann ein Verifizieren und Nachvollziehen des Vorgangs nur anhand einer mathematischen Analyse erfolgen. Bevor jedoch eine derartige Analyse gegeben wird, sollen zuerst einige Eigenschaften digitaler Signale diskutiert werden (um das Verständnis der Grundpegelverschiebung zu erleichtern). In I¹Xg. 2 zeigt der Impulszug A ein symmetrisches, bipolares digitales Signal, welches um seine ideale Grundlinie oder seinen idealen Grundpegel zentriert ist. Die Eigenschaften dieses idealen Signals sind dadurch gekennzeichnet, daß der Betrag der Steigung an den TJnstetigkeitsstellen unendlich ist und daß der Betrag der Steigung überall sonst "Null-ist. Ist ein genaues Erkennen dieses Signals gewünscht, so reicht es aus, lediglich die Polarität des Signals bezüglich eines Wechselstrom- oder Gleichstrom-Bezugspegels (dieser ist bei symmetrischen Signalen identisch) zu bestimmen. Eine einfache Dioden-Klemmschaltung könnte hierzu verwendet werden, vorausgesetzt, daß die Signalamplitude am Eingang hinreichend groß ist, um die Dioden vollständig, zu sättigen«

Gebräuchliche logische Signale stellen jedoch allgemein Zufallsabhängige oder pseudo-zufallsabhängige Sequenzen von "Einsen" oder "Nullen" dar, die als Folge der Wechselstromkopplung es erforderlich machen, daß ihr elektrischer Grundpegel von dem idealen Bezugs-Gleichanteil verschoben ist. Ein Beispiel dieses Phänomens ist der Impulszug B

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(hierbei wurde angenommen, daß die Wellenform periodisch ist). Der elektrische Grundpegel für irgendein wechselstromgekoppeltes Signal ist derjenige Pegel, der die !"lachen der Wellenform oberhalb und unterhalb des Grundpegels ausgleicht. Für das spezielle Beispiel des Impulszuges B liegt der elektrische Grundpegel (0 Volt) oberhalb des idealen Grundpegels, der durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist. Eimmt man wiederum an, daß die Amplitude des Eingangssignals hinreichend groß ist, so könnte eine Dioden-Klammerschaltung verwendet werden, um dieses logische Signal exakt zu interpretieren.

Die zwei oben untersuchten logischen Signale besitzen eine unendliche Bandbreite. Es sollen nun dieselben periodischen Signale des Impulszuges B betrachtet werden, wobei jedoch die Bandbreite auf die Hälfte der Grundfrequenz des Taktsignals beschränkt ist. (Die optimale Bandbreite einer Übertragungsstrecke für maximales Signal/Bausch-Verhältnis). Dieses Signal ist bei C dargestellt. Würde in diesem Fall eine Dioden-Klammerschaltung verwendet werden, um das digitale Signal aus dem bandbegrenzten Signal wiederzugewinnen, so würde an dem Ausgang der Schaltung ein Signal erzeugt werden, welches dem Impulszug D ähnelte. Ein sorgfältiger Vergleich dieses Signals mit dem Signal B unbegrenzter Bandbreite zeigt, daß der positive Nutzanteil verkürzt ist, während der negative Kutzanteil angewachsen ist. Dieses Phänomen tritt auch bei größeren NuIldurchgangs-Störungen im Fall eines bandbegrenzten Signals mit additivem Rauschanteil auf, wie es bei E und F gezeigt ist. (Oberhalb und unterhalb der Signale E und F wurde das Taktsignal nocheinmal dargestellt, um die Zeitpunktänderung des Impulszuges F bezüglich der ursprünglichen Wellenform B deutlicher zu machen). Bei dem Bemühen , die

