Ausgangssituation der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur
automatischen Verstärkungsregelung zur Verwendung im Empfänger
eines Funkübertragungssystems o.dgl., und insbesondere eine
Schaltungsanordnung zur automatischen Verstärkungsregelung
unter Verwendung digitaler Regelungstechnik.
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Eine Schaltungsanordnung zur automatischen
Verstärkungsregelung, die verbreitet in Empfängern von
Funkübertragungssystemen o.dgl. angewendet wird, ist für Regelungszwecke
vorgesehen, um empfangene Signale, die auf der
Funkübertragungsstrecke von einer Amplitudenänderung durch Fading oder
andere Gründe betroffen wurden, auf einer konstanten Amplitude
zu halten. Viele derartige neue Regelschaltungen verwenden
digitale, statt analoge Regelungstechnik. Eine
Schaltungsanordnung zur automatischen Verstärkungsregelung mit derartiger
digitaler Regelungstechnik besteht hauptsächlich aus einer
Schaltung mit automatisch geregelter Verstärkung
(AGC-Schaltung), auch Regelverstärker genannt, einem Analog-Digital-
Wandler (A/D-Wandler), einem digitalen AGC-Controller und
einein Digital-Analog-Wandler (D/A-Wandler). In dieser
Schaltungsanordnung wird das Ausgangssignal des Regelverstärkers
durch den A/D-Wandler in ein digitales Signal umgewandelt,
dann durch den digitalen AGC-Controller in ein digitales
Steuersignal und schließlich durch den D/A-Wandler in ein
analoges Steuersignal, welches an den Regelverstärker angelegt
wird. Der Regelverstärker verändert seine Verstärkung als
Antwort auf ein analoges Steuersignal und führt die Regelung
durch, damit das Ausgangssignal des Regelverstärkers auf einer
konstanten Amplitude gehalten wird.
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Wenn in einer solchen Schaltungsanordnung zur
automatischen Verstärkungsregelung, wie nachfolgend ausführlich
beschrieben,
die Zahl der Bits im A/D-Wandler und im D/A-Wandler
klein und die Variabilität der Ausgangsamplitude des
Regelverstärkers groß ist, dann ist die Ausgangsamplitudenregelung
durch den Regelverstärker grob, und das Ausgangssignal des
Regelverstärkers wird nicht konstant, was zu
amplitudenmodulierten Signalen führt. Wenn dagegen die
Ausgangsamplitude fein geregelt werden soll, müssen die oben erwähnten
Wandler in der Lage sein, größere Zahlen von Bits zu
verarbeiten, was höhere Kosten der Wandler und einen komplexeren
Aufbau des digitalen AGC-Controllers bedeuten würde. Außerdem
würde dies ein feineres Hinunter- und Hinaufregeln der
digitalen Steuersignale im digitalen AGC-Controller nach sich
ziehen, was zu dem Nachteil führen würde, daß der Controller
außerstande wäre, abrupten Änderungen der Eingangsamplitude, die
durch Fading oder andere Ursachen bewirkt würden, zu folgen.
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In der Patentbeschreibung des französischen Patents,
das am 27. Oktober 1972 unter der Nummer 2 129 053
veröffentlicht wurde, wird ein automatisches Verstärkungsregelsystem
vorgeschlagen, in dem ein erstes Steuersignal als Antwort auf
ein verstärkungsgeregeltes Signal erzeugt wird und ein zweites
Steuersignal ein zeitlich variiertes Signal ist, das nicht von
einem Eingangssignal abhängt.
