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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 9.
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Die
DE 199 21 758 A1 beschreibt
einen digitalen Höchstgeschwindigkeitsteilnehmerleitungsempfänger VDSL
sowie einen Verstärker
PGA mit programmierbarem Verstärkungsfaktor
und einen Schmalbandrauschunterdrücker dafür und insbesondere einen VDSL-Empfänger, der
während
des Empfangs eines Signals, das ein Schmalbandrauschen enthält, den
Verstärkungsfaktor
steuert, sowie einen PGA und einen Schmalbandrauschunterdrücker dafür.
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Die
DE 694 24 908 T2 beschreibt
ein Signalverarbeitungsgerät
zur Durchführung
einer Maximalwahrscheinlichkeits-Dekodierung und ein Signalverarbeitungsgerät mit einer
Viterbidekodiereinrichtung.
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Bei
der Übertragung
eines digitalen Informationssignals muss in der Regel damit gerechnet
werden, dass das Informationssignal gestört wird bzw. von einem Störsignal überlagert
wird. Zur Gewinnung der digitalen Daten aus dem Informationssignal
wird das Informationssignal in der Regel einem Komparator als Digitalisiereinrichtung
zugeführt,
der aus dem Informationssignal die Daten bzw. die einzelnen Bits gewinnt.
Dabei können
jedoch die Störungen
zu einer fehlerhaften Digitalisierung des Informationssignals führen. Insbesondere
können
zwei Störungsarten
die korrekte Datenübertragung
gefährden.
Zum einen gibt es Dauerstörungen,
die zum Komparator gelangen können
und dort fehlerhafte Bits hervorrufen. Wenn dem Komparator ein Bandfilter
vorgeschaltet ist, stören
besonders die Dauerstörungen,
deren Frequenzbereich sich über
die Fil termittenfrequenz des Bandfilters erstreckt. Zum anderen
gibt es auch aperiodische, kurze intensive Störungen, die genügend Energie
beinhalten können,
um den Komparator ansprechen zu lassen. Derartige aperiodische,
kurze Störungen
können
auch Bandfilter passieren und ebenfalls zu fehlerhaften Daten führen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
bzw. eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei
denen ein gestörtes
und insbesondere ein mit Dauerstörungen behaftetes
Informationssignal korrekt digitalisiert werden kann.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 sowie eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs
9 gelöst.
Die Unteransprüche
definieren jeweils bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung.
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Mit
der erfindungsgemäßen Lösung kann
die Verstärkung
des Informationssignals mittels des Integralreglers so geregelt
werden, dass das Informationssignal im Wesentlichen der Reglerschwelle
entspricht, die als Soll-Größe für die Regelung
verwendet wird. Da das digitale Informationssignal zur Übertragung
der einzelnen Datenbits wechselweise unterschiedliche Signalpegel
annimmt, insbesondere nur die beiden Pegel Low und High, und aus
diesem Grund im Wesentlichen ein Rechtecksignal ist, kann mit der
Regelung erreicht werden, dass das Informationssignal in den Signalpausen
gleich oder geringer der Reglerschwelle und während der Signaldauern über der
Digitalisierschwelle liegt. Unabhängig vom absoluten Pegel des
Informationssignals sowie des Störsignals
wird auf diese Weise eine korrekte Digitalisierung sichergestellt,
solange das Verhältnis
des Informationssignals während
der Informationssignaldauer zu dem Pegel des Störsignals ausreichend hoch ist.
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Wird
beispielsweise das Informationssignal von einem Störsignal überlagert,
so erhöht
sich das Informationssignal insbesondere in den Signalpausen. Sollte
das Informationssignal auch in den Signalpausen über der Digitalisierschwelle
liegen, ist eine korrekte Digitalisierung des Informationssignals nicht
mehr möglich.
Da jedoch die Reglerschwelle bzw. der Soll-Wert der Integralregelung
unter der Digitalisierschwelle liegt, wird in einem solchen Fall
der Integralregler die Verstärkung
soweit verringern, bis das Informationssignal im Wesentlichen wieder
der Reglerschwelle entspricht. Dies hat zur Folge, dass die High-Pegel
während
der Datensignaldauer des Informationssignals über der Reglerschwelle und
insbesondere über
der Digitalisierschwelle liegen und der Low-Pegel des Informationssignals
während
der Datensignalpausen sicher bei oder unter der Reglerschwelle liegen,
so dass das Informationssignal korrekt digitalisiert werden kann.
