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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Schleifenfilters in
einer Vorrichtung zur digitalen Phasenverriegelung, wobei das
Schleifenfilter ein Differenzsignal filtert, das bei einer vorbestimmten
Bandbreite von einem Phasenkomparator kommt und zu einem Phasenfehler
proportional ist.
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Die Aufgabe einer Phasenverriegelungsschaltung besteht darin, auf einer
Phase eines ankommenden Signals zu verriegeln. Vorrichtungen zur
digitalen Phasenverriegelung umfassen im allgemeinen einen
Phasenkomparator, der eine Differenzspannung erzeugt, die zu einem
Phasenfehler, d. h. zur Phasendifferenz zwischen der Phase der
Phasenverriegelungsschaltung und des ankommenden Signals proportional
ist. Die Differenzspannung wird durch ein Schleifenfilter gefiltert, um
Störungen zu eliminieren. Vom Ausgang des Schleifenfilters werden Signale
empfangen, um einen Taktgeber so zu steuern, daß die Phase des
Taktsignals voreilt oder nacheilt. In Standard-Korrektureinrichtungen wird
die Taktphase in Standardschritten in Aufwärtsrichtung oder
Abwärtsrichtung korrigiert. Eine Vorrichtung zur Phasenverriegelung, die
auf diesem Prinzip Voreilen/Nacheilen arbeitet, wird Voreil/Nacheil-
Phasenverriegelung genannt.
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Vorrichtungen der digitalen Phasenverriegelung, die auf dem
Voreil/Nacheil-Prinzip arbeiten, verwenden als Schleifenfilter digitale Filter
eines Typs, die als Sequenzfilter bekannt sind.
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Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau einer Vorrichtung der digitalen
Phasenverriegelung auf dem Voreil/Nacheil-Prinzip. Die Vorrichtung zur
Phasenverriegelung umfaßt einen Phasenkomparator 10, ein Schleifenfilter
11, einen Taktgeber 12, einen Lokaloszillator 14 und einen Teiler 13.
Voreilende oder nacheilende Impulse werden im Phasenkomparator 10
erzeugt, je nachdem, ob die Phase des Lokaloszillators im Vergleich zu
einem am Komparator 10 ankommenden Signal voreilt oder nacheilt. Durch
Störungen verursachte Fehler können von einem Phasenkorrektursignal mit
Hilfe des Schleifenfilters 11 eliminiert werden. Ein Ausgangssignal des
Filters steuert ein Taktsignal der phasenverriegelten Schleife derart, daß
seine Phase durch
das Entfernen bzw. das Hinzufügen von Abtastwerten
voreilt oder nacheilt.
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Fig. 2a erläutert den Aufbau eines herkömmlichen Schleifenfilters einer
Voreil/Nacheil-Phasenverriegelung. Das Filter umfaßt drei Zähler 20, 21,
22 und zwei ODER-Gatter 23, 24. Voreilende und nacheilende Impulse
werden im Filter durch separate N-Zähler 20 und 21 gezählt. Zusätzlich
werden beide Impulse über das ODER-Gatter 23 zu einem gemeinsamen M-
Zähler 22 gebracht. Wenn einer der N-Zähler 20, 21 vor dem gemeinsamen
M-Zähler 22 gefüllt wird, wird ein voreilender Impuls 25 bzw. ein
nacheilender Impuls 26 vom Filter gesendet, in Abhängigkeit davon,
welcher der Zähler gefüllt wird. Nachdem der Impuls gesendet wurde,
werden alle Zähler mit Hilfe eines Signals 27 auf Null gesetzt. Wenn
andererseits der gemeinsame M-Zähler 22 zuerst gefüllt wird, werden alle
Zähler durch das Signal 27 auf Null gesetzt und es erfolgt keine Korrektur.
Die Längen der Zähler werden so gewählt, daß N < M < 2 N. Die Bandbreite
und die Korrekturrate des Filters kann somit durch die Werte der Zähler N
und M beeinflußt werden. Ein Vorteil dieses Filters ist eine gute Dämpfung
im Schleifenbetrieb, ein Nachteil ist jedoch die langsame Korrektur.
