DE1275589B

DE1275589B - Einstellbares Filter mit linearer Phasen-Frequenz-Kurve fuer zweiwertige Impulssignale

Info

Publication number: DE1275589B
Application number: DEN29484A
Authority: DE
Inventors: Peter Leuthold; Petrus Josephus Van Gerwen
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1965-11-16
Filing date: 1966-11-12
Publication date: 1968-08-22
Also published as: FR1504843A; CH454218A; NL153044B; AU1395766A; AT282693B; US3500215A; NL6514831A; SE320742B; SE388984B; DE1275589C2; BE689736A; DK128920B; BR6684479D0; GB1143758A; AU410328B2

Description

DEUTSCHES WTWW^ PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

DeutscheKl.: 21 al-36/00

Nummer: 1275 589

Aktenzeichen: P 12 75 589.4-31 (N 29484)

1 275 589 Anmeldetag: 12.November 1966

Auslegetag: 22. August'1968

Die Erfindung bezieht sich auf ein Filter für zweiwertige Impulssignale, d.h. Impulse, die einen von zwei diskreten Amplitudenwerten annehmen können, welche Impulssignale einem gesonderten Impulsgeber entnommen werden; insbesondere für impuls- signale, deren Auftrittszeitpunkte durch eine feste Taktfrequenz markiert werden, wie z. B. bei synchroner Telegraphic, Impulskodemodulation u. dgl. angewandt wird.

Beim Bau von Filtern für Gesprächs- und Musiksignale genügt es, die Amplituden-Frequenz-Kurve zu berücksichtigen, dies im Gegensatz zu den Filtern für Impulssignale, bei denen wegen des Unterschieds in Art und Charakter dieser Signale außerdem die Anforderung gestellt wird, daß die Phasen-Frequenz-Kurve einem linearen Verlauf so gut wie möglich angenähert werden muß. Es ist diese zusätzliche Anforderung, die den Filtern für Impulssignale einen verwickelten Aufbau gibt.

Die Erfindung bezweckt, eine neue Art eines eingangs erwähnten Filtertyps zu schaffen, bei dem zusammen mit einem übersichtlichen Aufbau und einer für integrierte Festkörperbauweise geeigneten Ausführung eine erwünschte Amplituden-Frequenz-Kurve bei einer genauen linearen Phasen-Frequenz- Kurve erzielt wird und bei dem überdies die Amplituden-Frequenz-Kurve unter Beibehaltung der Form und der linearen Phasen-Frequenz-Kurve auf einfache Weise einstellbar ist.

Das erfindungsgemäße Filter weist das Kennzeichen auf, daß das Filter mit einem mit dem gesonderten Impulsgeber verbundenen Schieberegister mit einer Anzahl von Schieberegisterelementen versehen ist, deren Inhalt durch einen an das Schieberegister angeschlossenen Steuergenerator mit einer Schiebeperiode, die kleiner ist als die minimale Dauer eines dem gesonderten Impulsgeber entnommenen Impulses, verschoben wird, wobei die Elemente des Schieberegisters über Dämpfungsnetzwerke an eine Zusammenfugungsvorrichtung angeschlossen sind, welche die in den Schieberegisterelementen jeweils über einen Zeitabstand, der kleiner ist als die minimale Dauer eines Impulses, verschobenen Impulssignale zusammenfügt.

Die Erfindung und ihre Vorteile werden nun an Hand der Figuren näher erläutert. Es zeigt

Fig.l ein erfindungsgemäßes Filter, während zur Erläuterung des Filters der Fig. 1 in F ig. 2 einige Zeitdiagramme und in der Fi g. 3 eins Amplituden-Frequenz-Kurve angegeben sind,

Fig. 4 eine detailliertere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Einstellbares Filter mit linearer Phasen-Frequenz-Kurve für zweiwertige Impulssignale

Anmelder:

N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken, Eindhoven (Niederlande)

Vertreter:

Dr. H. Scholz, Patentanwalt, 2000 Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Als Erfinder benannt: Peter Leuthoid, Neuhausen(Schweiz); Petrus Josephus van Gerwen, Eindhoven (Niederlande)

Beanspruchte Priorität: Niederlande vom 16. November 1965 (14 831) - -

F i g. 5 und 6 einige Amplituden-Frequenz-Kurven, dies wieder zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 7 die den Fig. 5 und 6 entsprechenden Dämpfungs-Frequenz-Kurven,

F i g. 8 eine Variante der in den F i g. 1 und 4 dargestellten erfindungsgemäßen Vorrichtungen,

Fig. 9 eine besonders vorteilige Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fi g. 10 eine Amplituden-Frequenz-Kurve zur Erläuterung der in der Fig. 9 angegebenen Vorrichtung.

Das in F i g. 1 angegebene Impulsfilter ist für zweiwertige von einem Impulsgeber 1 herrührende Impulssignale eingerichtet, deren Auftrittszeitpunkte von einer festen Taktfrequenz oj_c — 2π f_c bestimmt werden, welche Taktfrequenz einem Taktimpulsgenerator 2 entnommen wird. Die minimale Dauer der Signalimpulse beträgt z. B. 0,5 Millisekunden und die Taktfrequenz f_c — 2 kHz, was einer Taktperiode T von 0,5 Millisekunden entspricht.

