DE3725107C2

DE3725107C2 -

Info

Publication number: DE3725107C2
Application number: DE3725107A
Authority: DE
Inventors: Michael 8224 Chieming De Surauer; Helmut 8000 Muenchen De Bittner
Original assignee: Deutsche Aerospace AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1987-07-29
Filing date: 1987-07-29
Publication date: 1993-06-24
Also published as: FR2618960A1; FR2618960B1; JPH0775301B2; DE3725107A1; US4954732A; JPS6444616A

Description

Die Erfindung geht aus von einer Filteranordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 (DE 32 09 384 A1).

In der Nachrichtentechnik, Meßtechnik, Signalverarbeitungs- und Regelungstechnik stellt sich immer wieder die Forderung nach Trennung von Nutz- und Störsignalen. In den meisten Fällen können die gestellten Anforderungen durch Einsatz bekannter passiver oder aktiver linearer Filter wie Tiefpaß-, Hochpaß-, Bandpaßfilter und dergleichen erfüllt werden. Je nach Ordnung und Wahl ihrer Einstellparameter, etwa nach den Regeln von Butterworth, Tschebyscheff oder Bessel können damit in bekannter Weise bestimmte Eigenschaften ihrer Amplituden-Frequenz-Charakteristiken, z. B. bezüglich Restwelligkeit im Durchlaßbereich, Abfallsteilheit zum Sperrbereich usw. erzeugt werden. Mit der Wahl der Amplitudenkennlinie ist gleichzeitig ein zugehöriger Phasenverlauf eindeutig festgelegt, wobei der Phasenverlust mit zunehmender Frequenz auch mit der Filterordnung und Abfallsteilheit zum Sperrbereich wächst und insbesondere auch im Nutzbereich nicht vernachlässigbar ist. Bei Anwendungen solcher Filter in rückgeführten Systemen wie Regelkreisen, phasenstarren Schleifen (phase locked loops) und dergleichen wirkt sich der mit dem gewünschten Amplituden-Frequenz- Verlauf verbundene Phasen-Frequenz-Verlauf häufig ungünstig auf andere unverzichtbare Forderungen wie Stabilität und Signal- Rausch-Verhältnis aus.

Eine Filteranordnung der eingangs genannten Art ist in der obengenannten DE 32 09 384 A1 beschrieben. Diese dient ebenfalls zur Unterdrückung von einem Nutzsignal überlagerten Störsignalen. Dazu ist in einem Hauptzweig ein adaptives Totzoneglied vorgesehen. In einem vom Hauptzweig abzwei genden Anpaßzweig befindet sich ein Filter, dessen Ausgangssignal zum Zwecke der Beeinflussung von Totzoneparametern einem Anpaßeingang (Va) des Totzonegliedes zugeführt ist. Das Filter ist hinsichtlich seines Durchlaßbereiches so eingerichtet, daß es den Nutzsignal-Frequenzbereich im wesentlichen sperrt. Zur Anpassung der Totzoneparameter wird im we sentlichen das Störsignal-Frequenzspektrum verwendet. Die Totzonebreite wird in Abhängigkeit von den Störsignalen variiert.

Gemäß der DE-AS 27 12 303 ist in einem Nebenzweig ein adaptives Totzone glied angeordnet. Dieses verfügt über einen Anpaßeingang, der ein Signal aus einem Anpaßzweig erhält, um eine Variierung der Totzonenbreite zu erreichen, und zwar nach Maßgabe der Höhe des Störanteiles, welcher von dem im Anpaßzweig gelegenen Hochpaß hindurchgelassen wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Filteranordnung der ein gangs genannten Art zu schaffen, die die starre Regel der Verkopplung von Amplituden- und Phasengang der linearen Filter durchbricht, d. h. diesen insbesondere für den jeweiligen Anwendungsfall bezüglich Phasen verlust günstiger gestaltet, und die darüber hinaus noch in der Lage ist, sich automatisch an wechselnde Betriebsbedingungen, vor allem bezüglich Schwankungen von Störsignalanteilen, anzupassen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gegebenen Merkmale gelöst. Eine Lösungsvariante ist dem Patentanspruch 2 zu entnehmen.

Die Unteransprüche enthalten weitere Ausgestaltungen der Erfindung.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Abbil dungen näher erläutert. Es zeigt in schematischer Weise:

Fig. 1a die Eingangs-Ausgangs-Kennlinie eines nicht adaptiven Totzone gliedes,

Fig. 1b ein Funktionsschaltbild für die Realisierung eines Totzone gliedes nach Fig. 1,

Fig. 2a ein Funktionsschaltbild für die Realisierung eines adaptiven Totzonegliedes, dessen Eingangs-Ausgangs-Kennlinie gemäß der Er findung in ihrem Nullpunkt verschiebbar ist,

Fig. 2b ein Funktionsschaltbild für die Realisierung eines adaptiven Totzonegliedes, bei dem der Betrag symmetrisch zum Nullpunkt liegender Ansprechschwellen (d₁=d₂=d) anpaßbar ist,

Fig. 2c ein Funktionsschaltbild für die Realisierung eines adaptiven Totzonegliedes gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Er findung, bei dem wahlweise der Nullpunkt der Totzone und/oder der Betrag symmetrisch zum Nullpunkt liegender Ansprechschwellen (d₁=d₂=d) verändert werden kann,

Fig. 3a ein Blockschaltbild einer Filteranordnung gemäß der Erfindung,

Fig. 3b ein Blockschaltbild einer ersten Variante der Filteranordnung gemäß Fig. 3a,

Fig. 3c ein Blockschaltbild einer weiteren Variante der Filteranordnung gemäß Fig. 3a,

Fig. 4a bis 4c Blockschaltbilder der Filteranordnungen gemäß den Fig. 3a bis 3c mit je einem zusätzlichen Schwellenwert-Anpaßzweig,

Fig. 5a bis 5c Blockschaltbilder spezieller Varianten der Filteranord nungen der Fig. 4a bis 4c und

Fig. 6a und 6b den Amplituden-Frequenz-Verlauf bzw. den Phasen-Frequenz- Verlauf einer Filteranordnung nach Fig. 5a.