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-χ-

Zeitpunkte getreu beizubehalten, wäre es wünsch, ens wert, die interpretierte Wellenform über eine gesamte Bitperiode (ein Taktzyklus) zu integrieren und dann den Bit-Typ durch Vergleich der positiven und negativen Nutzanteile für diese Periode zu bestimmen. Bei dieser Form von Bitbestimmung muß die Nulldurchgangs-Störung auf weniger als 50% der Bitperioda beschränkt sein. Ist das Signal durch Rauschen überlagert, so steigt die Wahrscheinlichkeit, daß diese Grenze überschritten wird, rasch an, wenn das Verhältnis von "Einsen" .zu "Nullen" angehoben wird. So z.B. verschiebt ein Signal, welches ein Verhältnis von "Einsen" zu "Bullen" von 1:25 besitzt, seinen Grundpegel um 12/13 seiner Spitzenamplitude oder um etwa 45,2% seiner Spitze-Spitze-Amplitude. Ist das Signal bandbeschränkt, so erzeugt eine so drastische Verschiebung von 4-6,% selbst ohne die Rauscheffekte während der Integration eine gegenseitige Beeinflussung der Bits. Man sieht daher, daß eine Erkennungsschaltung vom Typ einer Dioden-Klammerschaltung nicht verwendet werden kann, wenn in einem bandbegrenzten System große Verhältnisse von "Einsen" zu "Nullen" vorliegen.

Die Lösung dieses Problems könnte in einer Schaltung zu sehen sein, die ein Zurückstellen oder Wiedergewinnen eines Grundpegels zwischen den Spitzenwerten des ankommenden Signals durchführt. Dies ist jedoch nicht immer nützlich und kann tatsächlich zu noch größeren Störungen führen als die Dioden-Klemmschaltung. Dies Verfahren hat zwei hauptsächliche Fehlerquellen. Zum einen handelt es sich um den Fehler zwischen den erfaßten Spitzenspannungen und den tatsächlichen Spitzenspannungen- Die zweite Fehlerquelle ist die Empfindlichkeit dieser Schaltung bezüglich Rausch-Nadelimpulsen. In Übertragungsstrecken können Nadelimpulse oft auftreten, wenn nichtlineare Verzerrungen unvermeidlich sind. Als Beispiel sei eine FM-Übertragungsstrecke genannt, bei der die Effekte der FM-Mehrfachwege Nadelimpuls-Verzerrungen erzeugen können. Tatsächlich ist die Grundpegel-Wiedergewinn-

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schaltung durch Spitzenerfassung in der Lage, eine größere Grundpegel-Verzerrung hervorzurufen, als sie bei der Wechselstromkopplung desselben Signals auftreten würde. Es besteht also ein Bedürfnis an einer Einrichtung zum Wiedergewinnen des Grundpegels, die additivem Hauschen, Hadeliiapulsen und großen Verhältnissen von "Einsen" zu "Füllen" Rechnung tragen kann.

Im folgenden soll eine mathematisch Analyse des in 3?ig. 1 dargestellten Systems gegeben werden. Betrachtet sei das asymmetrische Signal nach Fig. 3· Es läßt sich folgende zeitabhängige Gleichung anschreiben:

= p. U₁Ct-T₀) - 2U₁Ct-T₁) + U₁Ct-T₂)] CD

wobei f^ CO) = 0·0· Durch die Laplace-Transformation:

f_± Ct) ^-^F₁Cs)

erhält man

F₁Cs) = CA/s)Ce-V - 2e~^a}1^s + e~^T2^s) C2)

Die Spannungs-Ubertragungsfunktion der prinzipiellen Wechselstrom-Koppelschaltung gemäß 3?ig. 4- lautet:

V₀Cs) = ^sCV₁Cs) - q_o/C)/Cs + 1/CRC))J C3)

wobei q die Gesamtladung des Kondensators zum Zeitpunkt t = 0 bedeutet^ diese Gleichung ist der Ausdruck für die Ausgangsgröße als Punktion der Eingangsgröße im Frequenzbereich mit den Anfangsbedingungen.

Als nächstes wird das Ausgangssignal der Wechselstrom-Koppelschaltung bestimmt, wenn die Eingangsgröße ein asymmetrisches Signal ist. Durch Ausführen der inversen Laplace-Transformation :

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ν_ο(t)

erhält man

-t/(RG)}

Eine Skizze dieser Wellenform wird in Fig. 5 dargestellt Cwobei die exponentielle Darstellung stark übertrieben und geradlinig dargestellt ist). Wenn man annimmt, daß q._Q/G nicht Null ist, dann zeigt die Untersuchung dieser Wellenform den Effekt der"wandernden Grundlinie" bedingt durch die Asymmetrie der Wellenform. Der physikalische Vorgang, der hier stattgefunden hat, ist das Absetzen der Ladung auf den Platten des Kondensators bei dem Versuch, die Konzentration positiver und negativer Ladungen auszugleichen. Die Zeitkonstante, mit welcher dieses geschieht, ist RG Cim Diagramm gemäß Fig. 5 hat RG einen kleinen Wert.)

