TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vermindern des
Einflusses von Verzerrungsprodukten, die in einem
Signalverarbeitungssystem im Zusammenhang mit der Analog-
Digital-Umsetzung eines elektrischen Signals entstehen, von
dem vor dem Umsetzprozeß zwei um 90º verschobene Signale
abgeleitet werden.
STAND DER TECHNIK
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Soll in einem System ein elektrisches Signal verarbeitet
werden, so ist es oft wünschenswert, daß die
Signalverarbeitung so linear wie möglich durchgeführt wird.
Hierdurch wird vermieden, daß das Signal durch
Nichtlinearitäten verzerrt wird. Beispielsweise enthält die
Signalverarbeitung Vorgänge wie die Analog-Digital-Umsetzung,
die Verstärkung und die Frequenzumsetzung. Die
Nichtlinearitäten einzelner Komponenten eines Systems
addieren sich, und hieraus ergeben sich strenge Anforderungen
an die in einem großen System enthaltenen Komponenten, wenn
die Liniearitätsanforderungen hoch sind. Derartige Systeme
sind demnach oft relativ teuer. Weiterhin wird die maximal
mögliche Linearität eines Systems durch die maximale
Leistungsfähigkeit der einzelnen, verfügbaren Komponenten in
dieser Hinsicht begrenzt.
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Exemplarisch kann als ein Problem, das sich möglicherweise
aufgrund von nichtlinearen Verzerrungen ergibt, erwähnt
werden, daß eine Luftradarstation manchmal ein Echo von einem
anderen Flugzeug gleichzeitig mit einem Bodenecho empfängt.
Bei der Analog-Digital-Umsetzung der empfangenen Signale
treten Verzerrungsprodukte auf, d.h. Oberschwingungen und
Intermodulationsprodukte, so daß sich aus dem Bodenecho ein
einziges großes Echo und mehrere wechselseitig
unterschiedliche kleinere Echos ergeben, wenn die Umsetzung
nicht linear erfolgt. Andererseits bedeutet dies, daß das
Echo des zweiten Flugzeugs nicht immer erfaßt werden kann, da
ein relativ hoher Detektionsschwellwert benutzt werden muß,
um die durch die nichtlineare Umsetzung bedingten kleineren
Echos auszubilden.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Wie in der Einleitung angedeutet, besteht die Aufgabe der
vorliegenden Erfindung in der Verminderung des Einflusses von
Verzerrungsprodukten, die im Rahmen der Analog-Digital-
Umsetzung von Abtastwerten eines elektrischen Signals
auftreten, von dem vor der Umsetzung zwei um 90º
phasenverschobene Signale gebildet werden. Das gewünschte
Ergebnis wird durch Phasenmodulation der um 90º
phasenverschobenen Signale vor dem Umsetzen erreicht, sowie
durch Phasendemodulation nach der Umsetzung mit einem Wert,
der sich mit jedem neuen Abtastwert verändert, so daß der
Energiegehalt der einzelnen Verzerrungsprodukte über ein
relativ breites Band verteilt wird. Dies wird aufgrund der
Tatsache möglich, daß nur das Nutzsignal, d.h. die
Grundschwingung, korrekt demoduliert wird. Subharmonische und
Intermodulationsprodukte werden andererseits eine
Restphasenmodulation nach dem Demodulationsvorgang aufweisen.
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Die kennzeichnenden Merkmale der Erfindung werden in den
nachfolgenden Ansprüchen angegeben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Die Erfindung wird im folgenden detaillierter unter
Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung erläutert, wobei in
der einzigen Figur eine beispielhafte Ausführung einer
Anordnung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens
dargestellt ist.
BESTE AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
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Fig. 1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer
Anordnung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ein Eingangssignal IF mit einer Trägerfrequenz LO und ein
Referenzsignal FO mit der Frequenz LO werden der Anordnung
zugeführt. Es werden zwei um 90º phasenverschobene Signale I
und Q in dem Basisband ausgehend von dem Eingangssignal IF
mit Hilfe eines Signals LO' gebildet, wobei eine
Phasenschiebervorrichtung 11 die Phase um 90º verschiebt und
zwei Mischer 12 und 13 vorgesehen sind. Jedes der beiden um
90º verschobenen Signale wird einem entsprechenden Analog-
Digital-Umsetzer 14 und 15 zugeführt. Das zum Bilden der um
90º phasenverschobenen Signale benutzte Signal LO' wird
selbst aus dem Referenzsignal LO in einer hiernach
beschriebenen Art und Weise gebildet.
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Das Hilfsmittel, aus einem Signal, das einer Analog-Digital-
Umsetzung zu unterziehen ist, zwei um 90º phasenverschobene
Signale zu bilden und anschließend jedes der Signale in eine
digitale Form zu überführen, ist aus dem Stand der Technik
bekannt. Die Umsetzung wird durchgeführt, um die
Empfindlichkeit des Systems anzuheben.