Zur Verwirklichung einer bestimmten Filterkurve ist das erfindungsgemäße Filter mit einem mit dem Impulsgeber 1 verbundenen Schieberegister 3 mit einer Anzahl von Schieberegisterelementen 4, 5, 6, 7,8,9 versehen, deren Inhalt durch einen an das Schieberegister 3 angeschlossenen Steuergenerator 10

SW 597/404

mit einer Schiebeperiode τ, die kleiner ist als die menfügungsvorrichtung 18 zugeführt. Auf diese Weise minimale Dauer eines dem Impulsgeber 1 entnomme- treten an den Ausgangskreisen der 15 aufeinandernen Impulses, verschoben wird, wobei die Elemente folgenden Dämpfungsnetzwerke 15 Ausgangsspan- 4,5,6,7,8,9 des Schieberegisters 3 über einstellbare nungen auf, die im Zeitdiagramm der F i g. 2b unterDämpfungsnetzwerke 11,12,13,14,15,16, Yl an eine 5 einander maßstäblich dargestellt sind.
Zusammenfügungsvorrichtung 18 angeschlossen sind, In der Zusammenfügungsvorrichtung 18 werden welche die in'den Schieberegisterelementen jeweils diese in Fig. 2b dargestellten Signale zusammenum einen Zeitabstand τ, der kleiner ist als die mini- gefügt, und durch diese Zusammenfügung entsteht male Dauer eines dem Impulsgeber 1 entnommenen das in Fi g. 2c dargestellte Signal, das aus einem Impulses, verschobenen Impulssignale zusammenfügt. 10 dauernd variierenden umhüllenden Signal a und einer Das Schieberegister 3 besteht in seiner Ausführungs- auf ihm überlagerten stufenförmigen Kurve b aufform z.B. aus einer Anzahl von bistabilen Kipp- gebaut worden ist, die sich im Takt der Schiebeperioder schaltungen, und der Steuergenerator 10 des Schiebe- des Schieberegisters gleich Vio der Taktperiode T registers 3 wird durch einen an den Taktimpuls- um das umhüllende Signal a herumschwingt,
generator 2 angeschlossenen Frequenzvervielfacher 15 Es wird noch mathematisch dargelegt, daß bei der gebildet, der z. B. Steuerimpulse mit einer Periode von angegebenen Ausführung der erfindungsgemäßen Vor-0,05Millisekunden liefert. richtung das in Fig. 2c dargestellte umhüllende

In der angegebenen Vorrichtung werden die zwei- Signal a dem Ausgangssignal eines Tiefpaßfilters mit wertigen Impulse des Impulsgebers 1 im Schiebe- kosinusförmiger Durchlaßkurve und einer Grenzregister 3, das nur Signale mit zwei diskreten Ampli- 20 frequenz cu₀ gleich der Taktfrequenz m_c und einer tudenwerten weitergeben kann, formgetreu mit der linearen Phasen-Frequenz-Kurve entspricht, wenn Schiebeperiode τ, die kleiner ist als die Dauer eines diesem Filter das Impulsmuster der F i g. 2a zugeführt Impulses, verschoben, und nach Dämpfung in den wird und sich die tiefsten Frequenzanteile der stufenDämpfungsnetzwerken 11,12,13,14,15,16,17 in der förmigen Kurve b in einem Frequenzabstand der Zusammenfügungsvorrichtung 18 zusammengefügt. 25 Grenzfrequenz von der Tiefpaßkurve von 8mal der Wenn man dabei die Ubertragungsfaktoren der Taktfrequenz co_c befinden. Ohne Beeinflussung der Dämpfungsnetzwerke 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 auf Form des umhüllenden Signals a, d. h. ohne Beeineinen geeigneten Wert einstellt, dann kann dadurch flussung der Form der Durchlaßkurve als auch der jede willkürliche Frequenzkurve bei linearer Phasen- linearen Phasen-Frequenz-Kurve, können die unkurve erzielt werden. Es werden dazu z. B., ausgehend 30 erwünschten Frequenzanteile der stufenförmigen von den Enden des Schieberegisters 3, die Dämpfungs- Kurve b, die ja in einem Frequenzabstand gleich netzwerke je zwei und zwei gleich gemacht, d. h. im mindestens 8mal der Zeitgeberfrequenz liegen, mittels angegebenen Ausführungsbeispiel sind die über- eines an den Ausgang der Zusammenfügungsvorrichtragungsfaktoren der Dämpfungsnetzwerke 11,17 tung 18 angeschlossenen einfachen Sperrfilters 19 beide C₃, der Dämpfungsnetzwerke 12,16 beide C₂, 35 in Form eines Tiefpaßfilters, das z. B. aus einem Reihender Dämpfungsnetzwerke 13,15 beide C₁, während widerstand und einem Querkondensator besteht, C₀ den Ubertragungsfaktor des Dämpfungsnetzwer- unterdrückt werden.

kes 14 darstellt. Wie an Hand der in Fig. 2 angegebenen Zeit··

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vor- diagramme dargestellt wird, wird mit Hilfe einer in "richtung wird nun an Hand der in der F ig. 2 angege- 40 Digitaltechnik ausgebildeten Vorrichtung für zweibenen Zeitdiagramme näher erläutert, wobei F i g. 2a wertige Impulssignale eine Filterwirkung mit einer ein der Vorrichtung zugeführtes zweiwertiges Impuls- analogen Amplituden-Frequenz-Kurve erhalten, wähmuster des Impulsgebers 1 darstellt. Im angegebenen rend, wie sich weiter noch ergeben wird, die Phasen-Ausfiihrungsbeispiel ist die angewandte Vorrichtung Frequenz-Kurve einen linearen Verlauf zeigt,
auf die in der Fi g. 1 dargestellte Weise aufgebaut, 45 Für die mathematische Behandlung der in Fig. 1 wobei jedoch die Anzahl in Reihe geschalteter Schiebe- angegebenen Vorrichtung wird von einer willkürlichen registerelemente auf 14 und die Anzahl der Dämp- Komponente mit einer Kreisfrequenz ω und einer fungsnetzwerke auf 15 erweitert ist, während wiederum, Amplitude a im Frequenzspektrum der dem Schiebeausgehend von den Enden des Schieberegisters 3, die register 3 zugeführten Impulse ausgegangen, welche Dämpfungsnetzwerke je zwei und zwei gleich gemacht 50 Komponente in der komplexen Schreibart geschrieben sind. Im angegebenen Ausführungsbeispiel ist ins- werden kann als

besondere die Größe der aufeinanderfolgenden Uber- Ae^joit (I)

tragungsfaktoren C_k nach der Formel ' . ⁽ '

In den aufeinanderfolgenden Schieberegisterelecos k -ξ- 55 menten 4, 5, 6, 7, 8, 9 wird die betreffende Spektrum-

C_k = -—komponente um Zeitabstände r, 2 r, 3 r, 4 r, 5 t, 6 τ

2,5 π (1 — 0,16 kr) verschoben und kann dann in mathematischer Form

geschrieben werden als

gewählt, wobei die Schiebeperiode τ des Schiebe- ... . „ ,. . , .

registers dem Wert ¹Ao der Taktperiode T gleich 60 Ae^{Mt r)}, Ae^M \ Ae^Mt~^3r),

gemacht worden ist.