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Zweckmäßigerweise
erhöht
die Integralregelung die Verstärkung
nur bis zu einem bestimmten Höchstwert.
Dieser kann vorteilhafterweise so ausgelegt sein, dass bei Abwesenheit
eines Störsignals das
Datensignal in den Signalpausen die Reglerschwelle immer wieder
unterschreitet.
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Vorteilhafterweise
verwendet die Integralregelung zwei verschiedene Zeitkonstanten
zum Erniedrigen der Verstärkung
bzw. zum Erhöhen
der Verstärkung,
wobei die beim Erhöhen
der Verstärkung
angewendete Zeitkonstante kürzer
ist als die beim Erniedrigen angewendete Zeitkonstante, so dass
die Verstärkung
schneller erhöht
als erniedrigt wird. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass
die Verstärkung
auch in kurzen Signalpausen wieder ausreichend angehoben wird und
das Informationssignal zu jedem Zeitpunkt so hoch ist, dass es während der
Signaldauern bzw. Impulsdauern über
der Digitalisierschwelle liegt. In den Signalpausen wird die Verstärkung entweder
bis zum Maximalwert oder bei Anwesenheite eines Störsignals
soweit angehoben, dass das Störsignal
in den Signalpausen bis zur Reglerschwelle angehoben wird. Da diese
jedoch unterhalb der Digitalisierschwelle liegt, gefährdet der
hohe Pegel des Störsignals
in den Signalpausen nicht die korrekte Digitalisierung.
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Die
erste Zeitkonstante, die beim Erniedrigen der Verstärkung wirksam
ist, ist vorteilhafterweise so groß, dass die Verstärkung während der
Datensignal- bzw. Impulsdauern, d.h. bei einem High-Pegel des Informationssignals,
in der Zeitdauer, in der das Informationssignal oberhalb der Reglerschwelle
liegt, sich nicht stark verändert.
Insbesondere wird die Verstärkung
während
dieser Zeitdauer nicht soweit abgesenkt, dass das Informationssignal
während
der Impulsdauer unter die Digitalisierschwelle fällt.
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Durch
die zwei unterschiedlichen Zeitkonstanten kann erreicht werden,
dass ein gestörtes
Informationssignal mit seinem Minimas, die während der Signalpausen auftreten
und zu denen nur die Störung
beiträgt,
im Bereich der Reglerschwelle liegt, so dass die einzelnen Impulse
bzw. Datensignale entsprechend darüber liegen und korrekt digitalisiert werden
können.
Bei einer ausreichend kurzen zweiten Zeitkonstante wird die Verstärkung in
den Signalpausen, wenn das Informationssignal unter die Reglerschwelle
fällt,
sofort wieder erhöht,
bis das Informationssignal die Reglerschwelle erreicht. Durch ein ständiges Erhöhen und
Erniedrigen der Verstärkung im
Wechsel wird während
der Signalpause das Informationssignal auf der Reglerschwelle gehalten.
Sobald wieder ein Impuls auftritt und das Informationssignal ansteigt,
wirkt nur noch die erste Zeitkonstante, die jedoch so groß ist, dass
während
der Impulsdauer die Verstärkung
nicht nennenswert verringert wird und das Informationssignal einen
ausreichend hohen Wert aufweist, um die Digitalisierschwelle zu überschreiten.
Sobald das Informationssignal in den Signalpausen wieder abfällt und
unter die Reglerschwelle fällt,
wird wie zuvor beschrieben die Verstärkung im Wechsel erhöht und erniedrigt,
wobei das Störsignal
auf der Reglerschwelle gehalten wird. Dabei wird zu Beginn die Verstärkung wieder
etwas erhöht,
um die Erniedrigung der Verstärkung
während der
Impulsdauer zu kompensieren.
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Vorteilhafterweise
kann dem Verstärker
ein Amplitudenbegrenzer nachgeschaltet sein, der das Ausgangssignal
des Verstärkers
auf eine bestimmte Amplitude begrenzt. Dadurch wird sichergestellt, dass
selbst bei einem sehr großen
Eingangssignal die nachfolgenden Schaltungsteile nicht übersteuert werden
können
und Fehlfunktionen auftreten. Dieser Begrenzungsmechanismus erlaubt
eine Variation des Eingangssignals über unter Umständen mehrere Zehnerpotenzen.
