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Verfahren und Anordnung zur Herabsetzung der Bandbreite eines aus
unipolaren Impulsen ungleicher Länge und Verteilung bestehenden Signals Das Spektrum
eines aus Impulsen bestehenden Signals kann bekanntlich auch dann einen großen Anteil
an sehr niedrigen Frequenzen enthalten, wenn die einzelnen Impulse an sich kurz
sind. Das Auftreten dieser niedrigen Spektralkomponenten kann durch entsprechend
große Impulsabstände, insbesondere aber auch durch Periodizitäten bedingt sein,
die als mehr oder weniger regelmäßige Anhäufungen von Impulsen in Erscheinung treten.
Als Beispiel diene das Empfangssignal eines an einer Küste aufgestellten Rundsicht-Radargerätes.
Im Amplitudenspektrum der Echoimpulsfolge eines solchen Gerätes tritt zunächst mit
großer Amplitude die Folgefrequenz des Radarsenders auf. Ferner ist im allgemeinen
die Seeseite des Bildes fast ohne Echoimpulse, während der der Landseite zugekehrte
Bildsektor eine sehr große Anzahl von Echoimpulsen enthalten kann. Da also die Häufigkeit
der Echoimpulse innerhalb einer Antennenumdrehung recht unterschiedlich ist, sind
im Spektrum des Empfangssignals auch die meist sehr niedrige Grundschwingung der
Antennenrotation sowie ihre Vielfachen mit großer Amplitude vertreten.
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Das weitere Verarbeiten eines aus Impulsen bestehenden Signals wird
durch Spektralanteile mit derart niedriger Frequenz sehr erschwert. So macht es
z. B. Schwierigkeiten, breitbandige Verstärker für sehr niedrige Grenzfrequenzen
auszulegen. Bei der Übertragung über lange Kabel treten bei diesen Frequenzen Laufzeitverzerrungen
auf. Bei der Speicherung solcher Signale mit Magnetbandgeräten können die erwähnten
niedrigen Frequenzen wegen des mit w ansteigenden Frequenzganges nur sehr schlecht
wiedergegeben werden, wobei sich durch die notwendigen Entzerrungsmaßnahmen auch
der Störabstand verschlechtert.
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Es ist bekannt, die Bandbreite eines aus unipolaren Impulsen bestehenden
Signals dadurch zu vermindern, daß jeder unipolare Impuls in einen bipolaren Impuls
umgewandelt wird. Man erzielt damit eine Abschwächung der niederfrequenten Signalkomponenten,
so daß der Schwerpunkt des Amplitudenspektrums nach höheren Frequenzen verschoben
wird.
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Die mit diesem Vorgehen bewirkte Verminderung des Frequenzbandes reicht
jedoch nicht aus, um die vorerwähnten Schwierigkeiten zu beseitigen. Insbesondere
versagt es, wenn das Signal wie bei Radarsignalen aus Impulsen von im allgemeinen
ungleicher Länge und Verteilung besteht.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herabsetzung der Bandbreite
eines aus unipolaren Impulsen bestehenden Signals von im allgemeinen ungleicher
Länge und Verteilung, bei dem gleichfalls der
Schwerpunkt des Amplitudenspektrums
nach höheren Frequenzen verschoben wird. Sie erreicht dies im Gegensatz zu dem bekannten
Verfahren dadurch, daß Impulse, welche eine vorgegebene Dauer t überschreiten, in
eine symmetrische Rechteckwelle mit einer Folgefrequenz von etwa f = l/2 t umgewandelt
werden, während kürzere Impulse so weitergegeben werden, daß ihre Polarität jeweils
entgegengesetzt der Polarität des vorangehenden Impulses ist. Die Rückumsetzung
des umgeformten Signals in seine ursprüngliche Form, welche hinter dem tXbertragungsweg
im allgemeinen erforderlich sein wird, kann in einfacher Weise durch Doppelweggleichrichtung
erfolgen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sowie eine Anordnung zu dessen Verwirklichung
werden nachstehend an Hand der Zeichnungen näher erläutert.