Im Schieberegister 3 wird das in der Fig. 2a . Ae^Mt~^Ar\ Ae^jiuit"⁵'] Αο^Μ'~^6τ).

angegebene Impulsmuster in den aufeinanderfolgenden Schieberegisterelemeritenjeweils um eine Schiebe- Uber die betreffenden Dämpfungsnetzwerke 11,12,

Periode r gleich T verschoben und über die ⁶⁵ 13,14,15,16 17, deren Übertragungsfaktoren, wie 10 im vorstehenden angegeben ist, je zwei und zwei

aufeinanderfolgenden Dämpfungsnetzwerke mit den gleichgemacht worden sihd und C₃, C₂, C₁, C₀, C_u C₂ dazugehörenden Ubertragungsfaktoren der Zusam- bzw. C₃ betragen, wird diese Spektrumkomponente

der Zusammenfügungsvorrichtung 18 zugeführt und liefert auf diese Weise ein Ausgangssignal:

C₃ A C^jlot +C₂Ac ^Mt~^T> + C_lAs ^iaM~^2T) + C₀ A ε^Μί~^3τ)+ C ₁Ae^jrui'^ + C₂At ^Μ'-^5τ) +C _iAe ^Μ'~^6τ) (2)

Eine willkürliche Komponente Ae^jat im Frequenzspektrum der dem Schieberegister 3 zugeführten Impulse liefert ein Ausgangssignal nach der Formel (2), so daß für den Ubertragungsfaktor φ (ω) des Filters gilt:

φ (ω) = C₃+ C ₂e~^imr + C_lCT^2im + C ₀e~^3jm
+ C ₁C-**"+ C₂e-^Si"ⁿ+ C₃ e^-6*".

Zusammenfiigung der Glieder mit gleichen Ubertragungsfaktoren ergibt

Ψ(ω) = C₃ (1 + e-⁶ⁱ"'^T) + C₂(e"^M + e"^SM)
+ C₁ (eT^2Jm+ tT**") + C ₀e~^3jm

Ψ (ω) = C₃ e^'"'¹ (e³·*" + e~^3j"'^T)
+ C ₂e~³'"^,T (e^2im + e'^2jm)
+ C ₁C^3jmt (e^+jm + (T^im)
+ Qe-³*" (4)

und somit

ψ (ω) = (2 C₃ cos 3 tor + 2 C₂ cos 2 cor
+ 2 C₁ cos ωτ
+ eye"³*-¹. (5)

Die Formel (5) stellt die Ubertragungskurve der Vorrichtung der Fig. 1 dar, deren Amplituden-Frequenz-Kurve durch

ψ(ω) = 2 C₃ COS 3 ωτ + 2 C ₂COS 2 cur

+ 2 C₁ cos ωτ + C₀

dargestellt wird, wobei die Phasen-Frequenz-Kurve einen genau linearen Verlauf zeigt, da ja aus dem Faktor e~^?Ja" hervorgeht, daß die Phase genau linear verläuft mit der Frequenz der Komponenten im Spektrum der der Vorrichtung zugeführten zweiwertigen Impulssignale. Bei der Änderung der Ubertragungsfaktoren C₃, C₂, C₁, C₀ ändert sich die Form der Amplituden-Frequenz-Kurve, die lineare Phasen-Frequenz-Kurve wird dabei jedoch nicht beeinflußt, d. h., daß Anwendung der erfindungsgemäßen Maßnahmen den sehr bemerkenswerten Effekt ergibt, daß unter Beibehaltung einer linearen Phasen-Frequenz-Kurve durch geeignete Wahl der Ubertragungsfaktoren C₃, C₂, C₁, C₀ eine willkürliche Amplituden-Frequenz-Kurve ψ (ω) verwirklicht werden kann.

Ohne weiteres können die vorhergehenden Betrachtungen auf ein Schieberegister 3 mit einer willkürlichen Anzahl von Schieberegisterelementen erweitert werden, wobei dann die Amplituden-Frequenz-Kurve die Form hat:

JV

ψ (ω) = C₀ +2 2 C_k cos k(OT (6)
ι

und die Phasen-Frequenz-Kurve einen genau linearen Verlauf zeigt.
Somit erscheint fur die Form der Amplituden-Frequenz-Kurve eine in den Gliedern C _kCoskwr entwickelte Fourierreihe, deren Periodizität Ω durch die Beziehung

Ωτ = 2 π (7)

gegeben wird.

Zur Erzielung einer bestimmten Amplituden-Frequenz-Kurve lassen sich die Faktoren C_k in der Fourierentwicklung auf mathematischem Wege auf einfache Weise errechnen. Wenn man z. B. eine bestimmte Amplituden-Frequenz-Kurve ψ (ω) wünscht, dann gilt für die Faktoren C_k:

C_k = — \ ψ (ω) COS fecuT dco . (8)

Dadurch, daß die Faktoren C_k bekannt sind, ist die Form der Amplituden-Frequenz-Kurve völlig bestimmt, hier muß aber noch näher auf das periodische Verhalten der Glieder C^cosfecor in der Fourierentwicklung eingegangen werden, alle Glieder C_k cos fecuT nehmen nämlich jeweils nach der Periodizität Ω denselben Wert an, was zur Folge hat, daß sich die Amplituden-Frequenz-Kurve mit der Periodizität Ω wiederholt, wie in der Amplituden-Frequenz-Kurve der F i g. 3 detaillierter dargestellt ist. Wenn man z. B. ein Tiefpaßfilter mit dem durch die Kurve c angegebenen Durchlaßbereich wünscht, dann wiederholt sich der Durchlaßbereich jeweils über einen Frequenzabstand gleich der Periodizität Ω, und auf diese Weise entstehen die durch die Kurven d und e dargestellten zusätzlichen Durchlaßbereiche, deren Zentren jeweils in einem Frequenzabstand Ω voneinander liegen. Es sind also diese zusätzlichen Durchlaßbereiche d, e, innerhalb welcher die Frequenzkomponenten der stufenförmigen Kurve b der Fig. 2c liegen.