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Eine erfindungsgemäße Ausführungsform weist folgendes
auf: eine Gleichrichtereinrichtung zur Umwandlung des Pegels
eines empfangenen Signals in eine Gleichspannung; eine
Vergleichseinrichtung zur Umwandlung der Gleichspannung in ein
erstes Steuersignal; eine spannungserzeugende Einrichtung, die
auf das erste Steuersignal und ein zweites Steuersignal
reagiert, um eine AGC-Spannung zu erzeugen; eine
Regelverstärkereinrichtung, die auf die AGC-Spannung reagiert, um die
Amplitude des besagten empfangenen Signals zu regeln; eine
Detektoreinrichtung zur Hüllkurven-Demodulation des Ausgangssignals
des Regelverstärkers; Analog-Digital-Wandlereinrichtung zur
Umwandlung des Ausgangssignals der Detektoreinrichtung in ein
digitales Signal; eine digitale AGC-Steuereinrichtung zur
digitalen Verarbeitung des Ausgangssignals der Analog-Digital-
Wandlereinrichtung; und eine Digital-Analog-Wandlereinrichtung
zur Umwandlung des Ausgangssignals der digitalen
AGC-Steuereinrichtung
in ein analoges Signal und Bereitstellung des
zweiten Steuersignals.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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Fig. 1 ein Blockschaltbild, das einen Funkempfänger
darstellt, der eine bekannte Schaltungsanordnung zur
automatischen Verstärkungsregelung verwendet;
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Fig. 2A und 2B Diagramme zur Erklärung der Arbeitsweise
des Empfängers gemäß Fig. 1;
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Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung
zur automatischen Verstärkungsregelung, die ein bevorzugtes
erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel ist;
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Fig. 4 ein Schaltbild, das ein erfindungsgemäßes
Ausführungsbeispiel der Vergleichsschaltung gemäß Fig. 3
darstellt;
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Fig. 5 eine Tabelle, die den Zustand des
Ausgangssignals in Abhängigkeit von einer gegebenen Spannung in der
Schaltung gemäß Fig. 4 zeigt;
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Fig. 6 ein Schaltbild, das ein Ausführungsbeispiel der
spannungserzeugenden Schaltung gemäß Fig. 3 darstellt;
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Fig. 7 ein Diagramin zur Erklärung der Arbeitsweise der
Schaltung gemäß Fig. 6; und
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Fig. 8 ein Schaltbild, das ein Ausführungsbeispiel des
Regelverstärkers gemäß Fig. 3 darstellt.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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Gemäß Fig. 1, die einen Funkempfänger darstellt, der
eine bekannte Schaltungsanordnung zur automatischen
Verstärkungsregelung verwendet, wird ein HF-Signal, z.B. ein
FM-Signal, von einer Antenne 110 aufgefangen, von einem
HF-Verstärker 111 verstärkt, dann von einem Frequenzwandler 112 in
ein ZF-Signal umgewandelt, von einer Schaltungsanordnung zur
automatischen Verstärkungsregelung 100 pegelgeregelt und von
einem Demodulator 113 demoduliert.
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In der Schaltungsanordnung zur automatischen
Verstärkungsregelung 100 wird ein Signal, das auf der
Funkübertragungsstrecke von Fading betroffen wurde, an einen
Regelverstärker 101 angelegt. Dieser Regelverstärker 101 ist so
aufgebaut,
daß er die Stromumwandlung einer Spannung realisiert,
die von einem D/A-Wandler 102 kommt und von einem Bauelement
mit veränderlicher Verstärkung zwecks Stromregelung gesteuert
wird. Das Ausgangssignal des Regelverstärkers 101 wird von
einem Detektor 105 AM-(Hüllkurven-)demoduliert und in einen A/D-
Wandler 103 eingegeben. Bezugszeichen 104 bedeutet einen
digitalen AGC-Controller, der das Ausgangssignal des A/D-Wandler
103 als Eingangssignal verwendet und sein Ausgangssignal einem
D/A-Wandler 102 zuführt.
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Die Arbeitsweise einer derartig strukturierten
Schaltungsanordnung zur automatischen Verstärkungsregelung wird im
folgenden anhand Fig. 2A und 2B beschrieben.
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In Fig. 2A werden das digitale Ausgangssignal des A/D-
Wandlers 103 auf der Abszisse und die Ausgangsspannung V des
D/A-Wandlers 102 auf der Ordinate wiedergegeben.