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Die Fig. 1 und 2 stellen ein aus kurzen und langen Impulsen bestehendes
Signal vor bzw. nach seiner Umformung im Sinne der Erfindung dar. Die Fig. 3 und
4 zeigen die experimentell aufgenommene Umhüllende des Spektrums eines speziellen
Signals, ebenfalls vor und nach der Umformung. Fig. 5 ist ein Blockschaltbild einer
Anordnung zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens. In Fig. 6 ist das Prinzipschaltbild
eines ausgeführten Gerätes dargestellt. In den einzelnen Zeilen der Fig. 7 sind
die an den gleich bezeichneten Punkten der Schaltbilder in Fig. 5 und 6 auftretenden
Signale (Spannungsverläufe) veranschaulicht.
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Ein Vergleich des in Fig. 2 abgebildetenvSenals mit jenem der Fig.
1 zeigt, daß infolge der erfindutsgemäßen Umformung die niedrigen Spektralkomponenten
verschwunden sind -Man -kann- dies beispielsweise durch Bildung des linearen Mittelwertes-
der Signalfunktion erkennen: - Wärefl dle~ku-rzen~Impulge alle von gleichem Flächeninhalt
und würden die längeren Impulse so in Mäander aufgelöst, daß nach der Zerhackung
der positive und negative Anteil ebenfalls jeweils gleichen Flächeninhalt hätten,
so hätte die Gleichkomponente des umgeformten Signals den Wert Null. Praktisch ist
dies natürlich nur annähernd der Fall, da die Impulslängen und -amplituden der.
üblichen- Signale statistischzverteilt sind Sehr deutlich ist die erzielbare wesentliche
Verbesserung des Amplitudenspektrums aus den Fig. 3 und 4 zu ersehen. Fig. 3 bezieht
sich auf das experimentell aufgenommene Spektrum eines - auf etwa 100 kHz Bandbreite
frequenzkomprimierten Radarbildsignals. Das Amplitudenmaximum dieses Signals entspricht
der Zeilenfolgefrequenz (hier etwa 300Hz), und es sind auch noch niedrigere Frequenzen
einschließlich der Gleichkomponente mit sehr großer Amplitude vertreten. Durch die
Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde gemäß Fig. 4 erreicht, daß die
Amplituden dieser niedrigen Frequenzen fast völlig verschwunden sind. Das Amplitudenmaximum,
welches von der angewandten Folgefrequenz der Zerhackung der längeren Impulse abhängt,
erstreckt sich jetzt von etwa 20 bis 30 kHz. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen,
diese Zerhackung mit einer Folgefrequenz durchzuführen, die ungefähr einem Drittel
bis der Hälfte der höchsten zu übertragenden Frequenz des Signals entspricht. Wenn
hier und im folgenden der Begriff Übertragung verwendet wird, soll er im- allgemeinen
Sinne verstanden werden und jede Form der weiteren Verarbeitung eines Signals, beispielsweise
auch dessen Verstärkung oder Speicherung, einschließen.