Wenn die Komplexität einer Übertragungsstrecke ansteigt Cbeispielsweise aufgrund der Tatsache, daß sie eine Funkstrecke umfaßt), wird das Informationssignal den Auswirkungen vieler Wechselspannungs-Kopplungsschaltungen unterworfen, von denen alle unterschiedliche Zeitkonstanten aufweisen. Die kleinste Zeitkonstante unter allen Kopplungen bestimmt jedoch den Grad der Verzerrung, der durch die "wandernde Grundlinie" hervorgerufen wird. Theoretisch kann man sagen, daß, wenn die langsamste Inderungsgeschwindigkeit des Informationssignals viel schneller ist als . die Inderungsgeschwindigkeit der wechselstromgekoppelten Grundlinie, die Inderungsgeschwindigkeit der Grundlinie als annähernd konstant bezüglich der inderungsgeschwindig-

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. keit des Informationssignals angenommen werden kann~ Wenn ein Informationssignal diese Eigenschaften aufweist, ist es möglich., das Signal zu differenzieren, um seinen Anstieg ohne das Einführen eines signifikanten Fehlers aus dem sich langsam ändernden Grundlinienanteil zu erhalten. Man kann mathematisch zeigen, daß der Grundlinienanteil, der den Term q/C enthält, effektiv von dem Signal durch die Differenzierschaltung entfernt wird. Jedoch ist das Signal nun die Ableitung des gewünschten ^signals, und es ist notwendig zu integrieren, um das gewünschte tatsächliche Signal zu erhalten; dies geschieht wie £>lgt: sei v_r(t) das asymmetrische Informationssignal nach der Wechselstromkopplung, dem Differenzieren und dem Integrieren.

V₃, Ct) = A IT₁Ct-T₀) - 2U₁Ct-T₁) + U₁Ct-T₂) + k (5)

wobei k eine Integrationskonstante ist. Ein Vergleich von v_rCt) mit dem asymmetrischen Signal f^Ct) gemäß Gleichung Cl) zeigt, daß sie lediglich in der Integrationskonstanten voneinander abweichen.

Es ist also gezeigt worden, daß irgendein Signal, welches wechselstrommäßig gekoppelt wurde, und welches eine sich langsam ändernde elektrische Bezugs-Grundlinie aufweist, zu einem bekannten Grundpegel wiedergewonnen werden kann innerhalb eines Fehlerbereichs, welcher in direktem Zusammenhang steht mit der Differenz zwischen der maximalen Inderungsgeschwindigkeit der Grundlinie und der minimalen Änderungsgeschwindigkeit des Ir· formations signals. Die bekannte Grundlinie ist die resultierende Integrationskon stante.

Der spezielle Entwurf der Übertragungsfunktionen des Differentiators 10 und des Integrators 11 gemäß Fig. 1 hängt in hohem Maße von der Bandbreite des Informationssignals

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ab (Impulszug G in S¹Ig. 2 beispielsweise). Die Übertragungsfunktion des Amplitudengangs eines idealen Differentiators ist in Fig. 6 durch eine ausgezogene, gerade Linie mit einer Steigung von +6db pro Oktave (+20db/Dekade) dargestellt. In ähnlicher Weise ist in I¹Xg. 7 der Amplitudengang eines idealen Integrators durch eine ausgezogene, gerade Linie mit einer Steigung von -6db pro Oktave (-2Odb/Dekade) dargestellt. In der Praxis jedoch ist jede Übertragungsfunktion ab einer bestimmten Frequenz amplitudenbegrenzt, was in der Zeichnung durch gestrichelte Linien angedeutet wird. Wird ein realer Differentiator in Kaskade mit einem realen Integrator geschaltet und weist jedes Element einen Verstärkungsfaktor auf, so ist die kombinierte Übertragungsfunktion die Summe der einzelnen Übertragungsfunktionen, wie es in Fig. 8 dargestellt ist, in der die Summe durch eine ausgezogene Linie und die entsprechenden Übertragungsfunktionen des Differentiators und Integrators durch gestrichelte Linien angedeutet sind. Wenn die Differenzierschaltung zusätzlich zu der Verstärkung mit einer oberen Frequenzdämpfung oberhalb der Bandbreite des Informationssignals ausgestattet ist, ergibt sich eine zusammengesetzte Übertragungsfunktion, wie sie in Fig. 9 dargestellt ist. In Fig. 9 ist die zusammengesetzte Übertragungsfunktion als ausgezogene Linie dargestellt, während die Übertragungsfunktionen des Differentiators und Integrators als gepunktete Linien gezeichnet sind. Der Entwurf und die Implementierung einer tatsächlichen Schaltungsanordnung kann eine derartig zusammengesetzte Übertragungsfunktion approximieren.