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Der AGC-Controller 104 führt die Regelung so durch, daß
das Ausgangssignal des Regelverstärkers 101 in der Amplitude
konstant bleibt. Dieser digitale AGC-Controller 104 hat einen
Referenzpegel gemäß Fig. 2A. Wenn der Ausgangssignalpegel des
Regelverstärkers 101, der vom Ausgang des A/D-Wandlers 103
kommt, unter dem Referenzpegel liegt, steuert der digitale
AGC-Controller 104 gemäß Fig. 2A die Inkrementierung eines
Zählers im digitalen AGC-Controller 104 derart, daß sich die
Ausgangsspannung des D/A-Wandlers 102 erhöht. Wenn er über dem
Referenzpegel liegt, steuert der digitale AGC-Controller 104
die Dekrementierung des Zählers derart, daß sich die
Ausgangsspannung des D/A-Wandlers 102 verringert, so daß der
Ausgangspegel des Regelverstärkers 101 konstant gehalten wird.
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Wenn es gewünscht wird, das Ausgangssignal fein zu
regeln, erhöht sich die Zahl der vom D/A-Wandler 102 zu
verarbeitenden Bits.
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In der oben beschriebenen Schaltungsanordnung zur
automatischen Verstärkungsregelung mit herkömmlicher digitaler
Regelung wird ein D/A-Wandler für die Spannungsregelung
verwendet, so daß sich die Ausgangsspannung des D/A-Wandlers gemäß
Fig. 2A schrittweise ändert.
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Wenn die Zahl der in den D/A-Wandler 102 eingegebenen
Bits relativ klein ist und der Aussteuerungsbereich seiner
Ausgangsspannung verbreitert wird, ändert sich die
Ausgangsspannung pro Bit der Veränderung sehr stark, so daß die
Regelung durch den Regelverstärker 101 grob wird, was zu einem
nichtkonstanten Ausgangssignal des Regelverstärkers 101 führt,
ähnlich einem amplitudenmodulierten Signal. Wenn andernfalls
die Zahl der vom D/A-Wandler verarbeiteten Bits erhöht wird,
um die Amplitude genau einzuregeln, wird der digitale
AGC-Controller unfähig, der Geschwindigkeit des Fadings oder einer
beliebigen abrupten Änderung zu folgen, da sein Zähler zu
langsam inkrementiert oder dekrementiert.
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Fig. 3 ist ein Blockschaltbild, das eine
Schaltungsanordnung zur automatischen Verstärkungsregelung darstellt, die
ein bevorzugtes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel ist.
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In der Zeichnung wandelt ein Gleichrichter 1 den Pegel
des empfangenen Signals in eine Gleichspannung um. Eine
Vergleichsschaltung oder ein A/D-Wandler 2 wandelt das
Ausgangssignal des Gleichrichters 1 in digitale Steuersignale um. Eine
spannungserzeugende Schaltung 3 dient zur Erzeugung einer AGC-
Spannung in Abhängigkeit vom Ausgangssignal dieser
Vergleichsschaltung 2 und von der Ausgangsspannung eines D/A-Wandlers 7.
Ein Regelverstärker 4 wandelt die Ausgangsspannung dieser
spannungserzeugenden Schaltung 3 in einen Strom um und regelt
die Amplitude des empfangenen Signals. Ein A/D-Wandler 5 dient
zur Umwandlung des Ausgangssignals dieses Regelverstärkers 4
in ein digitales Signal. Ein digitaler AGC-Controller 6
vergleicht das Ausgangssignal dieses A/D-Wandlers 5 mit seinem
eigenen Referenzpegel und führt die Regelung so durch, daß die
Ausgangsspannung des D/A-Wandlers 7 verringert wird, wenn
ersterer höher ist als letzterer, oder erhöht wird, wenn
ersterer niedriger ist. Der D/A-Wandler 7 ist so aufgebaut, daß er
das Ausgangssignal des digitalen AGC-Controllers 6 in eine
analoge Spannung wandelt, die an die spannungserzeugende
Schaltung 3 angelegt wird. Ein Detektor 8 dient zur
AM-Demodulation des Ausgangssignals des Regelverstärkers 101. Diese
Schaltungen 4, 5, 6, 7 und 8 entsprechen den Schaltungen 101,
103, 104, 102 bzw. 105 der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1.