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Selbstverständlich läßt sich dieses Verfahren auch mit anderen Verfahren
kombinieren, die das Ziel verfolgen, ein aus Impulsen bestehendes Signal den Eigenschaften
des Übertragungsweges entsprechend umzuformen. Beispielsweise wurde im Zusammenhang
mit der Speicherung eines impuls artigen Signals auf Magnetband vorgeschlagen, das
Signal vor der Speicherung zu integrieren, wobei z. B. von den Impulsen ein Kondensator
aufgeladen wird. Dieser muß in der Integrationsschaltung - stetig oder periodisch
wieder entladen werden, um einen konstanten Gleichspannungsmittelwert zu erhalten;
die Maximalamplitude innerhalb des integrierten Signals wird nämlich durch die tiefsten
Frequenzen bestimmt, die bei der Integration besonders bevorzugt werden. Führt man
jedoch einer derartigen Anordnung eine im Vorzeichen stets wechselnde Impulsfolge
zu, etwa nach Fig. 2, so folgt--auf- jede Aufladung des- -Integriergliedes unmittelbar
eine Entladung. Hierdurch wird eine Übersteuerung der Anordnung vermieden, - und
besondere Maßnahmen zur abschnittweisen Entladungdes Integriergliedes erübrigen
sich.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Schaltungsanordnung
vorgeschlagen, bei welcher aus dem Eingangssignal zwei Signale entgegengesetzter
Polarität hergestellt und diese je einem Schalter zugeführt werden Die Schaltzustände
der beiden Schalter sind jeweils-entgegengesetzt (komplementär) und werden jeweils
gleichzeitig in Abhängig-
keit von der Aufeinanderfolge und Länge der einzelnen Impulse
des Eingangssignals umgesteuert. Als Schalter können elektronische Schalter wie
Schaltröhren.od,er~Schalttransistoren, aber auch z. B. auf magnetisclTer Basis wirkende
Anordnungen dienen.
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Durch çúsammertfassung der Ausgangssignale der beiden Schalter erhält
man das umgeformte Signal, welches den gewünschten alternierenden Amplitudenverlauf
hat.
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Dieser Vorgang sowie weitere Ausgestaltungen der Erfindung werden
nachstehend an Hand des schematischen Blockschaltbildes Fig. 5, eines in Fig. 6
dargestellten Prinzip schaltbildes eines ausgeführten Gebrätes soMrieales Impulsplanes
der Fig. 7 näher erläutert.
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In Fig. 5 gelangt das Eingangssignal a über einen Verstärker 1 an
eine Phasenumkehrstufe X, an deren Ausgängen das Signal mit beiden Polaritäten g
und h (Fig.- 7) zur Verfügung steht. Diese beiden Spannungen werden je einem elektronisch
gesteuerten Schalter 3 bzw. 4 zugeführt.
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Der Wechsel des Schaltzustandes der beiden Schalter erfolgt einerseits
nach jedem kurzen Impuls, andererseits im Takt der Folgefrequenz eines besonderen
Generators, welcher jedoch nur bei Vorhandensein eines solchen Eingangsimpulses
wirksam werden soll, der eine bestimmte Länge überschreitet. Man könnte daran denken,
diesen Generator dauernd durchschwingen zu lassen und entsprechende Mittel vorzusehen,
die ihn nur bei Vorhandensein eines langen Impulses auf die Schalter einwirken lassen.
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In den Ausführungsbeispielen wird jedoch eine andere Möglichkeit bevorzugt:
Der Generator schwingt nur bei Vorhandensein eines Impulses und erst dann, sobald
dieser eine-bestimmte Länge überschreitet. Er wirkt außerdem nicht unmittelbar auf
die beiden Schalter 3 und 4 ein, sondern löst im Rhythmus seiner Schwingung jeweils
eine Flip-Flop-Schaltung 5 (z. B. bistabile Multivibratorschaltung) aus, durch deren
zwei komplementäre - Ausgangs signale die beiden Schalter 3 und 4 abwechselnd geöffnet
werden. Ihre zusammengefaßten Ausgangs signale ergeben das umgeformte Signal i.
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In Fig. 5 ist der erwähnte Generator ein Impulsgenerator 6, der jeweils
dann eine Folge kurzer Impulse d an die Flip-Flop-Stufe 5 liefert, wenn der seinem
Eingang zugeführte, in einer Vorstufe 7 (Begrenzer) amplitudenbegrenzte Einzelimpuls
(Signal b in Fig. 7) eine bestimmte Länge überschreitet. Die Vorstufe 7 liefert
nicht nur Kontrollimpulse an den Generator 6, sondern erzeugt aus der ihr zugeführten
Signalspannung ferner ein differenziertes Signal c, dessen negative, den Rückflanken
der Einzelimpulse entsprechende Spitzen ebenfalls der Flip-Flop-StufeS zugeführt
werden. Die Steuerung der Stufe 5 erfolgt also auf zwei verschiedenen-Wegen.