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In dem folgenden Beispiel wird das Signal LO' zum Erzeugen
der um 90º phasenverschobenen Signale in der folgenden Art
und Weise gebildet. Das Referenzsignal mit der Frequenz LO
wid einer Frequenzvervielfachungs-Vorrichtung 16 zugeführt,
die ein Signal bildet, dessen Frequenz N mal höher als die
Frequenz des Signals an seinem Eingang ist. Dies führt zu
einen Signal der Frequenz N * LO. Das Signal wird über ein
UND-Gatter 17 geführt und anschließend an einen
Frequenzteiler 18 weitergeleitet, der die Eingangsfrequenz um
N herabsetzt, so daß ein Signal mit der Frequenz LO entsteht.
Dieses Signal wird mit LO' bezeichnet. Das Gatter 17 wird
jedoch über kurze Zeitabschnitte hinweg geschlossen gehalten,
und zwar mit Hilfe von Impulsen, die von einem
Impulsgenerator 19 erzeugt werden, der durch einen
Zufallszahlengenerator 20 gesteuert wird. Der letztgenannte
Generator erzeugt Zufallszahlen, die mit φn bezeicnet werden.
Praktisch können diese Zahlen beispielsweise mit Hilfe der
Formel φn = m* (2π/N) erzeugt werden, wobei m eine ganze Zahl
bezeichnet, die zufällig zwischen 0 und N-1 verändert werden
kann. Beträgt beispielsweise der Wert von N vier, so nimmt φn
die Werte 0, π/2, π und 3π/2 an.
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Jede Zufallszahl bewirkt die Abgabe eines Halteimpulses an
das Gatter 17 durch den Impulsgenerator 19, wobei die Dauer
dieses Impulses proportional zu der Zufallszahl in diesem
bestimmten Zeitpunkt ist. Da das Signal mit der hohen
Frequenz N*LO über einen bestimmten Zeitabschnitt hinweg in
dem Gatter 17 verzögert wird, ergibt sich auch über denselben
Zeitabschnitt hinweg eine Verzögerung in dem Frequenzteiler
18, der anschließend ausgehend von dem Punkt weiterarbeitet,
an dem er unterbrochen wurde. Dies bewirkt eine
Zeitverzögerung des geteilten Signals LO', was praktisch zu
einer Phasenverschiebung des Signals LO' in bezug auf das
Bezugssignal LO führt. Durch geeignete Dimensionierung der
Komponenten des Impulsgenerators 19 kann hierdurch eine
Phasenmodulation der um 90º phasenverschobenen Signale I, Q
derart bewirkt werden, daß sich eine Phasenverschiebung
entsprechend dem Wert von φn des Zufallszahlengenerators 20
ergibt. Für jeden neuen Abtastwert des in die Digitalform
umzusetzenden Eingangssignals IF wird ein neuer
Phasenverschiebungswert φn durch den Zufallszahlengenerator
20 erzeugt. Demnach werden die um 90º phasenverschobenen
Signale I, Q für jeden neuen Antastwert des Eingangssignals
IF mit einem neuen Wert phasenverschoben.
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Das Bezugszeichen 23 bezeichnet eine Zeitsteuervorrichtung,
die durch das Bezugssignal LO gesteuert wird und mit der
Signale zum Aktivieren der Analog-Digital-Umsetzer 14, 15,
des Impulsgenerators 19 und des Zufallszahlengenerators 20
erzeugt werden. Diese Signale werden symbolisch in der
Zeichnung mit Hilfe von Teilen dargestellt.
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Der Phasenverschiebungswert φn wird auch einer Vorrichtung 21
zugeführt, die aus dem Wert von φn die Werte cos φn und sin φn
bildet, wobei jeder dieser Werte auf eine entsprechende
Ausgangsleitung gegeben wird. Diese Werte und die ausgehend
von den um 90º phasenverschobenen Signalen in den Analog-
Digital-Umsetzern 14, 15 gebildeten Abtastwerte in digitaler
Form werden einem komplexen Multiplizierer 22 zugeführt. Die
um 90º phasenverschobenen Signale der Umsetzer 14, 15 werden
in dem komplexen Multiplizierer dadurch dekodiert, d.h.
phasendemoduliert, daß zwei komplexe Zahlen multipliziert
werden, von denen eine aus den um 90º phasenverschobenen
Signalen und eine andere durch die Werte cos φn und -sin φn
gebildet wird. Die Dekodierung führt zu einer
Phasenverschiebung um den Winkel - φn, also einer
Phasenverschiebung entsprechend dem Umfang der
Phasenverschiebung, wie er bei der Bildung der um 90º
phasenverschobenen Signale auftritt, jedoch in umgekehrter
Richtung.