Wie bereits erwähnt, enthält die erfindungsgemäße Filteranordnung als wesentliches Element ein adaptives Totzoneglied. In Fig. 1a ist zunächst die Eingangs-Ausgangs-Kennlinie eines gewöhnlichen, d. h. nicht adaptiven Totzonegliedes wiedergegeben. Ein solches Element ist in seinen Übertra gungseigenschaften dadurch definiert, daß es bei Eingangssignalen X, die betragsmäßig unterhalb bestimmter vorgegebener Ansprechschwellen d₁, d₂ liegen, kein Ausgangssignal liefert, die Ansprechschwellen über schreitende Anteile der Eingangssignale jedoch in ihrer Frequenz und Phase unverändert, in ihrer Amplitude allerdings um den Betrag der Ansprechschwellen verringert widergibt. Seine mathematische Funktionsdefinition unter Berücksichtigung der richtigen Vorzeichen der Ansprechschwellen (d₁0, d₂0) lautet:

Bei Realisierung der Totzone als Algorithmus in einer programmierbaren, digitalen Elektronik gibt diese mathematische Funktionsdefinition unmittelbar die Rechenvorschrift an. Für die Grenzwerte d₁=d₂=0 geht das Totzoneglied in ein lineares Übertragungselement mit der Übertragungsfunktion 1 über.

Fig. 1b zeigt ein Funktionsschaltbild für eine mögliche gerätetechnische Realisierung eines herkömmlichen Totzonegliedes mit festen Ansprechschwellen d₁ und d₂ unter Verwendung von je zwei Operationsverstärkern 101, 102, Rückführpotentiometern 103, 104 und Dioden 105, 106. Für die positive Ansprechschwelle d₂ ist der Einstellwert des ersten Poten tiometers 104 maßgebend, das zwischen dem Ausgang eines ersten, inver tierenden Operationsverstärkers 101 und einer festen, positiven Referenzspannung +U_R liegt, und dessen Abgriff über die eine, bezüglich der anliegenden Referenzspannung in Sperrichtung geschaltete Diode 106 direkt, d. h. ohne Vorwiderstand, auf den Eingang G dieses ersten Operationsverstärkers 101 zurückgeführt ist. Beide Operationsverstärker 101, 102 sind, was in Fig. 1b nicht eigens gezeigt ist, in ihren mit 1 bezeichneten, invertierenden Eingängen durch entsprechende Vor- und Rückführ widerstände als einfache Summierverstärker geschaltet. Für positive Eingangssignale x unterhalb der Ansprechschwelle d₂ sperrt die Diode 106, und das (negative) Ausgangssignal -y bleibt 0, da sich die beiden gleich großen Signale x an den Eingängen des zweiten Operationsverstärkers 102 (über die direkte Verbindung einerseits sowie über den ersten Operationsverstärker 101 andererseits) gerade aufheben. Wenn die Eingangsgröße x des Totzonegliedes die Ansprechschwelle d₂ gerade erreicht, liegt am Ausgang des ersten Operationsverstärkers 101 der invertierte Wert -d₂ an und bewirkt, daß das Potential am Abgriff des ersten Potentiometers 104 gerade durch 0 geht, wodurch die dort angeschlossene Diode 106 leitend wird und den Rückführwiderstand des ersten Operationsverstärkers 101 kurzschließt. Dadurch bleibt auch für höhere Eingangssignale x<d₂ das Ausgangssignal des ersten Operationsverstärkers 101 konstant auf dem negativen Wert -d₂ stehen und wird im nachgeschalteten zweiten Operationsverstärker 102 vom Eingangswert subtrahiert. Für negative Eingangssignale x des Totzonegliedes ergeben sich analoge Verhältnisse unter Berücksichtigung der über das zweite Potentiometer 103 eingestellten Ansprechschwelle d₁ und der zweiten Diode 105. Einfache Überlegungen zeigen, daß die gewünschten Ansprech schwellen d₁, d₂ bei folgenden Einstellwerten der Potentiometer 104, 105 realisiert werden:

Pot. 103: P₃ = d₁/(d₁+U_R)
Pot. 104: P₄ = d₂/(d₂+U_R) (2)

Abweichungen von dieser Einstellregel sind durch die unvermeidlichen Anlaufstrombereiche der Dioden 103, 104 bedingt und können durch eine konstante, für die verwendete Diodenart typische Potentialverschiebung berücksichtigt werden. Liegen die Ansprech schwellen symmetrisch zum Nullpunkt des Totzonegliedes (|d₁|=d₂=d), so lautet die Einstellregel für beide Potentiometer 103, 104 dementsprechend:

P = d/(d+U_R) (3)