Eine beispielhafte Schaltungsanordnung der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 10 gezeigt. Die Differenzierschaltung hat die folgende Spannungs-Übertragungsfunktion (im Frequenzbereich):

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s/( s+1/(R₂G₂)

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Aus dieser Gleichung sieht man leicht, daß die Schaltung im Ursprung der komplexen s-Ebene eine Nullstelle hat und bei s= -1(RpCp) eine erste und bei s = -1/R-(C^₊C) eine zweite Polstelle hat. Da es in hohem Maße wünschenswert ist, ein großes Signal/Rausch-Verhältnis zu haben, sollten beide Polstellen so gewählt werden, daß sie mit der höchsten Frequenz des Informationssignals zusammenfallen. Mit diesen Null- und Polstellen werden alle Signale innerhalb des Frequenzbandes des Informationssignals differenziert, und sämtliche Signale oberhalb dieses Bandes werden gedämpft. Bei Anwendungsfällen, die eine gemäßigte Bandbreite und Verstärkung erfordern, kann diese Schaltung unter Verwendung realistischer Bauteilwerte aufgebaut werden.

Die Integrierschaltung hat die folgende Spannungs-Übertragungsfunktion (im Frequenzbereich):

V₀A₁(S) = - 1/(R₄C₄) / s+1/(R₅C₄) (?)

SJiese Schaltung approximiert einen Integrator für Frequenzen, die um wenigstens eine Größenordnung höher liegen als die Frequenzstelle des durch C₄ und R,- bestimmten Pols. Wird diese Schaltung in Serie mit der Differenzierschaltung in der dargestellten Weise geschaltet, werden alle Frequenzanteile, die größer sind als die in dem Informationssignal enthaltenen, mit -12db/0ktave gedämpft.

Die in Fig. 10 gezeigten Differenzier- und Integrierschaltungen approximieren in erster Näherung die Vorgänge der Spannungsdifferenzierung und -integrierung. Für Anwendungsfälle mit engen Informationsbandbreiten kann es notwendig sein, eine Schaltungsanordnung zu entwerfen, die eine exaktere Approximation dieser Vorgänge darstellt. Am Entwurf einer

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derartigen Schaltung ist es wichtig, sämtliche Frequenzen sowohl oberhalb als auch unterhalb der Informationsbandbreite maximal zu dämpfen. Die Dämpfung der unteren Frequenzen ist der Begrenzung der Effekte der wandernden Grundlinie dienlich, und der kombinierte Pegel aller Frequenzanteile außerhalb des Informationsbandes steht in direkter Beziehung zu der Frequenz, bei der der Vorgang der Nullpunkt-Einstellung wiederholt werden muß. Der Hauptvorteil in der Verwendung einer Approximationsschaltung erster Fäherung wird deutlich, wenn der Differentiator in Serie mit dem Integrator geschaltet wird.Im idealen Fall sollte für diese Topologie die Übertragungsfunktion über die Informationsbandbreite eine maximal flache Amplitudenantwort und eine lineare Phasenantwort sein.

Was die Initialisierungsschaltung 12 anbelangt, so wird angenommen, daß die Schaltung zur Wiedergewinnung des Grundpegels in einem System betrieben werden wird, in dem ein signifikanter Rauschanteil bei ITichtvorhandensein des Informationssignals vorliegt. Ein Beispiel einer derartigen Signalquelle ist das Ausgangssignal eines FM-Empfängers, der in seinem Demodulatorschaltkreis einen Begrenzer verwendet. Rauschen in dieser Form kann Frequenzanteile außerhalb des interessierenden Bandes aufweisen und sein Vorhandensein kann zur Folge haben, daß sich eine Fehler spannung an dem Integrationskondensator G₁, akkumuliert. Diese Änderung in der Bezugsspannung des Integrators würde die Überlagerung eines konstanten Spannungspegels (willkürlich hinsichtlich des Vorzeichens und des Betrages) auf dem "verarbeiteten Informationssignal erzwingen. Die Initialisierungsschaltung jedoch ist so ausgelegt, daß sie die Bezugsgröße des Integrators zurücksetzt.