Für die Praxis sind diese zusätzlichen Durchlaßbereiche d, e nicht störend, da bei genügend großem Wert der Periodizität Ω oder, was nach der Formel (7) auf dasselbe herauskommt, bei genügend kleinem Wert der Schiebeperiode τ der Frequenzabstand zwischen dem erwünschten Durchlaßbereich c und den nachfolgenden zusätzlichen Durchlaßbereichen d, e, genügend groß gemacht werden kann, wodurch diese zusätzlichen Durchlaßbereiche d, e durch das besonders einfache Sperrfilter 19 am Ausgang der Zusammenfügungsvorrichtung 18 unterdrückt werden können, ohne daß dabei die Amplituden-Frequenz-Kurve und die lineare Phasen-Frequenz-Kurve im erwünschten Durchlaßbereich c auf irgendeine Weise beeinflußt werden. Es wurde z. B. in dem an Hand der Zeitdiagramme der Fig. 2 besprochenen praktischen Ausführungsbeispiel die Periodizität Ω IOmal größer gemacht als die Grenzfrequenz o>₀ des erwünschten Durchlaßbefeiches c, wobei das Sperrfilter 19 durch einen Reihenwiderstand und einen Querkondensator gebildet wird.

Bevor näher auf das an Hand der Fi g. 2 erläuterte praktische Ausführungsbeispiel eingegangen wird, wird in F i g. 4 eine detailliertere Ausfuhrungsform der in F i g. 1 angegebenen Vorrichtung besprochen, wobei in der F i g. 1 entsprechende Elemente mit den' gleichen Bezugszeichen angedeutet sind.

In dieser Vorrichtung wird die Zusammenfügungsvorrichtung durch einen Widerstand 20 gebildet, und die Enden der Schieberegisterelemente 4,5, 6, 7,8,9 sind an die durch den Widerstand 20 gebildete Zusammenfügungsvorrichtung über die einstellbaren Dämpfungswiderstände 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27 angeschlossen, die zusammen mit dem Widerstand 20 der Zusammenfügungsvorrichtung die einstellbaren Dämpfungsnetzwerke bilden. Wenn die Größe eines der Dämpfungswiderstände R_k und die Größe des Widerstandes r der Zusammenfügungsvorrichtung 20 viel kleiner ist als R₈, dann ist der Ubertragungsfaktor

-5-, da ja der betreffende einstellbare Dämpfungs- ^Kk widerstand R_k und der Widerstand 20 der Zusammenfügungsvorrichtung zusammen einen Spannungsteiler bilden.

Zugleich sind an den Enden der Schieberegisterelemente 4, 5, 6, 7, 8, 9 Phasen-Umkehrstufen 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34 angebracht, wodurch den Schiebe- ' registerelementen 4, 5, 6, 7, 8, 9 phaseninvertierte Impulssignale entnommen werden können, was zur Verwirklichung von negativen Faktoren C_k in der Fourierentwicklung nach Formel (8) von Bedeutung ist, nämlich beim Entwerfen eines Filters mit einer gewissen Amplituden-Frequenz-Kurve können einige Faktoren C_k in der Fourierentwicklung einen negativen Wert aufweisen.

Anwendung dieser Maßnahme ergibt'eine wesentliehe Erweiterung der Anwendungsmöglichkeiten; wenn man nämlich die Ubertragungsfaktoren, die zu den Dämpfungswiderständen 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27 gehören, ausgehend von den äußeren Schieberegisterelementen 4,9, je zwei und zwei gleichmacht, und diese Ubertragungsfaktoren betragen, wie bei Fig. 1, C₃, C₂ bzw. C₁, und wenn man weiter die zum Dämpfungswiderstand 24 gehörenden Ubertragungsfaktoren C₀ .gleich Null macht, jedoch im Gegensatz zu der Ausführung in Fig. 1 den Dämpfungswiderständen 21,22, 23 das phaseninvertierte Impulssignal zuführt, dann kann auf die im vorstehenden angegebene Weise für die Ubertragungskurve des Netzwerkes geschrieben werden:

Wiederum lassen sich die vorhergehenden Betrachtungen auf eine willkürliche Anzahl von Schieberegisterelementen erweitern, wobei die Amplituden-Frequenz-Kurve durch eine in Sinusgliedern entwikkelte Fourierreihe dargestellt wird:

ψ (co) 2 C_k sin kcoT 1

mit einer Periodizität Ω, die gegeben wird durch die Beziehung

Ωτ — 2 π , bei der für die Faktoren C_k gilt:

1 °

(to) sin fccüT dw

Ebenso wie bei der Ausführungsform der F i g. 1 zeigt auch hier die Phasen-Frequenz-Kurve einen linearen Verlauf, sie ist jedoch in bezug auf die der

F i g. 1 um -|- phasenverschoben.

An dieser Stelle wird der Vollständigkeit halber noch bemerkt, daß zur Erhaltung der phaseninvertierten Impulssignale die Anwendung von gesonderten Phasen-Urnkehrstufen 28, 29, 30, 31. 32, 33, 34 entbehrt werden kann, diese phaseninvertierten Impulssignale können nämlich direkt den Schieberegisterelementen 4, 5, 6, 7, 8, 9 entnommen werden, da bei der Ausbildung der Schieberegisterelemente 4, 5, 6, 7, 8,9 durch bistabile Kippschaltungen die phaseninvertierten Impulssignale ebenfalls an diesen bistabilen Kippschaltungen auftreten.

Weiter wird bemerkt, daß zur Erhaltung einer in Sinusgliedern entwickelten Frequenzkurve, statt die phaseninvertierten Impulssignale den Widerständen 21,22,23 zuzuführen, diese ebenfalls den Widerständen 25, 26, 27 zugeführt werden können.