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Als nächstes wird die Arbeitsweise des bevorzugten
Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 3 beschrieben.
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Zuerst wird ein ZF-Signal, dessen Amplitude durch
Fading auf der Funkübertragungsstrecke verändert wurde, dem
Gleichrichter 1 und dem Regelverstärker 4 zugeführt. Der
Gleichrichter 1 ist eine Schaltung zur Umwandlung des Pegels
des über die Funkübertragungsstrecke empfangenen Signals in
ein Gleichspannungspegelsignal; sein Ausgangssignal wird der
Vergleichsschaltung 2 zugeführt. Die Vergleichsschaltung 2
dient dazu, den Empfangspegel nach der Umwandlung in das
Gleichspannungspegelsignal durch den Gleichrichter 1 zu
bestimmen, und sie versorgt die spannungserzeugende Schaltung 3
mit einem vom Empfangspegel abhängenden Signal.
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Dann erzeugt die spannungserzeugende Schaltung 3, die
zur Erzeugung einer Spannung zur Steuerung des Bauelements mit
variabler Verstärkung des Regelverstärkers 4 dient, eine AGC-
Spannung in Abhängigkeit von einem Signal von der
Vergleichsschaltung 2 und einem weiteren vom D/A-Wandler 7. Der
Regelverstärker 4, eine Schaltung zur Steuerung des Bauelements mit
variabler Verstärkung durch Veränderung des Stroms, empfängt
ein ZF-Signal mit veränderlichem Amplitudenpegel und steuert
dessen Amplitude. Der A/D-Wandler 5 ist eine Schaltung zur
Umwandlung des vom Detektor 8 AM-demodulierten Ausgangssignals
des Regelverstärkers 4 in ein digitales Signal.
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Nun stellt der AGC-Controller 6 mittels digitaler
Signalverarbeitung fest, ob die Amplitude des vom A/D-Wandler 5
eingegebenen digitalen Signals höher oder niedriger als der
Referenzpegel liegt. Liegt sie höher, dekrementiert der
Controller 6 den Zählwert, und liegt sie niedriger, inkrementiert
er ihn, um den Regelverstärker über den D/A-Wandler 7 und die
spannungserzeugende Schaltung 3 zu regeln. Der D/A-Wandler 7
dient zur Umwandlung des digitalen Ausgangssignals des AGC-
Controllers 6 in ein analoges Spannungssignal.
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Nun werden der spezifische Aufbau der Hauptbestandteile
der oben erwähnten Schaltungsanordnung zur automatischen
Verstärkungsregelung und ihre Arbeitsweise beschrieben.
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Zunächst kann der Gleichrichter 1 aus einer
gewöhnlichen Vollwellen-Gleichrichterschaltung und einer
Glättungsschaltung aufgebaut werden, und es kann sich um einen
Vollwellen-Gleichrichter mit logarithmischer Charakteristik handeln,
wenn er empfangene Signale, wie sie in der Praxis anfallen,
gleichrichten soll. Er wandelt Änderungen der empfangenen
Signale in Gleichspannungssignale um.
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Ferner ist die Vergleichsschaltung 2 so aufgebaut, wie
Fig. 4 zeigt. In Fig. 4, die eine Ausführungsform der
Vergleichsschaltung 2 darstellt, entspricht das Bezugszeichen 9
einem Anschluß, in den ein Gleichspannungssignal vom
Gleichrichter 1 eingegeben wird, und die an diesen Anschluß
angelegte Gleichspannung VIN wird zur Bestimmung des Pegels an
jeweils einen Eingang der Komparatoren 10 und 11 angelegt.