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Die Initialisierung wird dadurch, bewirkt, daß zuerst sichergestellt wird,daß die Spannung an den Kondensatoren CL, C, und C^ gleichzeitig auf Null eingestellt wird (hierdurch, wird die Bezugsgröße des Integrators auf Null eingestellt), und daß zweitens die Inderungsgeschwindigkeit der Spannung an CL unmittelbar nach der Nullpunkteinstellung begrenzt wird, um innerhalb der Bandbreite des Differentiators und Integrators zu bleiben. Diese Inderungsgeschwindigkeit der Spannung hängt ab von allen drei Bauteilen IL,CL und CL und die Zeitkonstante ist H^, (CL+CL), die natürlich in direktemZusammenhang steht mit der Bandbreite des Differentiators. Um CL,C, und C^ auf Hull einzustellen, muß durch die Dioden GR1A bis CR1D und CE2A bis CR2D ein Impuls hinreichend großer Amplitude hindurchgelassen werden, damit die Dioden gesättigt werden,und die Impulse müssen eine ausreichend große Dauer aufweisen, damit die Kondensatoren durch die effektive Impedanz der Dioden entladen werden können. Um an den Dioden zu allen übrigen Zeitpunkten eine Rückwärts-Vorspannung aufrechtzuerhalten, wird der Nulleinstell-Impuls durch den Impulstransformator T* und die Kondensatoren CL,. und CL^ wechselstromgekoppelt.

Die Nullpunkteinstellung der Wiedergewinnungsschaltung muß immer dann erfolgen, wenn der Integrationskondensator eine Ladung aufweist, die groß genug ist, um die Zuverlässigkeit des noch zu beschreibenden Bit-Erkennungsvorgangs zu mindern. Diese Art von Verschiebung der Grundlinie ist eine !Punktion der Amplitude der Rauschfrequenzanteile, die außerhalb der Informationsbandbreite liegen. Die Periodizität des Nulleinstellvorgangs muß analytisch bestimmt werden, um einer gegebenen Fehlerwahrscheinlichkeit Rechnung zu tragen. Weiterhin hängt diese Berechnung stark ab von dem Grad der Filterung vor der Wiedergewinnungsschaltung

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und dem Rauschfaktor der gesamtenübertragungsstrecke. Es ist weiterhin äußerst wichtig, daß der Nullpunkteinstellvorgang stattfindet, wenn der Wert des übertragenen Signals für die Zeitdauer des gesamten Nullpunkteinstellvorgangs bei der Bezugs spannung der Wiedergewinnungsschaltung festliegt. Da die Bezugs spannung durch die Verstärkung des Systems eingestellt werden kann, wird sie logischerweise zu Null gewählt. Aus diesen Restriktionen ersieht man nun, daß, wenn einmal ein gemeinsamer Punkt gleichzeitig durch den Sender und Empfänger festgelegt ist, es nur notwendig ist, die Abweichung von dieser Bezugsgröße zu verfolgen, um das ursprüngliche Signal zu rekonstruieren.

Im Betrieb wird ein wechselstromgekoppeltes Signal V^ als !Funktion der Zeit differenziert, beginnend von einer vorbestimmten Anfangsspannung Null. Dies geschieht durch ein RG-Netzwerk, welches vornehmlich aus einem Widerstand R^ und einem Kondensator C^ besteht.