Nun wird an Hand der F i g. 5 bis 7 auf die Bauweise des bereits in Fig. 2 angegebenen Tiefpaßfilters mit cosinusförmiger Durchlaßkurve mit einer Grenzfrequenz ω₀ eingegangen, welcher Durchlaßbereich in Fi g. 5 durch die gestrichelte Kurve / angegeben ist. Mathematisch kann der durch die gestrichelte Kurve/ angegebene Durchlaßbereich geschrieben werden als

<f (co) = C₃ (e - e ) e

,3/Vir

+ C₂ (e^2j,u + Qie

50 ψ (co) = cos

co₀

e~^2>,r) e~^y'"^T

—Jt'lt

) e'

-3/wT

55

q (co) = (2 C₃ sin 3 wt + 2 C₂ sin 2 cot

+ 2C ₁sincoT);e-³-'^w. _6q

Die Ubertragungskurve zeigt somit eine in Sinusgliedern entwickelte Amplituden-Frequenz-Kurve ψ («) . und eine lineare Phasenkurve, die gemäß dem Phasenfaktor je"^3Jm die merkwürdige Eigenschaft hat, daß sie eine Phasenverschiebung von ~ in bezug auf die

lineare Phasenkurve des in F i g. 1 angegebenen Filters zeigt.

unter den Bedingungen, daß für Frequenzwerte außerhalb des Durchlaßbereiches, also für co > co₀, die Funktion φ (co) verläuft, wie in Fi g. 3 angegeben ist.

Entsprechend der vorstehenden Erläuterung kann für die Durchlaßkurve / in der Fourierentwicklung geschrieben werden:

. ^N

C₀ + Σ 2 C_k cos fecoT, 1

deren Faktoren C_k gegeben sind durch: 1 f

C_k = ~ I ψ (ro) cos kiOT dw . 0

Um dafür zu sorgen, daß der Frequenzabstand zwischen dem erwünschten Durchlaßbereich / und

den zusätzlichen Durchlaßbereichen einen genügend großen Wert hat, ist entsprechend der Erläuterung bei Fig. 3 das Verhältnis zwischen der Grenzfrequenz W₀ und der Periodizität Ω genügend groß

gemacht, so ist z. B. — ™.

Mit diesem Verhältnis sind die Faktoren C_k in der Fourierentwicklung und somit auch die Dämpfungswiderstände 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27 ganz bestimmt, insbesondere findet man für diese Faktoren C_k die bereits bei der Erläuterung der Fig. 2 erwähnten Werte

cos k -j-

^{Ck =} X5 π (1 - 9,16 1?) '
Um die Amplituden-Frequenz-Kurve vollkommen festzulegen, ist noch eine Bedingung notwendig, es wird nämlich im angegebenen Ausführungsbeispiel erfordert, daß die Grenzfrequenz o>₀ des Durchlaßbereiches gleich der Taktfrequenz io₀ = 2nf_c oder Oj₀ = m_c ist. Unter Benutzung der erwähnten Bedingung, daß ~- = -j^j- ist, und der durch Formel (7) angegebenen Beziehung Ωτ = 2 π, findet man für

die Schiebeperiode des Schieberegisters 3,

ίο./;

d. h., daß der an den Taktimpulsgenerator angeschlossene Frequenzvervielfacher 10, der den Steuergenerator des Schieberegisters 3 bildet, einen Frequenzvervielfachungsfaktor 10 haben muß.

Mit den im vorstehenden errechneten Ubertragungsfaktoren der Dämpfungsnetzwerke C_k und dem Wert der Schiebeperiode τ = -^j- des Schieberegisters kann nun die Amplituden-Frequenz-Kurve ψ (ω) festgelegt werden. So erhält man bei Anwendung von 14 Schieberegisterelementen und 15 Dämpfungsnetzwerken die in F i g. 5 durch die Kurve g angegebene Amplituden-Frequenz-Kurve. Wird also das in F i g. 2 a angegebene Impulsrnuster dem erhaltenen Filter mit der durch die Kurve g in Fi g. 5 angegebenen Amplituden-Frequenz-Kurve und einer linearen Phasen-Frequenz-Kurve zugeführt, so gibt das umhüllende Signal a in Fi g. 2c das Ausgangssignal wieder, das praktisch dem Ausgangssignal eines idealen Tiefpaßfilters ohne Phasenfehler und mit einer cosinusförmigen Durchlaßkurve bis zur Taktfrequenz o>₀ entspricht.

Ohne weiteres kann die Amplituden-Frequenz-Kurve ψ (ω) bei Vergrößerung der Anzahl der Schieberegisterelemente und Dämpfungsnetzwerke festgelegt werden; so gibt z. B. die Kurve h in F i g. 6 die Amplituden-Frequenz-Kurve bei 24 Schieberegisterelementen und 25 Dämpfungsnetzwerken wieder, wobei die gestrichelte Kurve /, wie in Fig. 5, die ideale kosinusförmige Durchlaßkurve darstellt.

Um den Einfluß der Vergrößerung der Anzahl von Schieberegisterelementen und Dämpfungsnetzwerken deutlicher darzustellen, sind in Fi g. 7 die durch die Kurven f,g,h in Fi g. 5 und 6 angegebenen Frequenzkurven in F i g. 7 in den entsprechenden Kurven i, j, k der in db gemessenen Dämpfung-Frequenz-Kurven angegeben, wobei die in der Amplituden-Frequenz-Kurve ψ (ω) ausgedrückte Dämpfung-Frequenz-Kurve durch die Formel — 20 log ψ (ω) gegeben wird. Aus den Kurven i,j, k in F ig. 7 geht hervor, daß durch Vergrößerung der Anzahl Schieberegisterelemente und Dämpfungsnetzwerke zusammen mit einer besseren Annäherung an die erwünschte Dämpfungs-Frequenz-Kurve i zugleich die außerhalb der Grenzfrequenz ω₀ des Durchlaßbereiches liegenden Durchlaßkeulen k nach höheren Dämpfungsbereichen verschoben werden.