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In der Schaltungsanordnung nach Fig. 6 wird das Eingangssignal a
zunächst. einem - -Kathodenverstärker 8 zugeführt, der eine Amplitudenregelung ermög-=licht.
Die folgende Stufe mit der Röhre 9 ist ein-Verstärker. Die - Phasenumkehr, also
die Herstellung zweier gleicher Signale g und h mit entgegengesetztem Vorzeichen
der Amplitude, erfolgt in Röhre 10, deren Anoden- und Kathodenwiderstand 11 bzw.
12 gleich groß sind. Die Ausgangssignale g und h der Stufe 10 gelangen an das Steuergitter
je eines Systems 13 a und 14 a zweier als Schalter dienender Doppeltnoden 13 bzw.
-14, deren Funktion und Steuerung
weiter unten erklärt wird.~ AIl
den zuZsammengefaßten Ausgängen dieser beiden-Schaltröhren entsteht das umgeformte
Signal i.
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Die übrigen Stufen dienen iur Gewinnung der den Schaltern 13 und
14 zuzuführenden Steuersignale.
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Das an der Anode der -Röhre 10 auftretende Signal h wird außer dem
Steuergitter -14 a- einer Begrenzerröhre 15 zugeleitet, an- deren Steuergitter eine
Diode 16 liegt. Die Funktion einer solchen Stufe, die infolge des gemeinsamen Kathodenwiderstandes
17 der beiden Systeme als kathodengekoppelter Röhrenbegrenzer bezeichnet werden
kann, ist an sich bekannt. Die begrenzte Spannung gelangt an das Steuergitter einer
Röhre 18, wobei ihre Grundlinie durch eine Niveau-Diode 19 auf Null festgelegt wird.
An der Kathode dieser Röhre tritt also ein Signal b auf, dessen einzelne Impulse
alle von gleichem Potential ausgehen und gleiche Amplitude erreichen. Im Anodenkreis
der Röhre 18 liegt die Primärwicklung eines Übertragers 20. Die Zeitkonstante des
Übertragers mit seinem Abschlußwiderstand 21 ist klein gegen die kleinste Impulslänge,
so daß das an der Sekundärwicklung abgenommene Ausgangssignal c dieser Stufe in
differenzierter Form erscheint. Durch seine negativen Spannungsspitzen; welche den
Rückilanken der zugeführten Impulse entsprechen, werden über Dioden 22 und 23 die
Anoden einer Doppeltriode 24 angesteuert. Diese ist Bestandteil eines bistabilen
Multivibrators, der somit nach jeder Rückflanke der Impulse des Eingangssignals
seinen Sehaltzustand wechselt.
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Die Multivibratorröhre 24 kann ferner durch einen Impulsgenerator
gesteuert (getriggert) werden, der hier als Sperrschwinger ausgebildet ist. Im Anodenkreis
der Röhre 25 befindet sich die Primärwicklung eines Übertragers 26, dessen Sekundärwicklung
in bekannter Weise in Serie mit einem Kondensator 27 zwischen Kathode und Gitter
geschaltet ist. Die Kathode ist über einen Spannungsteiler 28, 29 so weit positiv
vorgespannt, daß die Gittervorspannung ausreicht, um die Röhre stromlos zu halten.
Erst wenn dem Gitter auf weiter unten erklärte Weise eine genügend große positive
Spannung zugeführt wird, wird die Röhre 25 geöffnet. Sie arbeitet dann als astabiler
Sperrschwinger und erzeugt eine Impulsfolge d, welche an der Kathode der Röhre abgenommen
und den verbundenen Kathoden der Multivibratorröhre 24 zugeführt wird.
