DE4001411A1 - Schaltungsanordnung zur mittelwertbildung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

Für die Informationsrückgewinnung eines NRZ-Signals (NRZ = not return to zero) ist ein definierter Gleichspannungsbe­ zugswert erforderlich. NRZ-Signale weisen jedoch mitunter einen undefinierten Gleichspannungsbezugswert auf. Gründe dafür können beispielsweise bei FM-Übertragungssystemen Senderfrequenzabweichungen, Empfängeroszillator-Frequenz­ abweichungen, Diskriminatordrift u. a. sein, abgesehen da­ von, daß das NRZ-Signal zu Mittelwertverschiebungen infol­ ge unsymmetrischer 0-1-Verteilung neigt.

Es sind Mittelwertbildner zur Erzeugung des entsprechenden Geleichspannungsbezugswerts bekannt, die aus einem Wechsel­ spannungseingangssignal beispielsweise mittels eines Ope­ rationsverstärkers einen Mittelwert ableiten. Diese Mit­ telwertbildung ist jedoch nur einwandfrei einsetzbar bei sogenannter gleichstromfreier Codierung. Problematisch sind ungleiche 0-1-Verteilungen oder lange 0- oder 1-Fol­ gen, wie sie bei einem NRZ-Signal vorkommen können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungs­ anordnung zur präzisen Mittelwertbildung als Gleichspan­ nungsbezugswert, insbesondere für die Informationsrückge­ winnung anzugeben, die einen Gleichspannungsmittelwert ei­ nes empfangenen Signals mit sogenannter gleichstrombehaf­ teter Codierung mit geringem schaltungstechnischen Aufwand bei beliebigen und auch bei sehr hohen Datenübertragungs­ raten ermittelt.

Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die im Kennzeichen ange­ gebenen Merkmale gelöst.

Erfindungsgemäß wird das empfangene Signal, vorzugsweise ein NRZ-Signal, zur Informationsrückgewinnung einer symme­ trisch aufgebauten Schaltung zur dynamischen Mittelwert­ bildung zugeführt. Mittels symmetrischem Aufbau sowie ge­ eigneter Auflade- und Entladezeitkonstanten ist ein präzi­ ser und von Gleichspannungsanteilen des übertragenen Si­ gnals unabhängiger Mittelwert aus dem empfangenen Signal ableitbar. Mit Hilfe eines nachgeschalteten Entscheiders, insbesondere mit Hysterese, ist eine phasenkorrekte Infor­ mationsrückgewinnung möglich. Aus dem Signal, welches durch die erfindungsgemäße Rückgewinnung mittels abgelei­ teten Mittelwert rekonstruiert worden ist, kann auch bei längeren 0- oder 1-Folgen der Signaltakt präzise abgelei­ tet werden.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, den Gleichspannungsbezugswert durch eine kapazitive Ein­ gangskopplung abzutrennen.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung zur dynamischen Mittel­ wertbildung,

Fig. 2 ein NRZ-Signal,

Fig. 3 ein empfangenes NRZ-Signal,

Fig. 4 eine Schaltungsanordnung mit reduzierter Belastung der Quelle sowie,

Fig. 5 eine weitere Schaltungsanordnung zur Informations­ rückgewinnung.

Fig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung zur dynamischen Mit­ telwertbildung. Ein Eingangssignal In wird über einen zu­ sätzlich eingefügten Koppel- bzw. Trennkondensator 72 von beispielsweise einem nicht gezeigten Diskriminator zur Mittelwertgewinnung einer Diode 10 mit anschließendem Wi­ derstand 11 und einem Widerstand 13 mit anschließender Diode 14 zugeführt, wobei dieser Mittelwert weitgehend vom Tastverhältnis unabhängig ist. Der Widerstand 11 ist mit einem an Bezugspotential geschalteten Kondensator 12, die Diode 14 mit einem an Bezugspotential geschalteten Konden­ sator 15 verbunden. Der Verbindungspunkt des Widerstandes 11 mit dem Kondensator 12 führt über einen Spannungsteiler 16, 19 auf den invertierenden Eingang eines Operationsver­ stärkers 22. Der Verbindungspunkt der Diode 14 mit dem Kondensator 15 führt über einen Spannungsteiler 17, 18 ebenfalls auf den invertierenden Eingang des Operations­ verstärkers 22. Das Eingangssignal In wird zudem über ei­ nen Widerstand 20 auf den positiven Eingang des Opera­ tionsverstärkers 22 geführt. Das Ausgangssignal des Opera­ tionsverstärker 22 wird über einen Widerstand 21 auf den positiven Eingang zurückgeführt.