Wie im vorstehenden bereits erläutert wurde, 'ist es für die Konstruktion eines konkreten erfindungsgemäßen Filters notwendig, die zwei nachstehenden Daten zu kennen, nämlich an erster Stelle die Ubertragungsfaktoren C_k der Dämpfungsnetzwerke, mit denen die Form der Amplituden-Frequenz-Kurve ganz bestimmt ist, z. B. im angegebenen Ausführungsbeispiel die kosinusförmige Filterkurve, und an zweiter Stelle die Schiebeperiode τ in Abhängigkeit von der Taktfrequenz m_c, mit der im angegebenen Ausführungsbeispiel die Grenzfrequenz bestimmt wurde,

z. B. bei einer Schiebeperiode τ =To^war die Grenzfrequenz des Filters gleich der Taktfrequenz. Wird die Schiebeperiode geändert, so ändert sich dadurch unter Beibehaltung der Form der Amplituden-Frequenz-Kurve und der linearen Phasenkurve ebenfalls die Grenzfrequenz.
Führt man der Vorrichtung der Fig. 1 oder 4 z. B. Impulse mit einer anderen Taktfrequenz m_b zu, hält jedoch der Vervielfachungsfaktor des Frequenzvervielfachers 10 gleich 10, so wird dadurch die Grenzfrequenz des Filters der Taktfrequenz folgen und gleich der geänderten Taktfrequenz w_b bleiben. Ändert sich also die Taktfrequenz von 2000 nach 100 Hz, so ändert sich auch die Grenzfrequenz von ,.2000 nach 100 Hz.

Ändert man dagegen in der Vorrichtung der F i g. 1 oder 4 bei gleichbleibender Taktfrequenz o>_c den Vervielfachungsfaktor des Frequenzvervielfachers 10, so wird dabei die Grenzfrequenz in bezug auf die Taktfrequenz variieren; macht man z. B. den Frequenzvervielfacher 10 einstellbar, und ändert man den Vervielfachungsfaktor von 10 in 5, so ändert sich die Grenzfrequenz des Filters von der Taktfrequenz zur halben Taktfrequenz.

Zusammen mit dem übersichtlichen Aufbau des erfindungsgemäßen Filters, bei dem willkürliche Amplituden-Frequenz-Kurven bei linearen Phasen-Frequenz-Kurven erzielt werden können, unterscheidet sich das angegebene Filter durch seine besonders einfache Einstellbarkeit, wobei unter Beibehaltung der Form der Amplituden-Frequenz-Kurve und der linearen Phasen-Frequenz-Kurve das Filter der betreffenden Verwendung angepaßt werden kann. Der neue Entwurf des erfindungsgemäßen Filters hat zur Folge, daß jetzt für zweiwertige Impulssignale Filter entworfen werden können, die bisher zu unmöglichen Konstruktionen geführt haben, wobei als Beispiel ein Tiefpaßfilter mit kosinusfbrmiger Filterkurve und linearer Phasen-Frequenz-Kurve erwähnt wird, dessen Grenzfrequenz zwischen mehreren MHz und einigen Zehnteln Hz einstellbar sein muß.
Wenn man dabei bedenkt, daß mit dem erfindungsgemäßen Filter willkürliche Ubertragungskurven und somit außer Tiefpaßfiltern auch Filter eines anderen Typs erhalten werden, z. B. Hochpaßfilter, Sperrfilter, Bandfilter, Kammfilter usw., dann kann hier zweifellos behauptet werden, daß durch Anwendung der erfindungsgemäßen Maßnahmen neue technische Gebiete erschlossen werden.

F i g. 8 zeigt eine Variante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, in der der Fig. 4 entsprechende Ele-

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mente mit den gleichen Bezugszeichen angedeutet sind.

Diese Vorrichtung unterscheidet sich von der in Fi g. 4 angegebenen Vorrichtung in der Ausbildung des Schieberegisters 3; das Schieberegister 3 besteht hier nämlich aus in Parallelschaltung liegenden Schieberegisterelementen 35, 36, 37, 38, 39, 40, welche die ihnen zugeführten Impulssignale über Zeitabstände, die voneinander um die Schiebeperiode τ ver- und 27 einer durch einen Widerstand 20 gebildeten Zusammenfügungsvorrichtung zugeführt, und an den Ausgang der Zusammenfügungsvorrichtung ist ein Sperrfilter 19 angeschlossen. Ausgehend von den Enden des Schieberegisters 3 sind die Dämpfungswiderstände 21, 27; 22, 26; 23, 25 je zwei und zwei gleichgemacht, und es werden hier jeweils den gegenseitig gleichen Dämpfungswiderständen 21,27; 22,26; 23,25 Impulssignale gleicher Polarität zugeführt,

schieden sind, verschieben. Dabei sind die Schiebe- io wodurch, wie im vorstehenden erläutert wurde, eine

registerelemente 35, 36,37,38, 39, 40 wiederum über die Dämpfungs wider stände 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27 mit einer durch einen Widerstand 20 gebildeten Zusammenfügungsvorrichtung verbunden, der über ein Sperrfilter 19 das Ausgangssignal der Vorrichtung entnommen wird. Es können gegebenenfalls auch Phasenumkehrstufen an die Schieberegisterelemente 35, 36, 37, 38, 39, 40 angeschlossen werden, welche Phasenumkehrstufen hier jedoch der Übersichtlichkeit halber weggelassen sind.

Ubertragungskurve erhalten wird mit einer in Kosinusgliedern entwickelten Frequenzkurve der Form

It

ψ (ω) = C₀ +Σ 2 C_k cos kmx

und einer linearen Phasen-Frequenz-Kurve.