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Die Analog-Digital-Umsetzung führt zu der Bildung von
Verzerrungsprodukten in Form von Oberschwingungen und
Intermodulationsprodukten, da die Umsetzung nicht linear
durchgeführt wird. Ohne die Durchführung einer
Phasenmodulation, d.h. einer Phasenverschiebung, würde, wie
oben beschrieben, ein Sinussignal sin ωt folgende Komponenten
aufweisen, die auf die nichtlineare Umsetzung und die
hierdurch bedingte Bildung von Oberschwingungen
zurückzuführen ist: k1*sin ωtk + k2*sin 2ωtk + k2*sin +
k3*sin 3ωtk und so weiter. Die Zeitvariable tk entspricht
k*T, wobei k die Werte 0, 1, 2,..., annimmt und T der
Abtastperiode entspricht. Wird eine Phasenmodulation
angewendet, so ergibt sich andererseits: k1*sin (ωtk + φn) +
k2*sin (2ωtk + 2φn) + k3*sin (3ωtk + 3φn), und so weiter.
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Im Rahmen des Phasendemodulationsvorgangs, der auf die
nichtlineare Umsetzung folgt, wird das Signal um den Winkel -
φn phasenverschoben. Dies bedeutet, daß das Nutzsignal, d.h.
die Grundschwingung k1*sin (ωtk + φn), mit einem korrekten
Phasenwert demoduliert wird, wobei Oberschwingungen mit einem
falschen Phasenwert demoduliert werden. Das Nutzsignal wird
demnach korrekt zu k1*sin ωtk demoduliert, wobei die erste
Oberschwingung zu k2*sin (2ωtk + φn) verändert wird, die zweite
Oberschwingung zu k3*sin (3ωtk + 2φn), verändert wird, und so
weiter. Von diesen Oberschwingungen verbleibt demnach nach
der Phasendemodulation eine Restphasenmodulation von φn, 2φn
und so weiter. Es läßt sich zeigen, daß eine
Restphasenmodulation auch bei den Intermodulationsprodukten
auftritt, die aufgrund der Nichtlinearitäten bei dem
Umsetzvorgang entstehen.
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Bis jetzt wurde angenommen, daß die Phasenmodulation und die
Phasendemodulation, d.h. jeweils die Phasenverschiebungen φn
und -φn, zufällig von einem Abtastwert zu dem nächsten
verändert werden. Dies führt dazu, daß die Energieanteile der
einzelnen Verzerrungsprodukte über ein breites Frequenzband
verteilt werden. Aus theoretischer Sicht ist es richtig, eine
zufällige Phasenmodulation durchzuführen, der eine
Autokorrelationsfunktion r(t) = 0 für t = 0 zugrundeliegt, so daß
die Energie so weit wie möglich gleichförmig verteilt wird.
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Jeder digitale Signalwert, der sich nach der Demodulation
ergibt und demnach an den Ausgängen des Multiplizierers 22
abgegeben wird, besteht aus der Summe eines Abtastwertes des
Nutzsignals und einer Anzahl von Verzerrungsprodukten, die im
Rahmen des Analog-Digital-Umsetz-Prozesses entstehen. Die
Verzerrungsprodukte weisen eine Restphasenmodulation von φn,
2φn, und so weiter auf. Jeder einzelne Digitalwert kann
demnach ein fehlerhafter Wert sein, d.h. kann von dem Wert
des Nutzsignals abweichen. Andererseits werden die
Digitalwerte im Durchschnitt mit den Werten des Nutzsignals
übereinstimmen, da sich die Phasenverschiebungen, d.h. die
Werte von φn, in zufälliger Weise zwischen den einzelnen
Zeitpunkten verändern. Wie oben erwähnt, führt dies dazu, daß
der Energieanteil der Verzerrungsprodukte über ein breites
Frequenzband verteilt wird. Demnach lassen sich diese
Verzerrungsprodukte durch einen schmalwandigen Bandpaßfilter
unterdrücken.
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Die erläuterte beispielhafte Ausführungsform kann in
vielfacher Weise variiert werden. Beispielsweise kann der
Phasenmodulationsprozeß nach dem Bilden der um 90º
phasenverschobenen Signale durchgeführt werden, anstatt ihn
bei der Bildung dieser Signale durchzuführen. Natürlich kann
das Signal LO' auch in einer anderen Weise als oben
beschrieben gebildet werden. Auch ist es nicht erforderlich,
die Phasenverschiebungen vollständig zufällig zwischen den
einzelnen Zeitpunkten zu verändern. Beispielsweise können die
Werte von φn entsprechend der Formel φn = φ&sub0;* n², gebildet
werden, wobei φ&sub0; einen niedrigen Anfangswert der
Phasenverschiebung darstellt und n mit jedem neuen Abtastwert
um 1 erhöht wird. Dies führt zu einer linearen Veränderung
der Frequenz des Signals LO'. Anstelle des oben beschriebenen
Verfahrens ist es beispielsweise auch denkbar, die
Phasendemodulation mit Hilfe eines sogenannten Tabellen-
Leseverfahrens auf der Grundlage eines Lesespeichers, einem
sogenannten PROM, durchzuführen.