Die Gleichrichter gewinnen das Spannungsmaximum und das Spannungsminimum durch eine Spitzenwertgleichrichtung. Der in Fig. 2 gezeigte Spannungsmittelwert UMw, der gemäß Fig. 1 am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 22 anliegt, ergibt die benötigte Entscheidungsschwelle für den als Schmitt-Trigger geschalteten Operationsverstärker 22 und ist vom Tastverhältnis des NRZ-Signals bzw. seinem arithmetischen Mittelwert weitestgehend unabhängig. Das NRZ-Signal NRZ liegt entweder oberhalb des maximalen Span­ nungswertes Umax oder unterhalb des minimalen Spannungs­ wertes Umin.

Fig. 3 zeigt ein empfangenes NRZ-Signal, welches in seinem Verlauf verrundet ist. Dadurch ergibt sich wegen der end­ lichen Auf- und Entladezeiten der Kondensatoren 12, 15 ein schwankender Mittelwert UMw. Zur Regeneration des NRZ- Signals NRZ müssen folgende Probleme gelöst werden:

• a) die Entladezeitkonstante muß möglichst groß sein, an­ dererseits müssen Störspitzen wieder abgebaut werden. Als Lösung wird erfindungsgemäß einen endliche Entla­ dezeitkonstante oder eine periodische Regenerierung verwendet.
• b) die Aufladezeitkonstante muß endlich und nicht zu kurz sein, damit kurze Störspitzen den gleichgerich­ teten Spitzenwert nicht zu sehr verfälschen können. Als Lösung wird erfindungsgemäß eine endliche Aufla­ dezeitkonstante oder eine Konstantstromaufladung ver­ wendet.
• c) unerwünschtes Flattern im Entscheidungsbereich muß vermieden werden. Als Lösung wird ein Entscheider mit Hysterese verwendet.
• d) Offset- und Temperaturfehler der Gleichrichter dürfen nicht stören.

Als Lösung wird erfindungsgemäß vorzugsweise eine symmetrische Schaltungsauslegung verwendet. Vorteilhaft werden Präzisionsgleichrichter eingesetzt.

Fig. 4 zeigt eine entsprechende Schaltungsanordnung mit reduzierter Belastung der Quelle. Das Eingangssignal wird für den negativen Spannungsbereich der Basis eines Transistors 30 zugeführt, dessen Emitter mit einem Wider­ stand 32 und dessen Kollektor mit Bezugspotential verbun­ den ist. Der Widerstand 32 ist mit seinem zweitem Anschluß mit einem Kondensator 33, einem Widerstand 34 und einem Widerstand 35 verbunden. Der Kondensator 33 und der Wider­ stand 34 sind mit einer positiven Spannungsversorgung ver­ bunden sowie mit einem nach Bezugspotential geschalteten Kondensator 36. Der Widerstand 35 führt auf den positiven Eingang eines Operationsverstärkers 38. Der Operationsver­ stärker 38 ist mittels eines Widerstandes 37 auf den posi­ tiven Eingang mitgekoppelt.

Das Eingangssignal In wird für den positiven Spannungsbe­ reich der Basis eines Transistors 31 zugeführt, dessen Emitter mit einem Widerstand 42 und dessen Kollektor mit der positiven Versorgungsspannung verbunden ist. Der Wi­ derstand 42 ist mit seinem zweitem Anschluß mit einem Kon­ densator 40, einem Widerstand 41 und einem Widerstand 39 verbunden. Der Kondensator 40 und der Widerstand 41 sind mit Bezugspotential verbunden. Der Widerstand 39 führt auf den positiven Eingang des Operationsverstärkers 38. Das Eingangssignal In ist zudem mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 38 verbunden. Der Operationsver­ stärker 38 wird mit der positiven Versorgungsspannung be­ zogen auf Bezugspotential betrieben. Am Ausgang der Opera­ tionsverstärkers 38 ist das Ausgangssignal Out abgreifbar.

Die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 4 ist symmetrisch auf­ gebaut, so daß Offset- und Temperaturfehler kompensiert werden. Durch die Eingangstransistoren 30, 31 wird einer­ seits die Quelle wenig belastet, andererseits den entspre­ chend zugeordneten Zweigen 30-35 und 31, 39-42 der zu­ gehörige positive bzw. negative Anteil des Eingangssignals IN zugeführt. Durch geeignete Dimensionierung der RC- Glieder 34, 35 bzw. 40, 41 werden die endlichen Auflade­ und Entladezeitkonstanten eingestellt. Durch Ausgestaltung des Operationsvestärkers 38 als Schmitt-Trigger mit Hyste­ rese wird unerwünschtes Flattern im Entscheidungsbereich vermieden.