In der angegebenen Vorrichtung sind die Schieberegisterelemente 4,5, 6, 7,8, 9 auch über eine zweite Reihe von Dämpfungswiderständen 41,42,43,44,45, 46,47 an eine durch einen Widerstand 48 gebildete

Auf völlig entsprechende Weise wie im vorstehenden Zusammenfügungsvorrichtung angeschlossen, der ein erläutert wurde, können hier durch geeignete Bernes- Sperrfilter 49 folgt. Auch bei dieser zweiten Reihe sung der Dämpfungswiderstände 21, 22, 23,24, 25, 26, von Dämpfungswiderständen 41,42,43,44,45,46 und 27 willkürliche Übertragungskurven erzeugt werden. 47 sind, ausgehend von den Enden des Schiebein der Ausführung werden jedoch die in Fig. 1 25 registers 3, die Dämpfungswiderstände 41,47; 42,46; und 4 angegebenen Vorrichtungen bevorzugt, da 43,45 je zwei und zwei gleichgemacht, es werden hier in bedeutendem Maße an der Anzahl der zusammenstellenden Teile gespart wird. Die Schieberegisterelemente für zweiwertige Impulssignale lassen

hier jedoch den gegenseitig gleichen Dämpfungswiderständen 41,47; 42,46; 43,45 Impulssignale einer entgegengesetzten Polarität zugeführt, wodurch,

sich besonders einfach ausbilden, und zwar wie 30 wie im vorstehenden erläutert wurde, eine Uber-

z. B. bereits im vorstehenden erwähnt wurde, durch den Gebrauch von mit Widerständen und Kondensatoren zusammengestellten bistabilen Kippschaltungen, welche Ausbildung besonders für integrierten Aufbau im festen Stoff (»integrated circuit«) geeignet ist, wodurch die erfindungsgemäße Vorrichtung in einen Raum von wenigen Kubikzentimetern untergebracht werden kann. Es können gegebenenfalls auch die Dämpfungsnetzwerke im festen Stoff integriert ausgebildet werden.

F i g. 9 zeigt eine besonders elegante Anwendung des erfindungsgemäßen Filters, und zwar zur Ubertragung von zweiwertigen Impulsen mittels einer Einseitenbandmodulation, auf eine Weise, wie bereits in einer Patentanmeldung vorgeschlagen wurde, wobei jedoch die Erzeugung des Einseitenbandsignals auf andere Weise erfolgt. Für diese Anwendung wurde eine sinusförmige Frequenzkurve der in Fig. 10 angegebenen Form erfordert, bei der also das Gleichtragungskurve erhalten wird mit einer in Sinusgliedern entwickelten Amplituden-Frequenz-Kurve der Form „

Ψ (°>) — Σ 2 C_k sin kiox, 1

wobei die Phasen-Frequenz-Kurve einen linearen Verlauf zeigt.

Bei geeigneter Bemessung der Dämpfungswiderstände 21, 27; 41,47 und der Schiebeperiode τ werden hier sowohl für die in Sinusgliedern als für die in Kosinusgliedern entwickelte Amplituden-Frequenz-Kurve der idealen Amplituden-Frequenz-Kurve in Fig. 10 entsprechende Amplituden-Frequenz-Kurven erhalten.

Wird also dem Schieberegister 3 ein Impulssignal zugeführt, dann werden den Sperrfiltern 19,49 je ein Impulssignal entnommen, die beide die in Fig. 10 angegebene Amplituden-Frequenz-Kurve durchlaufen haben, jedoch in Bezug aufeinander eine Phasen-

stromglied unterdrückt ist und die obere Grenzfre- 50 ^_eu uuj

„„«,Λ._ ,w Tattfiw,™™ «,t««ri,*t ^Shn_nA verschiebung von erfahren haben, da,

quenz ω₀ der Taktfrequenz entspricht, während die Phasenkurve einen genau linearen Verlauf haben muß.

Bei dieser Vorrichtung werden wie im vorstehenden die von einem Impulsgeber 1 herrührenden zweiwertigen Impulse, deren Auftrittszeitpunkte durch eine feste Taktfrequenz bestimmt werden, einem Schieberegister 3 mit Schieberegisterelementen 4,5, 6, 7,8, 9 zugeführt, wobei der Steuergenerator des wie im vorstehenden erläutert wurde, die beiden Ubertragungskurven eine Phasenverschiebung von γ zeigen. Für Einseitenbandmodulation können diese den

Sperrfiltern 19,49 entnommenen um

phasenverschobenen Ausgangssignale mit Vorteil gebraucht werden, wozu sie zwei Gegentaktmodulatoren 50,51,

Schieberegisters 3 durch einen an einen Taktimpuls- 60 insbesondere Ringmodulatoren, zugeführt werden,

generator angeschlossenen Frequenzvervielfacher 10 denen zugleich unter Benutzung eines phasenver-

gebildet wird. An die Schieberegisterelemente 4, , . , , _xγ . , _~ ' ... π

5,6,7,8,9 sind auch die Phasenumkehrstufen 28, schiebenden Netzwerkes 52 die gegenseitig um _y

29, 30, 31,32, 33 und 34 angeschlossen. phasen verschobenen Trägerwellenschwingungen eines

Zur Erhaltung der in Fig. 10 angegebenen Fre- ⁶5 gemeinschaftlichen Trägerwellenoszillators 53 zuge-

quenzkurven werden den Schieberegisterelementen führt, werden. Fügt man die Ausgangssignale beider

4,5, 6,7,8 und 9 entnommene zweiwertige Impulse Gegentaktmodulatoren 50,51 in einer Zusammen-

über die Dämpfungswiderstände 21, 22, 23, 24, 25, 26 fügungsvorrichtung 54 zusammen, dann fällt dabei