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Die Sperrschwingerröhre 25 soll jedesmal dann geöffnet werden, wenn
der vorliegende Signalimpuls eine bestimmte Länge überschreitet. Um dies zu erreichen,
sind erfindungsgemäß Schaltungselemente vorgesehen, in welchen eine mit der Länge
vorhandenen Signalimpulses anwachsende Spannung entsteht, die dann die Röhre 25
öffnet. Hierzu wird ein Integrierglied verwendet, dem eine dem Eingangs signal entsprechende,
jedoch amplitudenbegrenzte Spannung zugeführt wird, so daß die integrierte Spannung
nur von der Länge der Impulse abhängt. Diese amplitudenbegrenzte Spannung b (Fig.
7) wird an der Kathode der Differenzierröhre 18 abgenommen. Als Integrierglied dienen
ein Widerstand 30 und der schon erwähnte Gitterkondensator 27 des Sperrschwingers
25. Überschreitet der amplitudenbegrenzte Impuls eine durch die Zeitkonstante RC
der Schaltungselemente 30 und 27 bedingte Länge, so erreicht die am Gitter des Sperrschwingers
entstehende Spannung einen Wert, der die Röhre 25 entsperrt. Da die
Schaltungselemente
30 und- 27 im Gitterkreis der Sperrschwingerröhre liegen, bestimmt-ihre Zeitkonstante
RC in - vorteilhafter Weise gleichzeitig die Folgefrequenz und damit den Abstand
der erzeugten Impulse.
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Die Multivibratorschaltung - (Röhre 24) wechselt somit ihren Schaltzustand
sowohl, wenn ihr die Dioden 22 und 23 ein negativer Impuls c nach Fig. 7 zugeleitet
wird, als auch, wenn an ihren Kathoden ein Impuls d nach Fig. 7 eintrifft. Ihre
beiden komplementären Ausgangsspannungen e und f (Fig. 7) werden über je einen Spannungsteiler
31, 32 und 33, 34 den-Systemen 13b bzw. 14 b der Schaltröhren aufgedrückt.
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Es wurde oben bereits erläutert, daß an den Gittern der!Röhrensysteme
13 a und 14 a der Schaltröhren 14 und 15 mit entgegengesetztem Vorzeichen die Signale
g bzw. h liegen. Mittels eines an der positiven Betriebsspannung liegenden Spannungsteilers
35, 36 und zweier Niveau-Dioden 37 und 38 werden die Grundlinien dieser beiden Signale
auf gleichem positivem Potential gehalten. Gelangt nun beispielsweise bei entsprechendem
Schaltzustand des Multivibrators 24 andas Gitter des Schaltröhrensystems 13 b eine
negative und an jenes des Systems 14 b eine positive Schaltspannung e und f (Fig.
7), so wird letzteres und damit auch die Kathode der Röhre 14 um die Sperrspannung
der Röhre positiver, als das Gitter des Systems 14a durch Vorspannung und Signal
h werden kann; System 14 ist daher gesperrt. Zur gleichen Zeit ist das System 13
b der Schaltröhre 13 gesperrt, System 13 a arbeitet auf den -gemeinsamen Anodenwiderstand
39 ~der beiden Röhrensysteme 13a und 14 a. Andert sich beim Eintreffen eines Steuerimpulses
c oder d der Schaltzustand des Multivibrators 24, so nehmen auch alle Systeme der
Schaltröhren 13 und 14 den jeweils anderen Schaltzustand ein. Da die Systeme 13
a und 14 a durch ihre Eingangssignale g bzw. h in negativer bzw. positiver Richtung
ausgesteuert werden, entsteht somit am Anodenwiderstand 39 das im Sinne der Erfindung
umgeformte Signal i.