Gemäß der Erfindung soll nun der Nullpunkt des Totzonegliedes (N in Fig. 1a) und damit die gesamte Eingangs-Ausgangs-Kennlinie mittels eines Anpaßsignals anpaßbar, d. h. bei gleichbleibenden Abständen derAnsprechschwellen d₁, d₂ vom Nullpunkt bezüglich des Eingangssignals x veränderbar sein, was sich zum Beispiel durch eine entsprechende Veränderung der Referenzspannung U_R erreichen läßt. Fig. 2a zeigt eine entsprechende Anordnung, die aus Fig. 1b durch Erweiterung um zwei Operationsverstärker 107, 108 zur Erzeugung der Referenzspannung U_R hervorgeht. Bei fest eingestellten Werten der Potentiometer 103, 104 ergeben sich die zur Erhaltung der gewünschten Ansprechschwellen d₁, d₂ erforderlichen Eingangsgrößen für diese zusätzlichen Operationsverstärker durch einfache Umformung aus Gleichung (2) als:

d₁ = P₃U_R/(1-P₃)
d₂ = P₄U_R/(1-P₄) (4)

oder bei symmetrischen Schwellwerten (|d₁|=d₂=d) und entsprechenden Potentiometereinstellungen (P₃=P₄=P) als

d=PU_R/(1-P) (5)

Eine Parallelverschiebung der Ansprechschwellen und damit auch des Nullpunktes N der Eingangs-Ausgangs-Kennlinie um einen Anpaßwert ΔN wird, wie in Fig. 2a gezeigt, in einfacher Weise durch Addition eines in gleicher Weise wie die Ansprechschwellen d₁, d₂ skalierten Signals ΔN über die zusätzlichen Operations verstärker 107, 108 bewerkstelligt.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung können auch die Beträge der Ansprechschwellen des Totzonegliedes zwischen vorgegebenen unteren und/oder oberen Grenzwerten anpaßbar sein, wobei die unteren Grenzen im Extremfall auch Null werden können. Für den vereinfachten Fall symmetrisch zum Nullpunkt des Totzonegliedes liegender Ansprechschwellen |d₁|=d₂=d zeigen Fig. 2b ein gegenüber Fig. 2a derart abgewandeltes Funktions schaltbild, daß lediglich eine über ein geeignetes Anpaßsignal steuerbare Änderung der Ansprechschwellen (d=d₀) ermöglicht wird, und Fig. 2c ein Funktionsschaltbild einer Anordnung, welche die adaptiven Einstellmöglichkeiten der Fig. 2a und 2b kombiniert.

Wie aus Fig. 2c im Vergleich mit Fig. 2a hervorgeht, ist für die genannte Weiterbildung der Erfindung lediglich eine andere Verschaltung der zusätzlichen Operationsverstärker 107 und 108 erforderlich. Eine Realisierung verschiedener, unsymmetrisch zum Nullpunkt gelegener anpaßbarer Schwellwerte d₁, d₂ bedarf keiner weiteren Erklärungen. Es erübrigt sich auch zu erwähnen, daß Totzoneglieder mit den vorgenannten adaptiven Merkmalen auch auf andere Art, und teilweise sogar besser, wie z. B. unter Verwendung von Komparatoren und Schalttransistoren statt der beschriebenen Dioden, realisiert werden können.

Fig. 3a zeigt nun in einem Blockschaltbild den grundsätzlichen Aufbau der Filteranordnung gemäß der Erfindung. Demnach wird ein zu filterndes Eingangssignal f₁(t) in parallelen Zweigen einmal dem Eingang eines adaptiven Totzonegliedes 301 und einem Filter 302 zugeführt. Das Filter-Ausgangssignal f_D(t) wird sowohl einem Anpaßeingang des Totzonegliedes 302 zur Verstellung seines Nullpunktes N um einen Anpaßwert ΔN als auch einem Summierglied 303 zu geführt, welches dieses Signal f_D(t) mit dem Ausgangssignal f_T(t) des Totzonegliedes 301 additiv zum gefilterten Signal f₂(t) verknüpft. Zur Erläuterung der Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Filteranordnung sei angenommen, daß die Aufgabe darin besteht, ein niederfrequentes Nutzsignal einer Amplitude A und einer Frequenz Ω von einem hochfrequenten Störsignal einer anderen Amplitude a und anderen Frequenz ω zu befreien, d. h. aus einer Zeitfunktion der Form

f₁(t) = A sin(Ωt) + a sin(ωt) (6)

den Nutzsignalanteil zu gewinnen. Das Filter 302 muß in diesem Fall als z. B. linearer Tiefpaß ausgeführt werden, mit einer Bandbreite ω_B, die zwischen Nutz- und Störsignalfrequenz liegt:

Ω < ω_B < ω (7)

Das Filter-Ausgangssignal f_D(t) wird im wesentlichen die Form haben

f_D(t) = A₁sin(Ωt+ϕ) + ε(t) (8)

wobei sich dieses Signal vom Nutzsignal in Amplitude und Phase im Durchlaßbereich des Filters nur wenig unterscheidet (A₁≅A, ϕ≅0) und der im Sperrbereich des Tiefpasses liegende Störsignalanteil ε(t) vernachlässigbar ist. Berücksichtigt man die Wirkung der Nullpunktverschiebung des Totzonegliedes mit dem Signal f_D(t), so wird das Ausgangssignal des Totzonegliedes die Form haben:

Dabei ist wieder das richtige Vorzeichen der Ansprechschwellen (d₁0, d₂0) zu beachten.