Fig. 5 zeigt eine weitere Schaltungsanordnung zur Informa­ tionsrückgewinnung. Zu Reduzierung der Belastung der Quel­ le wird der Schaltung ein Spannungsfolger 50 vorgeschal­ tet. Die Schaltung gemäß Fig. 5 ist ebenfalls symmetrisch aufgebaut. Der obere Zweig besteht aus einem Eingangswi­ derstand 51 eines Operationsverstärkers 56, der mit Dioden 53, 54 und einem Widerstand 52 im Rückkopplungszweig als Präzisionsgleichrichter geschaltet ist. Der Ausgang des Operationsverstärkers 56 führt über die Diode und einen Widerstand 55 auf den invertierenden Eingang eines Opera­ tionsverstärkers 59. In den Rückkopplungszweig des Opera­ tionsverstärkers 59 ist ein Kondensator 58 geschaltet. Ein hochohmiger Widerstand 57 ist einerseits mit positiven Versorgungsspannung +UB andererseits mit dem invertieren­ den Eingang des Operationsverstärkers 59 verbunden.

Aus Symmetriegründen ist der positive Zweig mit einem Wi­ derstand 62, einem Operationsverstärker 64, Dioden 63, 65 Widerständen 66, 70, Operationsverstärker 67 und Kondensa­ tor 71 gleich aufgebaut. Der Widerstand 70 ist mit negati­ ver Versorgungsspannung -UB verbunden. Die Ausgänge der Intergratoren führen über Widerstände 60, 68 auf den posi­ tiven Eingang eines Operationsverstärkers 69, der über ei­ nen Widerstand 61 mitgekoppelt ist. Der invertierende Ein­ gang des als Schmitt-Trigger geschalteten Operationsver­ stärkers 69 ist auf Bezugspotential geschaltet. Am Ausgang ist das NRZ-Signal in seiner ursprünglichen, phasenrichti­ gen Lage abgreifbar.

Die Widerstände 57, 70 ergeben mit den Kondensatoren 58, 71 die gewünschte Entladezeitkonstante, während die Wider­ stände 55, 66 mit den Kondensatoren 58, 71 die gewünschte Aufladezeitkonstante einstellen.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbei­ spiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.

Claims (11)

1. Schaltungsanordnung zur Mittelwertbildung, insbeson­ dere zur Informationsrückgewinnung eines digitalen Ein­ gangssignals mit gleichstrombehafteter Codierung, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangssignal (In) einer symmetrisch aufgebauten Schaltung zur dynamischen Mittelwertbildung (10 bis 12, 13 bis 15; 30 bis 33, 31, 41, 42; 51 bis 59, 62 bis 67, 70, 71) zugeführt wird, deren Mittelspannung einem als Schwellwertschaltung ausgebildeten Entscheider (22, 38, 69) als Entscheidungsschwelle dient.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung zur Mit­ telwertbildung (10 bis 12, 13 bis 15; 30 bis 33, 31, 41, 42; 51 bis 59, 62 bis 67, 70, 71) zwei Einweggleichrichter mit Ladekondensator enthält.

3. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung zur Mittelwertbildung (30 bis 33, 31, 41, 42; 51 bis 59) zwei Einweg-Präzisionsgleichrichter enthält.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß den Einweg-Präzisions­ gleichrichtern je ein separater Integrator (58, 59; 67, 71) nachgeschaltet sind.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal der Integratoren (58, 59; 67, 71) einem Entscheider (21, 22; 37, 38; 61, 69) zugeführt wird.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Reduzierung des Einflusses von Störspitzen die Schaltung zur Mittelwert­ bildung (30 bis 33, 31, 41, 42; 51 bis 59, 62 bis 67, 70, 71) eine entsprechende Entladezeitkonstante (12, 16, 15, 17; 33, 34, 40, 41; 57, 58, 70, 71) sowie eine entspre­ chende Aufladezeitkonstante (11, 12, 13, 15; 32, 33, 41, 42; 55, 58, 66, 71) aufweist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladezeitkonstan­ te (12, 16, 15, 17; 33, 34, 40, 41; 57, 58, 70, 71) we­ sentlich größer ist als die Aufladezeitkonstante (11, 12, 13, 15; 32, 33, 41, 42; 55, 58, 66, 71).

8. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der An­ sprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Entlastung der Quelle der Schaltung zur Mittelwertbildung (30 bis 33, 31 41 42; 51 bis 59, 62 bis 67, 70, 71) ein Spannungsfolger (30, 31, 50) vorge­ schaltet ist.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Entscheider (21, 22; 37, 38; 61, 69) als Schmitt-Trigger-Schaltung mit Hy­ sterese aufgebaut ist.

10. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der An­ sprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeich­ net, daß der Gleichspannungsbezugswert durch eine kapa­ zitive Eingangskopplung (72) abgetrennt wird.

11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die kapazitive Ein­ gangskopplung (72) als Koppel- oder Trennkondensator aus­ gebildet ist.