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Weiterhin
kann vorgesehen sein, die digitalen Daten mit Hilfe von einem Wechselsignal
einer Frequenz zu übertragen
und dem Verstärker
ein Bandfilter nachzuschalten, dessen Durchlassbereich der vorgenannten
bestimmten Frequenz entspricht. In diesem Fall ist ein Demodulator
nötig,
der die bandpassgefilterten Wechselsignal gleichrichtet und anschließend der
Vergleicherschaltung bzw. der Integralregelung zuführt. Wenn
das digitale Informationssignal in Form von Bursts, kurze Einzelimpulse
konstanter Frequenz, übertragen
wird, kann der Demodulator noch einen Integrator aufweisen, der
die einzelnen Bursts während
der Signaldauer aufintegriert.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen näher
erläutert.
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1 zeigt
den schematischen Aufbau einer Schaltungsanordnung zum Auswerten
eines digitalen Informationssignals gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, und
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2 zeigt
den zeitlichen Verlauf verschiedener in der Schaltungsanordnung
gemäß 1 auftretender
Signale.
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Die
in 1 dargestellte Schaltungsanordnung dient zum Auswerten
eines digitalen Informationssignals 7, wobei eine korrekte
Digitalisierung auch bei Auftreten eines Störsignals 8 gewährleistet sein
soll. Das Informationssignal 7 wird in Form von Bursts übertragen,
die kurze Wechselsignale sind. Ein einzelnes Bit im Informationssignal 7 entspricht einem
gesendeten Burst.
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Die
in 1 dargestellte Schaltungsanordnung weist einen
steuerbaren Verstärker 9 auf,
dessen Ausgangssignal 1 einem Bandfilter 10 zugeführt wird,
das zusätzlich
einen Begrenzer aufweist. Der Begrenzer begrenzt das Ausgangssignal 1 des
Verstärkers 9 auf
eine bestimmte Amplitude. Das Bandfilter weist einen Durchlassbereich
mit einer bestimmten Mittenfrequenz f0 auf, die der Frequenz der
einzelnen Bursts entspricht. Auf diese Weise kann sichergestellt
werden, dass Störungen,
deren Frequenzbereich außerhalb
des Durchlassbereichs des Bandfilters liegt, unterdrückt werden.
An das Bandfilter 10 schließt sich ein Demodulator 11 an,
in dem das Ausgangssignal 2 des Bandfilters 10 gleichgerichtet
und aufintegriert wird. Im Ausgangssignal 3 des Demodulators 11 ist
das Wechselsignal eines einzelnen Bursts aufintegriert zu einem
durchgehenden Impuls auf High-Pegel.
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Das
Demodulatorsignal 3 ist zum einen auf einen Ausgangskomparator 12 und
einen Reglerkomparator 13 aufgeschaltet. Der Ausgangskomparator 12 vergleicht
das Demodulatorsignal 3 mit einer Digitalisierschwelle 15 und
kann dazu eine Hysterese aufweisen, um bei Signalübergängen Mehrfachpulse zu
vermeiden. Am Ausgang des Ausgangskomparators 12 liegt
das digitale Ausgangssignal 4 an.
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Im
Reglerkomparator 13 wird das Demodulatorsignal 3 mit
einer Reglerschwelle 16 verglichen, die unter der Digitalisierschwelle 15 des
Ausgangskomparators 12 liegt. Der Ausgang 5 des
Reglerkomparators 13 ist auf einen Integrator 14 aufgeschaltet, der
zusammen mit dem Reglerkomparator 13 einen Integralregler 13, 14 bildet.
Der Integralregler 13, 14 weist zwei verschiedene
Zeitkonstanten auf und ist derart eingerichtet, dass er die Verstärkung des
Verstärkers 9 erhöht, solange
das Demodulatorsignal 3 unter der Reglerschwelle 16 liegt,
und die Verstärkung
des Verstärkers 9 erniedrigt,
solange das Demodulatorsignal 3 über der Reglerschwelle 16 liegt. Dabei
wird bei der Erniedrigung der Verstärkung eine erste Zeitkonstante
angewendet, die größer als
eine zweite Zeitkonstante ist, die beim Erhöhen der Verstärkung angewendet
wird, so dass die Verstärkung des
Verstärkers 9 schneller
erhöht
als erniedrigt wird.
