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Elektronisches Umlichtfilter
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Einleitung Bei der Nachrichtenübertragung mit moduliertem Licht stellt
das Umlicht eine wesentliche Störgröße dar, da bei der optischen Abbildung der Nutzsignalquellen
auf den fotoelektrischen Wandler (Fotodiode) auch Licht des Umfeldes einwirkt und
somit ein elektrisches Summensignal der auftreffenden Lichtenergien erzeugt wird.
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Zu den wichtigsten Störquellen zählen die temperaturabhängige Eigenstrahlung
aus dem abgebildeten Umfeld einer Nutzquelle und die Boden- und Blätterreflexionen
der Sonneneinstrahlung. Naturgemäß kann die Umlichtintensität bis zu 0,1 W pro cm2,
d.h. direkte Sonneneinstrahlung mit zeitlicher Variation durch Tageszeit, Wolken
und Blätterbewegung, betragen. Dagegen erzeugt das Nutzsignal eines Lichtsenders
am Empfangsort Flächenleistungsdichten9 die i.a. um mehrere Größenordnungen geringer
sind.
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Für die empfangs technische Rückgewinnung des Nachrichteninhalts der
Nutzsignalquelle sind spezielle Schaltungen erforderlich, deren Funktionen durch
das Umlicht nachteilig beeinflußt werden. Das erfindungsgemäße elektronische Umlichtfilter
vermeidet diesen Einfluß.
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Stand der Technik Das erfindungsgemäße Umlichtfilter stellt speziell
eine Verbesserung beim Einsatz von Fotodioden als Lichtsensor dar. Es ist hierbei
üblich, daß die Dioden im Leerlauf- oder im Kurzschluß betrieben werden;. . In beiden
Fällen entsteht ein Summenempfangssignal, das die tieffrequenten Anteile des Umlichtes,
den hochfrequenten Träger und evtl. das erforderliche Nachrichtensignal enthält.
Mit Hochpässen verschiedener Schaltungstechnik wird dann das Nachrichtensignal selektiert.
Im Leerlaufbetrieb ändern die tieffrequenten Anteile die dynamischen Eigenschaften
der Filterung durch Modulation der Diodengrenzschichtkapazität.
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Das ist besonders nachteilig bei der Auswertung von pulsdauercodierten
Nachrichten. Im Kurzschlußbetrieb, z,B. am Summenpunkt eines Operationsverstärkers,
wird an einem Gegenkopplungswiderstand das gesamte Summenempfangssignal in Spannung
umgewandelt. Wegen der dabei möglichen Ubersteuerungsgefahr des Verstärkers kann
dieser Widerstand zum Erreichen der maximalen Empfindlichkeit nicht so groß gewählt
werden wie bei Abwesenheit der Gleichsignale. Deshalb muß für die üblichen Empfangs
schaltungen in der einen oder anderen Diodenbetriebsart stets ein Kompromiß bei
der Schaltungsauslegung gewählt werden.
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Zur weiteren Reduzierung der Umlichteinflüsse auf die Empfangsanordnungen
können stets zusätzlich optische Filter im Strahlengang vor der Abbildung verwendet
werden. Mit Kantenfiltern und besonders mit Interferenzfiltern lassen sich gute
Erfolge erzielen.Dabei sind der relativ hohe Preis für wirksame Filteranordnungen
sowie der konstruktive Aufwand für die Befestigung im Strahlengang ein Nachteil.
Nachteilig wirken sich ebenfalls die teilweise sehr großen Transmissionsverluste
dieser Filter auf die Energiebilanz für das Nutzsignal aus.
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Beschreibung der Erfindung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
die Auswirkungen des Umlichtes zu unterdrücken, so daß die Grenzempfindlichkeit
der Empfangsschaltung nur noch durch deren Eigenrauschen begrenzt wird. Dies geschieht
erfindungsgemäß dadurch, daß durch Ausblendfilterung des Nutzsignals der Umlichteinfluß
elektrisch kompensiert wird.
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Das Prinzip der erfindungsgemäßen Anordnung des elektronischen Umlichtfilters
ist im Bild 1 im regelungstechnischen Sinne dargestellt. Darin wandelt die Fotodiode
die auftreffende Lichtleistung, die hier zerlegt in PN(s) = Anteil der Nutzsignalleistung
und Pz(s) = Störleistung des Umlichtes
angenommen wird, in ein Summenempfangssignal
um (s - Laplacevariable).
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Unter der Voraussetzung, daß das Nutzsigi.al gegenüber dem Störsignal
spektral signifikant verschieden ist, kann das Störsignal erfindungsgemäß durch
einen Regelprozeß eliminiert werden.