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In diesen Komparatoren 10 und 11 werden
Entscheidungspegel für die Spannungen V&sub1; und V&sub2; gesetzt, die
durch die Widerstände 12 und 13 erreicht werden, die mit den
Spannungspolen -V und +V verbunden sind. Wie in Fig. 5 zur
Erklärung der Arbeitsweise gezeigt, arbeitet die
Vergleichsschaltung 2 derart, daß sie beide Ausgänge und
der Komparatoren 10 und 11 auf Logikpegel "1" setzt, wenn die
Eingangsgleichspannung VIN größer ist als die Spannungen V&sub1;
und V2; ihre Ausgänge und auf "1" bzw. "0" setzt, wenn
die Eingangsgleichspannung VIN kleiner als die Spannung V&sub1; und
größer als die Spannung V&sub2; ist; und ihre Ausgänge und
auf "0" setzt, wenn die Eingangsgleichspannung VIN kleiner ist
als die Spannungen V&sub1; und V&sub2;, und in binären Zwei-Bit-Signalen
anzeigt, wie sich der Eingangssignalpegel ändert. In Fig. 4
stellen die Bezugszeichen 14a und 14b die Ausgänge dar.
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Auch wenn das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 nur zwei
Komparatoren, 10 und 11, verwendet, kann eine größere Anzahl
von Komparatoren verwendet werden, um eine feinere
Pegelunterscheidung zu erreichen, wenn Signaländerungen mit größerer
Genauigkeit bewertet werden sollen.
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Die spannungserzeugende Schaltung 3 ist schließlich so
aufgebaut wie in Fig. 6 dargestellt. In Fig. 6 entsprechen die
Bezugszeichen 15a und 15b den Eingängen, an die die
Ausgangssignale der Ausgänge 14a und 14b der Vergleichsschaltung 2
gemäß Fig. 4 angelegt werden; 16 stellt einen Ausgang dar und 17
einen Anschluß, in den die Spannung vom D/A-Wandler 7
eingegeben wird. Ein Operationsverstärker 17 invertiert und verstärkt
eine Referenzspannung +V&sub5;, um eine negative Referenzspannung
-V&sub5; bereitzustellen.
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Diese Spannung -V&sub5; wird in einen Schalter 19
eingegeben, der durch die Signale x und y von den Eingängen 15a und
15b geöffnet und geschlossen wird. Wenn die Signale x und y im
beide den Logikpegel "1" haben, schließt der Schalter 19 einen
Schalter a, um einen Widerstand 23 mit Masse zu verbinden. Der
Widerstand 23 hat hier einen hohen Widerstand, genauso hoch
wie der des Widerstandes 26. Wenn die Eingangsspannung vom
Anschluß 17 0 V beträgt, wird die am Ausgang 16 des
Operationsverstärkers 20 erreichte Spannung V&sub6; gleich 0 V, wie in Fig. 7
gezeigt.
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Wenn ferner die Logikpegel der Signale x und y "1" bzw.
"0" sind, schließt der Schalter 19 einen Schalter b, um die
Spannung -V&sub5; am Ausgang des Operationsverstärkers 18 und einen
Widerstand 24 zu verbinden. Der Widerstand 24 hat einen
geringeren Widerstand als der Widerstand 23, und die Spannung -V&sub5;
wird vom Operationsverstärker (einem invertierenden
Verstärker) 20 immerhin um das Verhältnis zwischen den Widerständen
26 und 24 auf av verstärkt, wie in Fig. 7 gezeigt.
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Falls schließlich die Logikpegel der Signale x und y
beide "0" sind, schließt der Schalter 19 einen Schalter c, um
die Spannung -V&sub5; am Ausgang des Operationsverstärkers 18 und
einen Widerstand 25 zu verbinden. Dieser Widerstand 25 hat
einen geringeren Widerstand als der Widerstand 24, und die
Spannung -V&sub5; wird vom Operationsverstärker 20 immerhin um das
Verhältnis zwischen den Widerständen 26 und 25 auf bv
verstärkt, wie in Fig. 7 gezeigt.