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Eine weitere herkömmliche Art des Filterns eines Phasenkorrektursignals
ist in Fig. 2b dargestellt. Das fragliche Filter ist ein herkömmliches digitales
IIR-Filter, das zwei Verstärker 30, 31, einen Summierer 32 und ein
Verzögerungselement 33 umfaßt, dem ein Schwellenwertdetektor 34
nachgeschaltet ist. Die Integrationszeit des Filters wird durch die Parameter
und 31 des Filters gewählt. Der Schwellenwertdetektor arbeitet wie folgt:
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wenn Eingangssignal des Detektors ≥ Schwellenwert, ist der
Ausgang +1,
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wenn Absolutwert des Eingangssignals des
Detektors < Schwellenwert, ist der Ausgang 0,
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wenn Eingangssignal des Detektors ≤ Schwellenwert, ist der Ausgang
-1.
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Dementsprechend werden sowohl voreilende als auch nacheilende Impulse
durch das gleiche Filter gefiltert und es gibt keine separaten Zähler. Die
Korrekturrate des Filters gemäß Fig. 2b ist relativ gut, ein Problem besteht
jedoch in einer langsam gedämpften Schwingung im Korrekturprozeß der
Schleife.
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Die Leistungsfähigkeit eines Spreizspektrum-Empfängers ist im
wesentlichen durch die Phasengenauigkeit des Spreizcodes beeinflußt. Ein
Fehler von 0,5 Chips verursacht z. B. einen Leistungsverlust von 6 dB. Die
Genauigkeit der Phasenverfolgung und insbesondere deren Varianz werden
nicht nur durch einen Codeverfolgungsalgorithmus, sondern auch durch die
Güte des Schleifenfilters beeinflußt. Es ist festgestellt worden, daß der
Codeverfolgungsalgorithmus, der auf dem Voreil/Nacheil-Prinzip arbeitet, in
der Praxis in Empfängern gut arbeitet. Die darin verwendeten
Schleifenfilter weisen jedoch Nachteile auf und ein Ziel dieser Erfindung
ist es, solche Schleifenfilter zu verbessern. Wenn herkömmliche
Schleifenfilter verwendet werden, wächst die Varianz im Phasenfehler
beträchtlich an. Ein durch Störung verursachter ständiger Fehler ist somit
groß. Wenn außerdem eine Phasen-Stufenantwort, die einen Schwellenwert
überschreitet, in Betracht gezogen wird, kann eine Korrektur eines
Phasenfehlers ungesteuert erfolgen und die Schleife ist in einem Zustand
mit ständiger Korrektur. Diese Situation kann korrigiert werden, indem die
Integrationszeit des Filters verlängert wird. Die Integrationszeit kann jedoch
nicht endlos verlängert werden, da der Empfänger infolge des
Dopplereffekts dann nicht länger die Varianz in einem empfangenen Signal
verfolgen kann.
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Fig. 3 zeigt ein Ausgangssignal (I) eines Integrators eines herkömmlichen
Schleifenfilters als Funktion der Zeit, wenn ein Taktsignal um zwei
Abtastwerte vom korrekten Wert abweicht. In Fig. 3b ist ein Signal am
Ausgang eines Schwellenwertdetektors des Schleifenfilters. Im
herkömmlichen Schleifenfilter erfolgt das Überschreiten des
Schwellenwerts im Ausgangssignal des Integrators, durch den die Phase
um einen Abtastwert zu viel korrigiert wurde. Die Schleife empfängt
daraufhin ein Steuersignal mit entgegengesetztem Vorzeichen und der
Integrator integriert in der entgegengesetzten Richtung, bis der
Schwellenwert überschritten wird. Wenn ein negativer Schwellenwert
überschritten wird, wird ein negativer Taktsteuerimpuls erzeugt. Eine solche
hin- und hergehende Schwingung kann beim Vorhandensein von
Störungen sogar eine sehr lange Zeit andauern. Die europäische
Patentanmeldung Nr. 571853 beschreibt ein weiteres Verfahren zum
Steuern der Phasenverriegelungsschleife gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
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In einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum
Steuern eines Schleifenfilters in einer Schaltung zur digitalen
Phasenverriegelung geschaffen, wobei die Schaltung einen
Phasenkomparator aufweist, um ein zum Phasenfehler proportionales
Phasensignal auszugeben, das Schleifenfilter eine vorbestimmte Bandbreite
aufweist und das Schleifenfilter wenigstens einen Integrator zum Liefern
eines Ausgangssignals als Antwort auf das Phasensignal aufweist, wobei
das Verfahren umfaßt: Empfangen eines Phasensignals vom
Phasenkomparator; Einstellen des Schleifenfilters in einer nichtlinearen
Weise als Antwort auf das Phasensignal, das vom Phasenkomparator
ausgegeben wird, um daraufhin die Bandbreite des Schleifenfilters zu
ändern, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtlineare Einstellen des
Schleifenfilters dann, wenn der Phasenfehler einen ersten Schwellenwert
oder einen zweiten Schwellenwert übersteigt, das Abziehen eines
vorbestimmten Werts von dem Wert, der in einem oder in mehreren
Integratoren des Schleifenfilters enthalten ist, umfaßt.