In einem nachfolgenden Summierglied 303 wird gemäß Fig. 3a dem Ausgangssignal f_T(t) des adaptiven Totzonegliedes 301 das zur Null punktanpassung dienende Filter-Ausgangssignal f_D(t) überlagert, so daß sich für das gefilterte Signal f₂(t) ergibt:

f₂(t) = f_T(t) + f_D(t) (10)

Nimmt man der Einfachheit halber an, daß die Ansprechschwellen des Totzonegliedes 301 symmetrisch zum Nullpunkt liegen (|d₁| = |d₂| = d), so ergibt sich als gefiltertes Signal:

Zum Verständnis der Funktion werden nun die drei wesentlichen Frequenzbereiche, nämlich Durchlaßbereich, Sperrbereich und Übergangs- oder Zwischenfrequenzbereich des Nullpunkt-Anpaßzweiges betrachtet:

Im Durchlaßbereich des hier betrachteten Beispieles, d. h. im Bereich niedriger Frequenzen folgt die Nullpunktnachführung des Totzonegliedes 301 praktisch fehlerfrei dem Nutzsignalverlauf und bewirkt damit seine Unterdrückung im Totzoneglied. Dieser am Ausgang des Totzonegliedes 301 fehlende Signalanteil wird jedoch im nachfolgenden Summierglied 303 über den Nullpunkt-Anpaßzweig wieder hinzugefügt. Die Totzone (der Breite ±d) "reitet" damit gewissermaßen auf der Nutzsignalamplitude und unterdrückt alle additiv überlagerten hochfrequenten Störsignalanteile, gleichgültig welcher Frequenz, soweit sie nur außerhalb des Durchlaßbereichs des Nullpunkts-Anpaßzweiges liegen und die Beträge ihrer Amplituden die Totzonebreite nicht überschreiten. Ist insbesondere die Störamplitude bekannt und die Totzonebreite danach angepaßt so wird die Totzone durch das hochfrequente Signal vollständig ausgefüllt und bewirkt damit gleichzeitig eine weitgehende Linearisierung der nichtlinearen Eingangs-Ausgangs-Kennlinie des Totzonegliedes nach der Art eines sogenannten Dithersignals. In der Praxis werden allerdings die Störsignalanteile häufig aus einem Frequenzgemisch, insbesondere auch Rauschanteilen, bestehen, von denen bestenfalls Spektralverteilungen oder statistische Mittelwerte bekannt sind. Die Totzonebreite wird dann zweckmäßigerweise auf solche statistischen Mittelwerte wie quadratischen Mittelwert, Varianz (σ), und/oder Vielfache davon, z. B. den sogenannten 2σ- oder 3σ-Wert, eingestellt. In diesem Fall wird zwar keine vollständige Unterdrückung der Störsignalanteile, wohl aber eine erhebliche Verbesserung der Signal-Rausch-Verhältnisse erzielt.

Treten bei einer so abgestimmten Filteranordnung gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung kurzzeitige Änderungen des Eingangssignals auf, so werden diese im Hauptzweig (Fig. 3a) ohne Phasenverschiebung über das Totzoneglied 301 unmittelbar und ohne Verzögerung zum Ausgang weitergeleitet, da der Nullpunkt-Anpaßzweig solchen Änderungen nicht zu folgen vermag und der Nullpunkt des Totzonegliedes unverändert bleibt. Diese Änderungen spiegeln sich im gefilterten Signal allerdings nur im Mittelwert der den Totzonebereich überschreitenden hochfrequenten Signalanteile wieder, was zu einer kurzzeitigen, nur in der Übergangsphase bis zum Nachlaufen des Nullpunkts-Anpaßzweiges wirksamen Verschlechterung der Signal-Rausch-Ver hältnisse führt, nach Einstellung des stationären Zustandes jedoch wieder verschwindet. Solche Verhältnisse treten insbesondere dann auf, wenn über geeignete Kommandos gewünschte Änderungen der Betriebsbedingungen oder Arbeitspunkte in ein die erfindungsgemäße Filteranordnung enthaltendes System eingegeben werden. Ähnliche Verhältnisse wie im Zusammenhang mit kurzfristigen Änderungen des Arbeitspunktes beschrieben gelten auch im Übergangsbereich des Nullpunkt-Anpaßzweiges. Eingangssignale, deren Frequenz zwischen Durchlaßbereich und Sperrbereich des im Nullpunkt- Anpaßzweig angeordneten Filters 302 liegt, erleiden eine Amplituden- und Phasenänderung und führen damit zu einem entsprechenden Fehler in der Nullpunktnachführung des adaptiven Totzonegliedes. Dessen ungeachtet wird jedoch das Eingangssignal f₁(t) über das phasenunempfindliche Totzoneglied 301 und das nachfolgende Summierglied 303 zum Ausgang der Filteranordnung durchgeleitet.

Um dies einzusehen, denke man sich vorübergehend den Totzonebereich durch entsprechende Wahl der sie steuernden Signale (Fig. 2b, 2c) gleich Null gesetzt. Unter Bezug auf Fig. 3a und die sie beschreibende Gleichung (11) entartet das Totzoneglied 301 dann zu einer streng linearen Eingangs- Ausgangs-Kennlinie, deren Nullpunkt über den Nullpunkte-Anpaßzweig mittels des Filter-Ausgangssignals f_D(t) verschiebbar bleibt. Damit entfällt auch die getroffene Unterscheidung negativer und positiver Amplitudenbereiche, und die beschreibende Gleichung (11) erhält die Form

f₂(t) = f₁(t) - f_D(t) + f_D(t) = f₁(t) (11a)

d. h., daß das gefilterte Signal f₂(t) für jedes beliebige Filter-Ausgangssignal f_D(t) mit dem Eingangssignal f₁(t) in Amplitude und Phase identisch bleibt.