Claims

eines der durch Modulation erzeugten Seitenbänder weg, und dadurch entsteht ein Einseitenbandsignal, das zur weiteren Übertragung unter eventueller Zwischenschaltung eines Bandfilters 55 zur Unterdrückung der bei der Modulation erzeugten unerwünschten Modulationsprodukte einer übertragungsleitung 56 zugeführt wird. Zugleich wird die Trägerwellenschwingung über ein an den Trägerwellenoszillator 53 angeschlossenes abschwächendes Netzwerk 57 der übertragungsleitung 56 als Pilotsignal zugeführt, welches Pilotsignal zur empfangsseitigen genauen Rückgewinnung der Trägerwellenschwingung dient. Es wird hier noch darauf hingewiesen, daß das Schieberegister in der praktischen Ausführungsform 10 Schieberegisterelemente enthält. An dieser Stelle sei bemerkt, daß das erfindungsgemäße Filter statt mit einer geraden Anzahl von Schieberegisterelementen und einer ungeraden Anzahl von Dämpfungsnetzwerken selbstverständlich auch mit einer ungeraden Anzahl von Schieberegisterelementen und einer geraden Anzahl von Dämpfungsnetzwerken ausgebildet werden kann. Erzeugt man mit einer geraden Anzahl von Schieberegisterelementen, z. B. 14, und einer ungeraden Anzahl von Schieberegisterelementen, z.B. 13, dieselbe Amplituden-Frequenz-Kurve, und fügt man diese Signale unter Zwischenschaltung eines geeigneten Verzögerungsnetzwerkes zusammen, so ergibt sich, daß die Signalkomponenten im ersten folgenden zusätzlichen Durchlaßbereich gegeneinander wegfallen. Weiter kann die Zusammenfügungsvoi richtung in der angegebenen Ausführungsform statt durch einen Summenerzeuger gegebenenfalls auch durch einen Difierenzerzeuger gebildet weiden. Zum Schluß sei noch bemerkt, daß es bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht immer notwendig ist, eine lineare Phasen-Frequenz-Kurve zu erzeugen, z. B. kann man gleichzeitig mit der beschriebenen Filtei wirkung im Durchlaßbereich eine Phasenentzerrung erreichen, wobei ein auftretender Phasenfehler durch eine entsprechende Phasenabweichung kompensiert wird. Patentansprüche:

1. Filter für zweiwertige Impulssignale, die einem gesonderten Impulsgeber entnommen werden, d adurch gekennzeichnet, daß das Filter mit einem mit dem gesonderten Impulsgeber verbundenen Schieberegister mit einer Anzahl von Schieberegisterelementen versehen ist, deren Inhalt durch einen an das Schieberegister angeschlossenen Steuergenerator mit einer Schiebeperiode, die kleiner ist als die minimale Dauer eines dem gesonderten Impulsgeber entnommenen Impulses, verschoben wird, wobei die Elemente des Schieberegisters über Dämpfungsnetzwerke an eine Zusammenfügungsvorrichtung angeschlossen sind, welche die in den Schieberegisterelementen jeweils über einen Zeitabstand, der kleiner ist als die minimale Dauer eines Impulses, verschobenen Impulssignale zusammenfügt.

2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schieberegisterelemente in Reihenschaltung liegen.

3. Filter nach Anspruch 1 oder 2 für Impulssignale, deren Auftrittszeitpunkte durch eine feste Taktfrequenz eines Taktimpulsgenerators markiert

werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuergenerator des Schieberegisters durch einen an den Taktimpulsgenerator angeschlossenen Frequenzvervielfacher gebildet wird.

4. Filter nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuergenerator des Schieberegisters in der Frequenz einstellbar ist.

5. Filter nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der an den Taktimpulsgenerator angeschlossene Frequenzvervielfacher einstellbar ist.

6. Filter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die an die Schieberegisterelemente angeschlossenen Dämpfungsnetzwerke einstellbar sind.

7. Filter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sperrfilter an die Zusammenfügungsvorrichtung angeschlossen ist, der die zusätzlichen Durchlaßbereiche unterdrückt.

8. Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammenfügungsvorrichtung durch einen Widerstand gebildet wird und die Schieberegisterelemente über Dämpfungswiderstände mit der durch den Widerstand gebildeten Zusammenfügungsvorrichtung verbunden sind.

9. Filter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch Phasenumkehrstufen den Schieberegisterelementen phasenumgekehrte Impulssignale entnommen werden.

10. Filter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsnetzwerke, ausgehend von den Enden des Schieberegisters, je zwei und zwei gleichgemacht sind.

11. Filter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß den gegenseitig gleichen Dämpfungsnetzwerken Impulssignale gleicher Polarität zugeführt werden.

12. Filter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß den gegenseitig gleichen Dämpfungsnetzwerken Impulssignale entgegengesetzter Polarität zugeführt werden.

13. Filter nach einem der vorstehenden Ansprüche, das geeignet ist zur Erzeugung von Einseitenbandsignalen, dadurch gekennzeichnet, daß an die Schieberegisterelemente zwei Reihen von Dämpfungsnetzwerken- angeschlossen sind, die mit gesonderten Zusammenfugungsvorrichtungen verbunden sind, wobei von der ersten Reihe die Dämpfungsnetzwerke, ausgehend von den Enden des Schieberegisters, je zwei und zwei gleichgemacht sind, und den gegenseitig gleichen Dämpfungsnetzwerken Impulssignale gleicher Polarität zugeführt werden, und von der zweiten Reihe die Dämpfungsnetzwerke, ausgehend von den Enden des Schieberegisters, wiederum je zwei und zwei gleichgemacht sind, jedoch den gegenseitiggleichenDämpfungsnetzwerken Impulssignale entgegengesetzter Polarität zugeführt werden, wobei an den beiden Zusammenfügungsvorrichtungen durch Bemessung der beiden Reihen von Dämpfungsnetzwerken dieselbe Amplituden-Frequenz-Kurve erzeugt wird, die das Gleichstromglied unterdrückt.

14. Filter nach Anspruch 13, dadurch gekenn-

zeichnet, daß jede der beiden Zusammenfügungsvorrichtungen an einen Gegentaktmodulator angeschlossen sind, die von gegeneinander y-phasenverschobenen Trägerwellenschwingungen eines gemeinschaftlichen Trägerwellenosziilators gespeist werden, wobei die Ausgänge der Gegentaktmodulatoren an eine Zusammenfiigungsvorrichtung angeschlossen sind.

15. Filter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter mit einem durch bistabile Kippschaltungen aufgebauten Schieberegister integriert als Festkörperschaltung ausgebildet ist.

16. Filter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsnetzwerke als Festkörperschaltung integriert ausgebildet sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

809597'404 S.U Q Bundesdruckerei Berlin