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In einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung
zum Steuern eines Schleifenfilters einer Schaltung zur digitalen
Phasenverriegelung geschaffen, wobei die Phasenverriegelungsschaltung
einen Phasenkomparator, ein Schleifenfilter, einen Taktgeber, einen
Lokaloszillator und einen Teiler enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das
Schleifenfilter einen ersten Integrator mit einem Eingang, der mit einem
Signal (39) verbunden ist, das eine Phasendifferenz angibt, einen ersten
Schwellenwertdetektor, der funktional an einen Ausgang des ersten
Integrators geschaltet ist und dessen Ausgang mit dem Taktgeber verbunden
ist, und einen zweiten Integrator enthält, der einen Eingang aufweist, der
mit dem Signal, das eine Phasendifferenz angibt, über eine erste
Einrichtung zum Bereitstellen eines absoluten Werts verbunden ist, wobei
ein zweiter Schwellenwertdetektor funktional an einen Ausgang des ersten
Integrators und an ein ODER-Gatter geschaltet ist, dessen Eingänge der
Ausgang des zweiten Schwellenwertdetektors und der Ausgang des ersten
Schwellenwertdetektors über eine zweite Einrichtung zum Bereitstellen
eines absoluten Werts sind, und der Ausgang des ODER-Gatters mit einem
der Eingänge der Integratoren verbunden ist und deren Ausgangssignal
einen vorbestimmten Wert vom Inhalt des Integrators abzieht.
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Ein Vorteil
der vorliegenden Erfindung ist es, daß ein Schleifenfilter
geschaffen wird, durch das die Nachteile der früheren Lösungen gemindert
werden können. In erfindungsgemäßen Ausführungsformen können
Schwingungen im Einstellvorgang reduziert und durch Störungen
verursachte fehlerhafte Korrekturen vermindert werden. Außerdem ist die
Implementierung eines erfindungsgemäßen Filters einfach.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist es, daß
die Leistungsfähigkeit der Schleife verbessert ist, insbesondere durch
geringe Störabstände, durch die vor allem bei herkömmlichen Verfahren
fehlerhafte Korrekturen auftreten. Bei Phasendifferenzsignalen mit hohem
Pegel wird die Integrationszeit des Filters länger zu Lasten der
nichtlinearen Steuerung des Filters. Mit Hilfe eines Schleifenfilters gemäß
der Erfindung kann der Schwellenwert zweiter Ordnung, der das
Phasenschrittverhalten der Phasenverriegelung überschreitet, beträchtlich
reduziert werden, ohne daß der Betrieb der Schleife verschlechtert wird.
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Im folgenden wird die Erfindung lediglich beispielhaft und mit Bezug auf
die beigefügte Zeichnung beschrieben, worin:
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Fig. 1 den obenbeschriebenen Aufbau zur digitalen Phasenverriegelung
zeigt;
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Fig. 2a und 2b die obenbeschriebenen Schleifenfilter des Standes der
Technik darstellen;
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Fig. 3a und 3b ein Beispiel des Betriebs des obenbeschriebenen
Schleifenfilters des Standes der Technik darstellen;
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Fig. 4a ein Beispiel eines Ausgangssignals eines Integrators, der in einem
erfindungsgemäßen Schleifenfilter verwendet wird, als eine Funktion der
Zeit zeigt;
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Fig. 4b ein Beispiel eines Ausgangssignals eines Schwellenwertdetektors,
der im erfindungsgemäßen Schleifenfilter verwendet wird, als eine
Funktion der Zeit zeigt;
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Fig. 5a und 5b zwei mögliche Ausführungsformen des Schleifenfilters
zeigen, die das erfindungsgemäße Prinzip implementieren; und
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Fig. 6 den Aufbau des Integrators darstellt, der im erfindungsgemäßen Filter
verwendet wird.