Bei Vorhandensein einer Totzone zur Unterdrückung unerwünschter Signalanteile werden dem gegenüber im betrachteten Zwischenfrequenzbereich Amplituden- und Phasenabweichungen des Filter-Ausgangssignals f_D(t) gebenüber dem Eingangssignal ₁(t) dazu führen, daß die an sich zu unterdrückenden, den Totzonebereich im wesentlichen ausfüllenden Störsignale die Ansprechschwellen (d₁, d₂, d) überschreiten und ihr durch den Gleichrichtereffekt der Totzone- Charakteristik entstehender Mittelwert mit guter Näherung das unverzögerte Eingangssignal widerspiegelt. Je nach Art des Signalspektrums im betrachteten Zwischenfrequenzbereich treten für diese Signale mehr oder weniger geringfügige Amplitudenverzerrungen und Restanteile nicht unterdrückter hochfrequenter Störsignale auf, deren letztere im Bedarfsfalle durch zusätzlich nachgeschaltete Filter weiter abgeschwächt werden können.

Fig. 3b zeigt ein Blockschaltbild einer Variante der Erfindung, um auf andere Weise die mit der Nullpunktverschiebung des Totzonegliedes erreichbaren Wirkungen zu erzielen. In diesem Fall wird die durch Nullpunktsverschiebung der Eingangs-Ausgangs- Kennlinie eines Totzonegliedes bedingte Wirkung dadurch erreicht, daß einem gewöhnlichen, nichtadaptiven Totzoneglied 300 die in einem vorgeschalteten, weiteren Summierglied 304 gebildete Differenz zwischen Eingangssignal f₁(t) und dem in einem Filterzweig über das Filter 302 gebildeten Filter-Ausgangssignal _D(t) zugeführt wird. Obwohl sich im all gemeinen lineare und nichtlineare Schaltkreiselemente nicht ohne Auswirkungen auf die Wirkungsweise eines Schaltkreises vertauschen lassen, ist diese Maßnahme im vorliegenden Fall mit der Realisierung einer Nullpunktverschiebung des Totzonegliedes entsprechend den Ausführungsbeispielen (Fig. 2a, 2c) völlig identisch und kann z. B. wahlweise dann eingesetzt werden, wenn sich damit eine Verringerung des Realisierungsaufwandes erzielen läßt.

Fig. 3c zeigt ein Blockschaltbild einer weiteren Variante der Erfindung, die dazu dient, das Übertragungsverhalten im Zwischenfrequenzbereich weiter zu verbessern. Dies wird durch Einschalten eines weiteren Filters 305 zwischen dem Ausgang des Filters 302 und dem die Nullpunktsverschiebung der Totzone bewirkenden Summiergliedes 304 erreicht. Unerwünschte Amplituden- und Phasenänderungen, hervorgerufen durch das Filter 302, können damit weitgehend korrigiert und gleichzeitig eventuelle Amplitudenverzerrungen der Eingangs-Ausgangs-Kennlinie, die von der Wirkung der Totzone herrühren, weiter linearisiert werden. Es ist offensichtlich, daß die Übertragungseigenschaften des weiteren Filters 305 auf das Filter 302 abgestimmt sein müssen und daher beispielsweise bei Ausbildung des letzteren als Tiefpaß insbesondere Amplituden überhöhung bzw. Phasenvorhalt bildende Filter wie Hochpässe, Bandpässe und Vorhaltglieder geeignet sind.

Selbstverständlich lassen sich alle linearen Übertragungsglieder, die zur Erläuterung des Erfindungsgedankens getrennt ausgewiesen und in ihrem Einfluß zum erfindungsgemäßen Zweck diskutiert worden sind, durch lineare Umformungen in äquivalente Schaltungen und Netzwerke umrechnen. Dies trifft insbesondere für das Filter 302, das weitere Filter 305 und die Verknüpfung des Filter-Ausgangssignals f₀(t) mit dem Eingangssignal f₁(t) im Summierglied 304 zu.

In der Praxis tritt nun häufig der Fall auf, daß sich die Signal verhältnisse insbesondere bezüglich ihrer Störanteile abhängig von den jeweils gerade herrschenden Betriebs- und Umweltbedingungen, wie z. B. Temperaturschwankungen, Alterungserscheinungen und dergleichen verändern. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Erfindungsgedankens kann erreicht werden, daß die Güte der Störunterdrückung trotz betriebsbedingter Änderungen des Störpegels hinsichtlich Amplituden und spektraler Verteilung erhalten bleibt. Diese vorteilhaften Eigenschaften einer Filteranordnung der vorstehend beschriebenen Art werden dadurch sichergestellt, daß die Beträge der Ansprechschwellen des Totzonegliedes durch einen zusätzlichen adaptiven Eingriff in Abhängigkeit von Signalen verändert werden, die aus dem Ein gangssignal durch Mittelwertbildung über alle, innerhalb eines oder mehrerer ausgewählter Frequenzbereiche des Störspektrums liegenden Signalanteile gewonnen werden. Die Anpassung kann kontinuierlich oder in diskreten Schritten erfolgen. Bei Auftreten nur sehr langzeitig wirksamer Schwankungen der Störungen kann die Verstellung der Ansprechschwellen natürlich auch extern und evtl. von Hand vorgenommen werden.

Fig. 4a zeigt das Blockschaltbild einer Variante der genannten Art. Die nichtlineare, weitestgehend phasentreue Filteranordnung nach Fig. 3a ist dabei erweitert um einen Schwellwert-Anpaßzweig, der wie der Nullpunkts-Anpaßzweig vom Eingangssignal f₁(t) gespeist wird, und dessen Ausgangssignale f₄₁(t), f₄₂(t) dazu benutzt werden, die Ansprechschwellen d₁, d₂ des im Hauptzweig liegenden Totzonegliedes 401 zu verschieben beispielsweise auf die in Fig. 2c gezeigten Weise. In dem zusätzlichen Schwellwert-Anpaßzweig selbst sind Filter 403, ein Mittelwertbildner 404, ein Formfilter 405, eine Aufschaltfunktion 406 und eventuell ein Totzoneglied 407 bekannter Art (z. B. nach Fig. 1b) mit fest vorgegebenen Ansprechschwellen angeordnet.