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Im Bild 1 wird der Regelkreis mit der Führungsgröße F(s) durch das
Summenempfangssignal belastet. Durch Verwendung des Tiefpasses H(s) und des speziellen
Einspeisungspunktes für das Summenempfangssignal in den Regelkreis wird am Ausgang
der Anordnung U (s) die vom Umlicht herrührende tieffrequente Schwankung des Summenempfangssignals
beliebig klein geregelt, während für das höherfrequente Nutzsignal die Regelung
nicht wirksam wird.
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Wie realisierte Schaltungen zeigen, ist bei geeigneter Wahl der Nutzfrequenz
der tieffrequente Störanteil trotz endlicher Verstärkung und Laufzeiteffekt im Tiefpaß
H(s) hinreichend gut im Ausgangssignal U(s) unterdruckbar.
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Diese Kompensation des Umlichtanteils wird erfindungsgemäß ausgenutzt,
um eine hohe übersteuerungsfreie Verstärkung (V1) des Nutzsignals zu erreichen.
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Mit der Anwendung der erfindungsgemäßen elektronischen Umlichtunterdrückung
entstehen keine Transmissionsverluste. Dabei kann der Grad der Umlichtunterdrückung
höher als bei zusätzlicher optischer Filterung gewählt werden; zudem werden deren
Kosten gespart.
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Beispiel Die Erfindung soll nachfolgend an einem Beispiel erläutert
werden. Die Zeichnung im Bild 2 zeigt eine mögliche Variante der erfindungsgemäßen
Anordnung am Beispiel eines Infrarotempfängers für die Beobachtung einer amplitudenmodulierten
Infrarotquelle in einem großen Umfeld.
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Im hier betrachteten einfachsten Anwendungsfall wird die Amplitudenmodulation
eines IR-Senders mit O,9gu Wellenlänge mit der Frequenz aJO durchgeführt. Dabei
ist (A3 so gewählt, daß als 0 Tiefpaß eine Integrationsschaltung mit proportionalem
Anteil bei tiefen Frequenzen (Sperrfilter für a)O) verwendet werden kann.
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Im Bild 2 ist dargestellt, daß die Infrarotstrahlungsleistungen PN(s)
und Pz(s) gleichzeitig von der Infrarotdiode (1) mit der Wandlungskonstanten K in
die Ströme (2) gewandelt werden. Dabei arbeitet die Diode im Kurzschlußbetrieb.
Der Stromspannungswandler (4) erzeugt eine Spannung, die über den Inverter (5) auf
den Tiefpaß (6) geschaltet wird. Die tieffrequente Ausgangsspannung (6) treibt durch
den Widerstand R den Strom (3), der im regeiungstechniscben Sinn nach Größe und
Vorzeichen dem Umlichtanteil in S-trom (2) entgegengerichtet ist. Erfindungsgemäß
ist der Stromspannungswandler (4) deshalb nur für die Differenz der Stromsignale
(2) - (3), d.h. im wesentlichen nur für den Nutzstromanteil im Strom -(2) wirksam.
Dadurch wird erfindungsgemäß die Ubersteuerung des Verstärkers (4) durch das Umlichtsignal
vermieden.
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Mit den Komponentenbenennungen im Bild 2 wird die Ausgangsspannung
der erfindungsgemäßen Anordnung fu(ju>)I= = K * Rf PN(Wo) + jG(jW)jPZ((A>)
Darin stellt (s) die tibertragungsfunktion der Anordnung mit der Dimension Volt/Watt
dar. Es gilt hierbei G(s) = U(s) PN(s)+PZ(s) Mit den Bezeichnungen im Bild 2 wird
Das Bodediagramm der Übertragungsfunktion G(s) ist im Bild 3 dargestellt. Es zeigt
den Verlauf eines Hochpaßfilters mit der Besonderheit, daß die Verstärkung V. für
sehr tieffrequente Signale frequenzunabhängig verläuft. Diese Eigenschaft ist
für
die Kompensation der tieffrequenten Anteile des Umlichtes wichtig. Durch Wahl der
Schaltungskomponenten kann erreicht werden, daß die Modulationsfrequenz des Nutzsignals
wird. Tn diesem Fall erfüllt die erfindungsgemäße Anordnung von Bild 2 die gestellto
Aufgabe. Gegenüber ungefilterten Anordnungen verbessert die Schaltung nach Bild
2 das Nutz-Störverhältnis um ca. Vi . VR , wenn die Störleistungen bei Frequenzen
# # #i/Vi als bedeutungslos angesehen werden. In realen Schaltungen werden z.B.
Vi # 105 und VR # 103 übliche Werte sein, so daß diese Verbesserung mindestens 108
betragen kann.