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Die Funktion eines Schleifenfilters gemäß der Erfindung ist in den Fig. 4a
und 4b dargestellt. Fig. 4a zeigt ein Ausgangssignal (I) eines Integrators, der
im Schleifenfilter gemäß der Erfindung verwendet wird, als eine Funktion
der Zeit, wenn ein Taktsignal um zwei Abtastwerte vom korrekten Wert
abweicht. In Fig. 4b ist ein Signal am Ausgang eines
Schwellenwertdetektors des Schleifenfilters. Das Signal, das in das
Schleifenfilter eintritt, erhöht das Signal am Ausgang des Integrators, und
wenn ein Schwellenwertpegel K überschritten wird (oder auf der negativen
Seite unterschritten wird), wird eine Phasenkorrektur ausgeführt. Bei
einem Verfahren gemäß der Erfindung wird eine bestimmte vorgegebene
Zahl vom Inhalt des Integrators in Verbindung mit einer Phasenkorrektur
abgezogen, so daß das Ausgangssignal des Integrators abrupt abfällt. In dem
in Fig. 4 gezeigten Fall erhöht ein ankommendes Signal nach einem ersten
Korrekturimpuls weiter den Wert am Ausgang des Integrators und ein
zweiter Korrekturimpuls wird erzeugt, wenn der Schwellenwert wieder
erreicht wird. Wiederum wird eine bestimmte vorgegebene Zahl vom Inhalt
des Integrators abgezogen, wobei dadurch keine besondere Korrektur
stattfindet.
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Durch eine solche nichtlineare Steuerung kann die Schwingung im
Einstellvorgang reduziert werden und durch Störungen verursachte
Phasenkorrekturen können vermindert werden. Demzufolge ändert sich die
Bandbreite des erfindungsgemäßen Filters automatisch, da die nichtlineare
Steuerung auf der Grundlage des Signals vom Phasenkomparator
auszuführen ist.
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Fig. 5a zeigt ein Blockschaltplan eines Beispiels eines digitalen
Schleifenfilters, das ein Verfahren gemäß der Erfindung implementiert. Das
Filter enthält einen ersten Integrator 41, an dessen Eingang ein Signal 39
geschaltet ist, das vom Phasenkomparator kommt. Der Ausgang des
Integrators ist mit dem Eingang eines ersten Schwellenwertdetektors 43
verbunden, wobei der Ausgang dieses Schwellenwertdetektors mit einem
Taktgeber einer Phasenverriegelungsschaltung verbunden ist und durch
dessen Signal der Taktgeber entweder voreilt oder nacheilt. Das Filter
enthält zusätzlich einen zweiten Integrator 42, an dessen Eingang das
Signal vom Phasenkomparator über einen ersten Gleichrichter 40 zum
Liefern von Absolutwertsignalen geschaltet ist. Der Ausgang des zweiten
Integrators 42 ist als ein Eingang an einen zweiten Schwellenwertdetektor
44 geschaltet. Das Filter enthält ferner ein ODER-Gatter 46, dessen
Eingang der Ausgang des zweiten Schwellenwertdetektors 44 und der
Ausgang des ersten Schwellenwertdetektors 43 über einen zweiten
Gleichrichter 45 zum Liefern von Absolutwertsignalen ist. Ein
Ausgangssignal 47 des ODER-Gatters 46 ist an den Steuereingang der
Integratoren 41, 42 geschaltet.
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Der erste Integrator 41 wird zum Filtern und Erfassen eines
Taktfehlersignals verwendet. Wenn der Schwellenwert K überschritten
wird, wird die Phase der Vorrichtung zur Phasenverriegelung gemäß dem
Ausgangssignal des Schwellenwertdetektors korrigiert, um die Phase
voreilen oder nacheilen zu lassen. Der zweite Integrator 42 wird zum
Erfassen des Nullwerts des Taktfehlersignals verwendet, d. h. zum
Verhindern von durch Störungen verursachter fehlerhafter Korrekturen.
Wird der Schwellenwert K oder K' des Schwellenwertdetektors 43 oder 44
überschritten, wird vom Inhalt der Integratoren 41 und 42 mit Hilfe des
Signals 47, das mit dem Steuereingang verbunden ist, ein vorbestimmter
konstanter Wert abgezogen. Damit das Filter in einer gewünschten Weise
arbeitet, was bedeutet, daß für eine gewünschte Korrektur der Phase der
Schwellenwert K vor dem Schwellenwert K' überschritten wird, sollten die
Integrationszeiten T und T' der Integratoren 41 und 42 so gewählt werden,
daß T' > T. Die Funktionsfähigkeit kann außerdem durch eine geeignete
Wahl der Schwellenwerte K und K' der Schwellenwertdetektoren 43 und 44
sichergestellt werden.