Das Filter 403 dient zur Festlegung der Frequenzgrenzen, innerhalb derer eine Anpassung der Totzone im Totzoneglied 401 des Hauptzweiges erfolgen soll. Vorzugsweise werden hier Hochpaßfilter, Bandpaßfilter, aber auch Tiefpaßfilter und je nach Anwendungsfall Kombinationen der genannten Filterarten in geeigneter Serien- und/oder Parallelschaltung eingesetzt. Für den Mittelwertbildner 404 kommen alle Schaltungen oder Bauelemente in Frage, die geeignet sind, aus dem Frequenzgemisch am Ausgang des Filters 403 von Null verschiedene Mittelwerte oder Gleichanteile zu bilden, wie beispielsweise Einweggleichrichter, Doppelweggleichrichter, Spitzenwertgleichrichter sowie gerade Potenzen ihres Eingangssignals bildende Funktionselemente, wie Quadrierer und dergleichen.

Im nachfolgenden Formfilter 405 des Schwellwert-Anpaßzweiges gemäß Fig. 4a wird das Ausgangssignal des Mittelwertbildners 404 geglättet, bzw. es werden Signalanteile für die Anpassung der Ansprechschwellen ungeeigneter, z. B. hoher Frequenzen unterdrückt, wozu sich Tiefpaßfilter erster und höherer Ordnung oder Bandsperren in besonderem Maße eignen.

Durch die Aufschaltfunktion 406 des Schwellwert-Anpaßzweiges wird fest gelegt, nach welchem funktionalen Zusammenhang die Ansprechschwellen des Totzonegliedes 401 im Hauptzweig angepaßt werden sollen. Im einfachsten Fall kann es sich dabei um lineare Verstärkungskennlinien mit Ausgangssignalbegrenzung handeln, wobei die Begrenzung sicherstellt, daß keine unerwünscht großen Erweiterungen des Totzonebereichs und damit verbundene Signalunterdrückung im Durchlaßbereich auftreten können. Im allgemeinen werden jedoch geeignete, auf die Charakteristik der Mittelwertbildung abgestimmte, nichtlineare Verstärkungskennlinien, wie z. B. inverse quadratische Kennlinien entsprechend Quadratwurzelfunktionen, logarithmische Kennlinien oder Funktionen und dergleichen zweckmäßiger sein, um den jeweiligen Anforderungen gerecht zu werden. In vielen Fällen empfiehlt es sich erfindungsgemäß, der Aufschaltfunktion 406 ein Totzoneglied 407 mit unveränder lichen Ansprechschwellen (Fig. 1b) nachzuschalten zur Unterdrückung der unvermeidbaren Restwelligkeit des Schwellwert- Anpaßsignals, sowie um eine definierte untere Grenze der Anpassung der Ansprechschwellen sicherzustellen. Insbesondere kann durch eine unsymmetrische Aufschaltfunktion 406 und/oder Totzoneglieder mit betragsmäßig verschiedenen links- bzw. rechtsseitigen Ansprechschwellen und/oder Verstärkungen im Schwellwert-Anpaßzweig eine dementsprechend unsymmetrische Verstellung der Ansprechschwellen im Totzoneglied 401 des Hauptzweiges erreicht werden.

Aus den Ausführungen zu den Fig. 3a und 3c, insbesondere was die Phasentreue der Filterübertragung bei Totzonebreite 0 bzw. kleinen Werten auch in den Zwischenbereichen anbelangt, wo das Filter 302 bereits Amplituden- und Phasenveränderungen des Nutzsignals aufweist, geht hervor, daß für das Übertra gungsverhalten der Filteranordnung die Einsatzflanke des Amplitudenabfalls im wesentlichen dort ansetzt, wo der Schwellwert-Anpaßzweig den Totzonebereich zur Unterdrückung der Störsignalamplituden zu öffnen beginnt. Liegt dieser Einsatzpunkt bei Frequenzen, die wesentlich höher liegen als die Bandbreite des Durchlaßbereichs für die Nullpunktverschiebung, so bleibt die phasentreue Übertragung auch bis zu dieser Frequenz gewährleistet.

Fig. 4b zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform, bei der in einer zu Fig. 3b analogen Weise die Nullpunktsverschiebung des Totzonegliedes 401 durch eine Differenzbildung zwischen Eingangs signal f₁(t) und Filter-Ausgangssignal f_D(t) in einem Summierglied 304 vor dem Eingang des Totzonegliedes 401 ersetzt ist.

In Fig. 4c ist das Blockschaltbild einer weiteren Variante gezeigt, bei der zur weiteren Verbesserung des dynamischen Verhaltens und Kompensation von Amplitudenverzerrungen im Übergangsbereich ein weiteres Filter 305 vorgesehen ist, dessen Funktion und Übertragungs merkmale bereits im Zusammenhang mit Fig. 3c beschrieben wurden.