Dieser Vorgang beschränkt die Effekte der wandernden Grundlinie. Das Ausgangssignal V^ eines Verstärkers A^ wird dann als Punktion der Zeit integriert, beginnend von einem vorbestimmten Anfangs-Spannungswert Vjyg]?· Hierzu dient eine Rückkoppelschaltung R₁- und C^, eines Operationsverstärkers A₂, um die Ausgangsspannung V_Q zu erhalten. Die Spannung V_Q ist das gewünschte wechselstromgekoppelte Signal mit seiner wiedergewonnenen Grundlinie. Die Grundlinie oder der Grundpegel wird bezüglich der Grundpegel-Bezugsspannung Vgjj-p, die an den Operationsverstärker Ap über einen Widerstand Rg angelegt, wird, wiedergewonnen. Im gewöhnlichen Fall wird diese Bezugs spannung auf Null gesetzt, indem der Widerstand Rg auf Masse gelegt wird. Um den Differentiator und Integrator zu initialisieren, wird ein der Basiselektrode eines Transistors Qxj zugeführter Impuls durch den Impulstransformator QJ^ zu dem aus den

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Dioden CR1A bis CR1D bestellenden Schalter und dem aus den Dioden CR2A bis CR2D bestehenden Schalter gekoppelt, um den Kondensator CU auf Hull (Schaltungs-Erde) und den Kondensator C₁- ebenfalls auf Hull (virtuelle Erde) zu entladen.

Die Vorteile der hier gezeigten Grundpegel-Wiadergewinnungsschaltung bestehen in deren Unempfindlichkeit bezüglich Rauschspitzen, schmalen Bandbreiten und großen Verhältnissen von "Einsen" zu "Mullen". Um diese Merkmale zu erreichen, war es notwendig, einen gut definierten Hullpunkt-Einstellvorgang zu fordern, welcher periodisch wiederholt werden muß. In vielen Anwendungsfällen wird dieser Einschränkung auf einfache Weise dadurch Rechnung getragen, daß der übertragenen Nachricht eine geeignete Einleitung (Preamble) hinzugefügt wird. Dieses Implementierungsverfahren wird für Übertragungsstrecken mit relativ kleinen Sende-Hutzanteilen empfohlen. Bei ansteigenden Nutzanteilen oder Tastverhältnissen werden synchrone Verfahren zur Bestimmung der Hull-Perioden interessant, die es ermöglichen, daß der Initialisierungsvorgang innerhalb weniger Bitperioden stattfindet. So kann in manchen Anwendungsfällen der Empfänger in geeigneter Weise mit dem Sender synchronisiert werden. In einem solchen synchronen System kann die Übertragung durch einen Vorsatz, der durch eine Detektorschaltung 13 erfaßt wird, begonnen werden. Die Detektorschaltung 13 umfaßt eine Schaltungsanordnung zum Synchronisieren periodisch auftretender Impulse der Initialisierungsschaltung, und zwar synchron mit Übertragungsunterbrechungen. In anderen Anwendungsfällen, in denen der Empfänger mit dem Sender nicht synchronisiert ist, würde der funktioneile Block 13 lediglich einen Vorsatzdetektor umfassen, um die Initialisierungsschaltung zu Beginn einer Übertragung mit einem Impuls zu beaufschlagen. Dann muß jede Übertragung senderseitig auf die maximale Zeitdauer

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begrenzt werden, in der die G-rundpegel-Wiedergewinnungsschaltung ohne Rücksetzen betrieben werden kann. Ist noch zusätzliche Information zu übertragen, so erfolgt Einteilung in Blöcke,und jeder Block wird mit einem Vorsatz übertragen.

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Claims

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DR-ING

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MAXIMILIANSTRASSE 43

16. Juni 1973 BUNKER RAMO CORPORATION .
900 Commerce Drive, Oak Brook, Illinois 60521, USA

Patentansprüche

Verfahren zum "Wiedergewinnen des Grundpegels bei einem wechselstromgekoppelten Signal, gekennzeichnet durch Differenzieren des wechselstrommäßig gekoppelten Signals als !Funktion der Zeit, beginnend bei einem vorgegebenen Anfangswert, um ein differenziertes Signal zu erhalten, und Integrieren desselben als Funktion der Zeit, beginnend bei einem vorgegebenen Anfangswert, um das wechselstrommäßig gekoppelte Signal mit seinem wiedergewonnenen Grundpegel zu erhalten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß zum Differenzieren und Integrieren separate, reaktive Bauteile in widerstands-reaktiven Netzwerken verwendet werden, und daß der angegebene Anfangswert an den separaten, reaktiven Bauteilen zu Beginn des Signals voreingestellt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß in digitalen Netzwerken zum Differenzieren und Integrieren mehrfache elektrische Bauelemente verwendet werden,und daß die Netzwerke auf vorbestimmte Bedingungen zu Beginn des Signals voreingestellt werden.