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Der Zweck des ersten Gleichrichters 40 zum Liefern eines
Absolutwertsignals besteht darin, die negativen Signalwerte in positive zu
ändern, um dadurch durch Störung verursachte Fehler zu eliminieren.
Wenn das Signal lediglich Störungen enthält (was bedeutet, daß kein
Phasenfehler vorhanden ist), sind negative und positive Signalwerte in
gleicher Weise wahrscheinlich. Der zweite Gleichrichter 45 zum Liefern
von Absolutwertsignalen wird dazu benötigt, daß voreilende und
nacheilende Signale, die vom Schwellenwertdetektor 43 ausgehen, im
ODER-Gatter 46 in gleicher Weise verarbeitet werden.
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Fig. 5b zeigt einen Blockschaltplan eines weiteren Beispiels eines digitalen
Schleifenfilters, das ein Verfahren gemäß der Erfindung implementiert. Das
Filter enthält einen Integrator 48, an dessen Eingang ein Signal 39 vom
Phasenkomparator geschaltet ist. Der Ausgang des Integrators ist an den
Eingang eines Schwellenwertdetektors 49 geschaltet, dessen Ausgang mit
dem Taktgeber der Phasenverriegelungsschaltung verbunden ist und durch
dessen Signal der Taktgeber entweder voreilt oder nacheilt. Außerdem ist
der Ausgang des Schwellenwertdetektors mit einem zweiten Eingang des
Integrators 48 verbunden, um einen Konstantwert zu liefern, der vom Inhalt
des Integrators 48 abzuziehen ist. Im Vergleich zur vorhergehenden
Ausführungsform ist der Aufbau und die Implementierung dieses Filters
einfacher und billiger. In bezug auf die Leistungsfähigkeit ist das Filter
dieses Typs jedoch etwas schlechter als das Schleifenfilter gemäß der
vorhergehenden Ausführungsform.
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Eine mögliche Struktur eines Integrators, der in beiden obenbeschriebenen
Filtern gemäß der Erfindung zu verwenden ist, ist in Fig. 6 dargestellt. Die
Integratoren 41 und 42, die in der vorherigen Figur erwähnt wurden,
können mit Hilfe eines Integrators gemäß Fig. 6 implementiert sein. Der
Integrator enthält einen Verstärker 53, ein Verzögerungselement 51, eine
erste Rückkopplungsschaltung 55, deren Eingang der Ausgang des
Verzögerungselements 51 ist, einen Schalter 52, dessen Eingänge der
Ausgang des Verzögerungselements sowie ein Signal 47 sind, das zum
Steuereingang des Integrators geht. Der Integrator enthält ferner eine zweite
Rückkopplungsschaltung 54, deren Eingang der Ausgang des Schalters 52
ist, und einen Summierer 50, dessen positive Eingänge das Signal, das über
die Verstärkungseinrichtung 53 zum Integrator kommt, und der Ausgang der
Rückkopplungsschaltung 55 sind, und dessen negativer Eingang der
Ausgang der zweiten Rückkopplungsschaltung 54 ist.
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Die Rückkopplungsschaltung 55 und der Verstärker 53 beeinflussen die
Bandbreite des Integrators in einer normalen Weise. Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kommt dann, wenn der
Schwellenwert K oder K' des Schleifenfilters überschritten wurden, das
Signal 47 über ein ODER-Gatter zum Steuereingang des Integrators, wobei
unter
der Steuerung dieses Signals ein Wert, der durch die
Rückkopplungsschaltung 54 bestimmt ist, vom Ausgang des Integrators
abgezogen wird.
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Obwohl die Erfindung obenstehend mit Bezug auf die Beispiele gemäß der
beigefügten Zeichnung beschrieben wurde, ist klar, daß die Erfindung nicht
auf jene beschränkt ist, sondern im Umfang des Erfindungsgedankens auf
viele Arten verändert werden kann, die in den angefügten Ansprüchen
dargestellt sind. Es ist beispielsweise möglich, das Schleifenfilter mit Hilfe
eines in geeigneter Weise eingerichteten softwaregesteuerten
Signalprozessors zu implementieren.