Fig. 5a zeigt ein Ausführungsbeispiel der Filteranordnung gemäß der Erfindung in ihrer erweiterten, doppelt adaptiven Form. In Übereinstimmung mit den Erläuterungen zur Funktionsweise einer ersten Ausführungsform der Erfindung nach den Fig. 3a und 3b wurde im Nullpunkts- Anpaßzweig ein Tießpaßverhalten angenommen, das im vorliegenden Fall durch ein gewöhnliches Tiefpaßfilter zweiter Ordnung mit einer Filterzeitkonstante T₁ und einer Dämpfung ζ₁ sichergestellt wird. Im Schwellwert-Anpaßzweig sind in spezieller Ausbreitung der in Fig. 4a gezeigten Funktionselemente einzelne Übertragungsfunktionen bzw. Eingangs-Ausgangs-Kennlinien dargestellt. Danach besteht der Schwellwert-Anpaßzweig aus einem linearen Hochpaß zweiter Ordnung als Filter 403, einem Quadrierer als Mittelwertbildner 404, einem zweifachen linearen Tiefpaß erster Ordnung als Formfilter 405, einem Ouadratwurzelbildner als Aufschaltfunktion 406 und einem nachfolgenden Totzoneglied 407 mit unveränderlichen Ansprechschwellen ±δ, einer Verstärkung V_H im linearen Kennlinienbereich und Ausgangssignal begrenzung ±L. Der Einfachheit halber wurde ferner angenommen, daß die Anpassung der Ansprechschwellen im Totzoneglied 401 des Hauptzweiges symmetrisch zum Nullpunkt erfolgt und dessen Verschiebung (ΔN) mit dem Filter-Ausgangssignal f_D(t) etwa gemäß Fig. 2c vorgenommen wird.

Fig. 5b stellt das Ausführungsbeispiel von Fig. 5a in geringfügig abgewandelter Form dar, indem nämlich das Totzoneglied 402 im Hauptzweig als lediglich adaptiv (±Δd) in seinen Ansprechschwellen ±d, etwa gemäß Fig. 2b, und seine Nullpunktsverschiebung über die bereits beschriebene Differenzbildung im vorgeschalteten Summierglied 304 ausgeführt ist.

Fig. 5c zeigt eine Erweiterung des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels um ein weiteres Filter 305 zur Verbesserung des dynamischen Verhaltens und der Eingangs-Aus gangs-Kennlinie im Übergangsbereich vom Nutz- zum Störspektrum des zu filternden Eingangssignals f₁(t). Das Filter 305 ist in diesem Fall als einfacher, symmetrischer Bandpaß ausgebildet, wobei die Parameter zweckmäßigerweise in folgender Relation zueinander gewählt werden:

T₁ < aT₂ < T₂ < aT₃ < T₃ < T_H (12)

um die erwähnte Amplitudenüberhöhung (a) und Phasenvoreilung im Zwischenfrequenzbereich zu erzielen.

Die gerätetechnische Ausführung der vorstehend in ihrer Wirkungsweise und ihren Übertragungseigenschaften beschriebenen Funktionselemente der Anpaßzweige, wie Filter, Gleichrichter, lineare und nichtlineare Eingangs-Ausgangs-Kennlinien bereitet dem Fachmann keinerlei Schwierigkeiten. Die Umsetzung der in analoger Darstellung gegebenen Filter-Übertragungsfunktionen und Eingangs-Ausgangs- Kennlinien in entsprechende Digitalschaltungen oder Algorithmen für Prozeßrechner als Realisierungshilfsmittel ist dem Fachmann gleichermaßen geläufig.

Das in Fig. 5a beschriebene Ausführungsbeispiel einer doppelt adaptiven, nichtlinearen Filteranordnung wurde mit Hilfe analoger Bausteine realisiert und sein Frequenzgang vermessen. Die Fig. 6a und 6b zeigen den gemessenen Amplituden- bzw. Phasenverlauf 6a bzw. 6b in Abhängigkeit von der Frequenz bei sinusförmigen Eingangssignalen für folgende Parameterwerte:

T₁ = 1,4 sec
ζ₁ = 0,6
T_H = 0,1
T_F = 50 sec
V_H =
δ = 0

bei linearer Eingangs-Ausgangs-Kennlinie mit der Verstärkung V_H und verschwindender Totzone des entarteten "Totzonegliedes" 407. Man erkennt die Vorteile der erfindungsgemäßen, nicht linearen Filteranordnung, wenn man z. B. Amplitude und Phase mit der des normalen, linearen Durchlaßbereichsfilters 2. Ordnung vergleicht. Der Verlauf beider Frequenzgänge ist in Fig. 6a und 6b dargestellt.

Es liegt auf der Hand, daß neben den zur Erläuterung der Erfindung gewählten Beispielen und Ausführungsformen der Anpaßzweige je nach Anwendungsfall auch andere Ausgestaltungen, Filterarten, sowie lineare und nichtlineare Übertragungselemente Anwendung finden können. Insbesondere können in beiden beschriebenen Anpaßzweigen zweckdienliche Serien- und Parallelschaltungen einzelner Filter bzw. Übertragungsglieder zur Anwendung kommen und in konsequenter Weiterbildung der Erfindung auch vollständige Anpaßzweige zur Realisierung sich überlappender oder sich gegenseitig aus schließender Teilbereiche der Anpassung über ausgewählte Frequenz- und/oder Amplitudenbereiche Anwendung finden. Bei der Auslegung der Anpaßzweige ist zu beachten, daß der Schwellenwert-Anpaßzweig infolge der in ihm enthaltenen Mittelwertbildung nur auf Signalamplituden, nicht aber auf Phasenverhältnisse reagiert. Daraus folgt, daß die Einsatzflanken der die zu unterdrückenden Störspektren begrenzenden Frequenzbereiche durch Verwendung von Filtern hoher Ordnung sehr scharf abgegrenzt werden können, ohne daß die damit verbundene Phasenverschiebung sich auf das Ausgangssignal der nichtlinearen Filteranordnung nachteilig auswirkt.