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OWOlNAL INSPECTED

4. Verfahren nach Anspruch. 2, dadurgh. gekennzeichnet , daß der Beginn eines Signals durch einen "Vorsatz angezeigt wird, daß der Vorsatz erfaßt wird, und daß in Abhängigkeit davon der vorgegebene Anfangswert an den separaten, reaktiven Bauelementen voreingestellt wird.

5- Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß das wechselstromgekoppelte Signal in seinem Ursprung auf vorbestimmte Sendeperioden beschränkt ist und daß jede Sendeperiode durch eine Einleitung begonnen wird, wobei die Initialisierung der Differenzier- und Integrierbauteile zu Beginn jeder separaten Signalübertragungsperiode erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Signal periodisch in seiner Quelle unterbrochen wird, um das Signal in separate Periodenabschnitte zu unterteilen, und daß die Differenzier- und Integrierbauteile zu Beginn jedes separaten Übertragungs-Periodenabschnitts initialisiert werden.

7- Einrichtung zum Wiedergewinnen des Grundpegels bei einem wechselstromgekoppelten Signal, gekennzeichnet durch eine Differenzierschaltung (10) mit einer Eingangsklemme zum Empfangen des >. Signals und einer Ausgangsklemme, eine Integrierschaltung (11) mit einer Eingangs- und einer Ausgangsklemme, wobei ihre Eingangsklemme an die Ausgangsklemme der Differenzierschaltung angeschlossen ist, und eine Einrichtung (12) zum Initialisieren der Differenzierschaltung und der Integrierschaltung bei Beginn des Signals.

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8. Einrichtung nach Anspruch 7i dadurch gekennzeichnet, daß das Signal an seinem Anfang einen Vorsatz aufweist, und daß die Einrichtung zum Initialisieren elektronische Schalter (CR1A bis D, CR2A bis D) umfaßt, sowie eine Anordnung (13) sum Erfassen des Torsatzes und, in Abhängigkeit von der Erfassung des Vorsatzes, zum Zuführen eines Initialisierungsimpulses zu den elektronischen Schaltern, um die Differenzier- und Integrierschaltung zu initialisieren.

9- Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch g e k e η η ζ e i ch η e t , daß das Signal periodisch bei an den Vorsatz anschließenden Intervallen unterbrochen wird, und daß die Einrichtung zum Initialisieren (12) eine Synchronisieranordnung umfaßt, um einen Initialisierungsimpuls an die elektronischen Schalter zum Initialisieren der Differenzier- und Integrierschaltung zu geben.

10. Einrichtung nach Anspruch 7 ■> dadurch g e k e η η ζ e i ch η e t , daß die Integriere ehalt ung folgende Spannungs-Übertragungsfunktion aufweist:

wobei R_c und C„ ein Widerstand bzw. ein Kondensator sind, die in einem negativen Rückkopplungsweg eines Operationsverstärkers (A2) zwischen die Ausgangsklemme und einen invertierenden Eingang desselben parallelgeschaltet sind, und wobei R^ ein Widerstand ist zum Koppeln der Ausgangsklemme der Differenzierschaltung an die invertierende Eingangsklemme des Integrator-Operationsverstärkers (A2), und V_Q und V^ Ausgangs- bzw. Eingangssignale des Integrator-Operationsverstärkers (A2) sind.

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11. Einrichtung nach. Anspruch 10, dadurch ge k e η η zeichnet , daß die Differenzierschaltung folgende Spannungs-ÜbertragungsfunktLon aufweist:

wobei R- ein Koppeltransistor und C, einlntegrationskondensator sind, und R₁ verschaltet ist, um die Integrator-Eingan gsklemme an den Kondensator G^₇ der an eine Referenz-Potentialquelle angeschlossen ist, zu koppeln, wobei C₁ ein den Integrationskondensator an einen invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers (A1) koppelnder Differenzier-Kondensator ist, und wobei R₂ und C₂ ein Widerstand bzw. ein Kondensator sind, die in dem negativen Rückkopplungszweig des Bifferentiator-Operationsverstärkers (A1) parallelgeschaltet sind.

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