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Die
Funktion der dargestellten Schaltungsanordnung wird nun anhand der
auftretenden Signalverläufe
gemäß 2 zunächst ohne
und schließlich mit
einem Störsignal 8 erläutert. Das
Verstärkersignal 1 zeigt
im dargestellten Ausschnitt sechs Impulse, von denen die ersten
drei noch störungsfrei
sind und die zweiten drei vorn Störsignal 8 überlagert
werden. Das Störsignal 8 weist
dabei die gleiche Frequenz auf wie die Bursts des Informationssignals 7.
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Im
Bandfiltersignal 2 ist zu sehen, wie die Rechteckhüllkurve
der Signale des Informationssignals 7 durch die Bandpassfilterung
verrundet sind, wobei das Störsignal 8 immer
noch auftritt, da es aufgrund der gleichen Frequenz nicht vom Bandfilter 10 beseitigt
werden konnte. Im Demodulator 11 wird dieses Bandfiltersignal 2 nun
gleichgerichtet und aufintegriert bzw. geglättet, so dass sich der dargestellte Verlauf
des Demodulatorsignals 3 ergibt. Bei den ersten drei Signalimpulsen
fällt das
Demodulatorsignal während
der Signalpausen noch nahezu auf Null ab, wobei der Signalverlauf
in den Signalpausen stark verrundet ist. Im Gegensatz dazu ist der
Signalverlauf des Informationssignals 7 während der
Impulse im Wesentlichen rechteckförmig, da hier die Amplitudenbegrenzung
wirkt. Bei den zweiten drei Impulsen tritt in den Signalpausen zusätzlich zu
einem Rauschen das Störsignal 8 auf,
so dass das Demodulatorsignal 3 nur noch wenig abnimmt.
Zusätzlich
zum Demodulatorsignal 3 ist in diesem Diagramm die Digitalisierschwelle 15,
die im Ausgangskomparator 12 angewendet wird, und die Reglerschwelle 16 dargestellt,
die im Reglerkomparator 13 angewendet wird.
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Liegt
das Demodulatorsignal 3 über der Reglerschwelle 16,
geht der Stellausgang 5 des Reglerkomparators 13 für eine erste
Zeitdauer 17 auf Low und veranlasst den Integralregler 13, 14,
die Verstärkung
des Verstärkers 9 gemäß einer
ersten Zeitdauer zu verringern. Wenn das Demodulatorsignal 3 unter die
Reglerschwelle 16 fällt,
geht der Ausgang 5 des Reglerkomparators 13 für eine zweite
Zeitdauer 18 auf High und veranlasst den Integralregler 13, 14,
die Verstärkung
des Verstärkers 9 gemäß einer
zweiten Zeitkonstante zu erhöhen.
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Im
Fall der ersten drei Impulse, wenn noch kein Störsignal 8 auftritt,
wird während
der zweiten Zeitdauer 18 die Verstärkung des Verstärkers 9 bis auf
den Maximalwert erhöht.
Der Maximalwert der Verstärkung
entspricht der Nulllinie des Integralreglerausgangs 6,
wobei die Verstärkung
nach oben hin im Diagramm abnimmt, so dass ein oben liegender Verlauf
des Integralreglerausgangs 6 eine geringere Verstärkung des
Verstärkers 9 zur
Folge hat.
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Da
bei den ersten drei Impulsen während
der Signalpausen kein Störsignal 8 auftritt,
bleibt das Demodulatorsignal 3 trotz der maximalen Verstärkung weit
unterhalb der Reglerschwelle 16. Nach oben hin verändert sich
das Demodulatorsignal 3 aufgrund der Begrenzung im Bandfilter 10 nicht,
so dass unabhängig
von der Verstärkung
des Verstärkers 9 die
Maxima des Demodulatorsignals 3 gleich hoch sind. In den
ersten Zeitdauern 17, wenn das Demodulatorsignal 3 über der
Reglerschwelle 16 liegt, steigt das Integralreglersignal 6 ein
wenig an, wodurch die Verstärkung
des Verstärkers 9 geringfügig verringert wird,
wobei diese Verringerung der Verstärkung in den zweiten Zeitdauern 18 aufgrund
der kürzeren zweiten
Zeitkonstante des Integralreglers 13, 14 schnell
wieder ausgeglichen wird. Weiterhin ist die erste Zeitkonstante
so groß,
dass während
der ersten Zeitdauer 17 das verstärkte Informationssignal 7 nicht
unter den Wert fällt,
auf den der Begrenzer 10 das Informationssignal 7 begrenzt.