Claims

1. Filteranordnung zum Unterdrücken von Störsignalen, die einem Nutzsignal überlagert sind und zusammen mit diesem ein Eingangssignal f₁(t) bilden, sowie zum ausgangsseitigen Abgeben eines entsprechenden gefilterten Signals f₂(t), wobei Nutz- und Störsignale im wesentlichen in unterschiedlichen Frequenzbereichen vorliegen, mit einem adaptiven Totzoneglied, welches in einem das Eingangssignal aufnehmenden Hauptzweig angeordnet ist, einem von letzterem vor dem Totzoneglied ab zweigenden Anpaßzweig mit einem Filter, dessen Ausgang zum Zwecke der Beeinflussung von Totzoneparametern mit einem Anpaßeingang des Totzone gliedes verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein den Nutzsignal- Frequenzbereich hindurchlassendes Filter (302) verwendet und das Totzoneglied (301) so ausgelegt ist, daß der Nullpunkt N der Totzone proportional zur Amplitude des am Anpaßeingang anstehenden Signals ver schoben wird, und daß der Ausgang des Filters (302) zusätzlich mit einem dem Totzoneglied (301) nachgeschalteten, dessen Ausgangssignal f_T(t) zum Filter-Ausgangssignal f_D(t) addierenden, seinerseits ausgangsseitig das gefilterte Signal f₂(t) abgebenden Summierglied (303) verbunden ist.

2. Filteranordnung zum Unterdrücken von Störsignalen, die einem Nutzsignal überlagert sind und zusammen mit diesem ein Eingangssignal f₁(t) bilden, sowie zum ausgangsseitigen Abgeben eines entsprechenden gefilterten Signals f₂(t), wobei Nutz- und Störsignale im wesentlichen in unterschiedlichen Frequenzbereichen vorliegen, mit einem Totzone glied, welches in einem das Eingangssignal aufnehmenden Hauptzweig an geordnet ist, sowie einem von letzterem vor dem Totzoneglied abzweigenden Filterzweig mit einem Filter, dadurch gekennzeichnet, daß ein den Nutzsignal-Frequenzbereich hindurchlassendes Filter (302) verwendet wird, dessen Ausgang einmal mit einem Eingang eines dem Totzoneglied (300) im Hauptzweig vorgeschalteten, an seinem anderen Eingang das Ein gangssignal f₁(t) aufnehmenden und von diesem das Filter-Ausgangssignal f_D(t) subtrahierenden Summiergliedes (304) und zum anderen mit einem Eingang eines weiteren, dem Totzoneglied (300) nachgeschalteten, an seinem anderen Eingang das Totzone-Ausgangssignal f_T(t) aufnehmenden und dieses zum Filter-Ausgangssignal f_D(t) addierenden, seinerseits ausgangsseitig das gefilterte Signal f₂(t) abgebenden Summiergliedes (303) verbunden ist.

3. Filteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem mit dem Ausgang des Filters (302) verbundenen einen Eingang des Sum miergliedes (304) ein weiteres Filter(305) vorgeschaltet ist.

4. Filteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß als Filter (302) ein Tiefpaß erster oder zweiter Ord nung verwendet ist.

5. Filteranordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 4, dadurch ge kennzeichnet, daß das adaptive Totzoneglied (301) vier Operationsver stärker (101, 102, 107,. 108) aufweist, erste Eingänge des ersten (101) und zweiten Operationsverstärkers (102) mit dem Eingang (x) des Totzone gliedes (301), der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers (102) mit dem Ausgang (y) des Totzonegliedes (301), erste Eingänge des dritten (107) und vierten Operationsverstärkers (108) mit dem Anpaßeingang (ΔN) des Totzonegliedes, der Ausgang des ersten (101) und ein zweiter Eingang des zweiten Operationsverstärkers (102) mit den einen Enden zweiter Potentiometer (103, 104), die Ausgänge des dritten (107) und vierten Operationsverstärkers (108) jeweils mit dem anderen Ende eines der beiden Potentiometer (103, 104), die Abgriffe der Potentiometer (103, 104) über in Reihe geschaltete Dioden (105, 106) miteinander und ein zweiter Eingang des ersten Operationsverstärkers (101) mit einem zwischen den Dioden (105, 106) gelegenen Abgriff verbunden sind.

6. Filteranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zweite Eingänge des dritten (107) und vierten Operationsverstärkers (108) mit zusätzlichen, das Anlegen von Potentialen zur Einstellung der Ansprechschwellen (d₁, d₂) der Totzone erlaubenden Eingängen des Totzonegliedes (301) verbunden sind.

7. Filteranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Operationsverstärker (107) zusätzliche Eingänge zum Anlegen von Potentialen zur Einstellung symmetrischer Ansprechschwellen (±d) der Totzone sowie zur symmetrischen Veränderung dieser Ansprechschwellen (Δd) aufweist und sein Ausgang zusätzlich mit einem zweiten Eingang des vierten Operationsverstärkers (108) verbunden ist.

8. Filteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vom Hauptzweig zusätzlich ein das Eingangssignal f₁(t) aufnehmender Schwellenwert-Anpaßzweig abzweigt, der ein den Störsignal-Frequenzbereich hindurchlassendes Filter (403) und einen Mit telwertbildner (404) enthält und mit zusätzlichen, der Anpassung (Δd₁, Δd₂; ±Δd) der Ansprechschwellen dienenden Eingängen des Totzonegliedes (402) verbunden ist.

9. Filteranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellenwert-Anpaßzweig ein weiteres Totzoneglied (407) mit fest einstellbaren Ansprechschwellen enthält.

10. Filteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ge kennzeichnet durch eine zumindest teilweise Realisierung der Funktions elemente durch funktionsmäßig äquivalente Algorithmen einer festverdrahteten oder programmierbaren Digitalelektronik.