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Wie aus Fig. 7 hervorgeht, wird die Ausgangsspannung
der spannungserzeugenden Schaltung 3 gemäß Fig. 6 durch die
Ausgangssignale der Ausgänge 14a und 14b der
Vergleichsschaltung 2 gemäß Fig. 4 schrittweise gemäß Fig. 7 geändert.
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Da inzwischen die vom D/A-Wandler 7 über den Anschluß
17 zugeführte Spannung an den nichtinvertierenden Eingang des
Operationsverstärkers 18 angelegt wird, wird sie zu der oben
erwähnten Spannung addiert, die sich schrittweise verändert
und damit die andere, durch eine gestrichelte Linie
dargestellte Spannung ergibt.
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Daraus ergibt sich, daß der Bereich der
Spannungsveränderung durch den D/A-Wandler 7 nicht größer sein muß als ein
einzelner Schritt der durchgezogenen Linie in Fig. 7.
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In Fig. 8, die eine Ausführungsform des
Regelverstärkers 4 zeigt, stellen die gleichen Bezugszeichen wie in
Fig. 1 die jeweils entsprechenden Bauteile dar, wobei
Bezugszeichen 27 einen Eingang darstellt, dem von der Schaltung 3
(Fig. 3) eine Steuerspannung zugeführt wird; 28 einen Ausgang,
von dem ein Ausgangssignal dem Detektor 8 und dem Demodulator
113 (Fig. 2) zugeführt wird; und 33 einen Eingang, dem ein ZF-
Signal vom Frequenzwandler 112 (Fig. 2) zugeführt wird.
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Der Regelverstärker 4 enthält einen
Operationsverstärker 29, ein stromgesteuertes Bauelement mit veränderlicher
Verstärkung 30 und Widerstände 31 und 32.
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Die dem Eingang 27 zugeführte Steuerspannung wird vom
Widerstand 31 in einen Strom umgewandelt, um das Bauelement
mit veränderlicher Verstärkung 30 zu regeln. Das Bauelement
mit veränderlicher Verstärkung 30 weist hier eine solche
Charakteristik auf, daß sein Widerstand niedrig ist, wenn der
Strom hoch ist, und umgekehrt. Das Bauelement mit
veränderlicher Verstärkung 30 regelt die Amplitude des dem Anschluß 30
zugeführten ZF-Signals.
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Ferner können der A/D-Wandler 5 und der D/A-Wandler 7
aus gewöhnlichen A/D- bzw. D/A-Wandlern bestehen. Der A/D-
Wandler 5 wandelt das Ausgangssignal des Regelverstärkers 4 in
ein digitales Signal um, während der D/A-Wandler 7 das
digitale Signal vom digitalen AGC-Controller 6 in eine analoge
Spannung umwandelt.
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Der digitale AGC-Controller schließlich, der aus einem
gewöhnlichen digitalen Signalprozessor bestehen kann, führt
die Regelung so durch, daß die Ausgangsspannung des
D/A-Wandlers 7 verringert wird, wenn die Amplitude des digitalen
Signals vom D/A-Wandler 5 über dem Referenzpegel liegt, oder die
Ausgangsspannung des D/A-Wandlers erhöht wird, wenn jene
unterhalb des Referenzpegels liegt.
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Soweit beschrieben, hat die Erfindung einen enormen
Nutzen in praktischen Anwendungen, da sie die automatische
Verstärkungsregelung anhand von Informationen über die
Pegeländerung
von Eingangssignalen ausführt, so daß eine
Feinregelung erreicht werden kann, ohne die Zahl der Bits im D/A-
Wandler zu erhöhen, ein ausreichend großer Dynamikbereich
gesichert werden kann und abrupte Änderungen im
Eingangssignalpegel damit wirksam ausgeglichen werden können. Eine
Schaltungsanordnung zur automatischen Verstärkungsregelung ist
außerdem sehr nützlich dadurch, daß sie schroffen Änderungen wie
Fading ohne Verzögerung folgen kann und Amplitudenfeinregelung
ausführt, ohne daß die Zahl der Bits im D/A-Wandler erhöht
werden muß.