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Wenn
nun im Falle der zweiten drei Impulse das Störsignal 8 auftritt,
erreicht das Demodulatorsignal 3 auch während der Signalpausen aufgrund
des Störsignals 8 bei
der maximal möglichen
Verstärkung des
Verstärkers 9 die
Reglerschwelle 16. In diesem Fall geht das Reglerkomparatorsignal 5 auch
während
der Signalpausen auf Low, um die Verstärkung wieder zu verringern.
Da dies wegen der kurzen zweiten Zeitkonstante sehr schnell geht,
wird das Demodulatorsignal 3 in kurzer Zeit soweit erniedrigt, dass
es wieder unter die Reglerschwelle 16 fällt, wodurch das Reglerkomparatorsignal 5 wieder
auf Low wechselt, so dass der Integralregler 13, 14 gemäß der ersten
Zeitkonstante die Verstärkung
wieder langsam anhebt. In diesem Fall wird die Verstärkung des
Verstärkers 9 so
geregelt, dass das Demodulatorsignal 3 in den Signalpausen
ständig
um die Reglerschwelle 16 herum schwankt, indem die Verstärkung abwechselnd
mit der ersten Zeitkonstante erniedrigt und mit der zweiten Zeitkonstante
erhöht wird.
Da die beiden Zeitkonstanten unterschiedlich groß sind, weist das Reglerkomparatorsignal 5 während der
zweiten drei Impulspausen kurze Sprünge auf, in denen das Demodulatorsignal 3 die
Reglerschwelle 16 überschritten
hat und der Integralregler 13, 14 die Verstärkung wieder
verringert.
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Auf
diese Weise wird bei Auftreten des Störsignals 8 die Verstärkung gerade
soweit verringert, dass das Demodulatorsignal 3 in den
Signalpausen auf der Höhe
der Reglerschwelle gehalten wird. Die Verstärkung wird demnach nur soweit
verringert, dass das Demodulatorsignal 3 in den Signalpausen unter
die Digitalisierschwelle 15 fällt, so dass das Informationssignal 7 korrekt
digitalisiert werden kann. Die vorgenannte Verstärkungsregelung wird nur dann
aktiv, wenn die Amplitude des Störsignals 8 hinreichend
groß ist.
Unterschreitet die Amplitude des Störsignals 8 einen bestimmten
Wert, so unterschreitet das Demodulatorsignal 3 immer wieder
hinreichend lange die Reglerschwelle 15, so dass der Integralregler 13, 14 gemäß der zweiten
Zeitkonstante die Verstärkung
des Verstärkers 9 immer
wieder auf den maximalen Wert stellt. Die Verstärkung des Verstärkers 9 wird
nur dann dauerhaft gesenkt, wenn die Amplitude des Störsignals 8 groß genug
ist. In diesem Fall wird das Demodulatorsignal 3 vom Reglerkomparator 13 und
dem Integrator 14 auf einem konstanten Wert gehalten, wobei
der Reglerkomparator 13 für ein definiertes Abwechseln
der beiden Zeitkonstanten im Integralregler 13, 14 eine
Hysterese für die
Regelschwelle aufweisen kann.
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Die
Pausen zwischen den Impulsen des Informationssignals 7 müssen jedoch
eine gewisse Länge
haben, damit sich der Inte gralregler 13, 14 auf das
Störsignal 8 einstellen
kann. Je länger
ein Impuls des Informationssignals 7 dauert, umso stärker kann der
Integralregler 13, 14 in der ersten Zeitdauer
die Verstärkung
verringern, so dass der Ausgleichsvorgang in der zweiten Zeitdauer
längere
Zeit benötigt, um
die Verstärkung
wieder auf einen stationären Wert
einzustellen. Durch entsprechende Abstimmung der verschiedenen Parameter,
insbesondere Amplitude des Informationssignals 7, Verstärkung, erste
und zweite Zeitkonstante, kann erreicht werden, dass das System
unempfindlich auf Dauerstörsignale 8 im
Durchlassbereich des Bandfilters 10 reagiert.