DE2003712A1 - N-Weg-Filter unter Verwendung eines Digitalfilters als zeitinvarianter Bestandteil - Google Patents

Description

Western Electric Company Incorporated Glaser, A, B. 1

N~Weg«Filter unter Verwendung eines Digitalfilters als zeitinvarianter

Bestandteil

Die Erfindung betrifft ein zeitvariantes 'Netzwerk mit einer Vielzahl von Modulatoren zur selektiven Modulation eines zugeführten Eingangssignal, einer an die Ausgänge.der Modulatoren angeschalteten Filter anordnung für das modulierte Eingangssignal und einer Vielzahl von an den Ausgang der Filteranordnung angeschalteten Demodulatoren zur selektiven Demodulation des gefilterten Signals.

Zeitvariante Netzwerke von der Art eines N^Weg^Filters spielen inzwisehen eine wohldefinierte Rolle im Bereich der Netzwerktheorie, Bei der heute üblichen Verwendung von integrierten Schaltungen sind N »•Weg-Netzwerke besonders vorteilhaft, da sich mit ihrer Hilfe Bandpaß-Übertragungseigenschaften ohne Verwendung induktiver Elemente verwirklichen lassen.

Ein N~Weg»System weist im allgemeinen ein zeitinvariantes Netzwerk mit 2N~Anschlüssen in Reihe mit Eingangs ~ und Ausgangsmodulatoren auf* In typischer Weise enthält jeder Weg des Systems einen Eingangsmodulator,, ein zeitinvariantes Netzwerk und einen Ausgangsmodulator.

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ORIGINAL INSPECTED

Die Eingangs^ und Ausgangsmodulationssignale für jeden Weg sind periodische, üblicherweise identische Signale und unterscheiden sich von Weg zu Weg um eine feste Zeitverzögerung, Eine erschöpfende Erläuterung solcher Systeme findet sich in einem Aufsatz "An Alternative Approach to the Realization of Network Transfer Functions: The N-Path Filter" in der Zeitschrift "Bell System Technical Journal", September 1960, Seiten 1321-1350.

Ein Hauptnachteil vorhandener N-Weg-Filter ist die Forderung, daß die Übertragungseigensehaffcen jedes Weges im wesentlichen identisch sind, damit sich zeitvariarite Modulationsprodukte am Ausgang des N-Weg-Systems durch Interferenz auslöschen. Wegen dieser Forderung ist die Verwendung von N-Weg-Systemen bisher beschränkt gewesen.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, dieses Problem zu beseitigen. Sie geht dazu aus von einem zoitvarianten Netzwerk der eingangs genannten Art und ist riuilun-h gekennzeichnet, daß die Filter anordnung einen Abtafcter-Multiplexer zur Bildung von Multiplex-Abtastimpulsen des modulierten Eingangs.signals aufweist, ferner eine einzige Digitalfilterschaltung zur Filterung der Muitiplex-Abtastimpulse und eine Demultiplexerschaltung ζ mti Demultiplexen des gefilterten Signals von

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der Digitalfilterschaltung,

Entsprechend den erfindungs gemäßen Grundgedanken wird daher unter Verwendung eines einheitlichen Digitalfilters, das mit einer Zeitfolge betrieben wird, die ein Zusammenführen angelegter Signale im Zeitmultiplexverfahren ermöglicht, die Forderung nach einer Vielzahl' von Netzwerken vereinfacht. Da nur ein Filter benutzt wird, müssen folg·* lieh die Übertragungseigenschaften nicht aneinander angepaßt werden,: weil jedes Signal das gleiche Netzwerk durchläuft.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrie" ben. Es zeigen:

. Fig. 1 ein.typisches N-^Weg-Filtersystem; Fig. 2 das N~Weg-Filtersystem nach der Erfindung unter Ver« wendung eines Digitalfilters;

Fig. 3 eine Abwandlung der ersten drei Stufen gemäß Fig. 2; Fig. 4A und 4B mehrere Modulations-Kurvenformen, die bei der

Erfindung benutzt werden;
Fig. 5 eine vereinheitlichte Modulator^Multiplexerschaltung nach der Erfindung;

Fig. 6 eine Anzahl von Schaltkurvenformen für die Schaltung ■ nach Fig. 5;

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Fig. 7 eine bei der Erfindung benutzte Kurvenform-Erzeugungseinrichtung;

Fig. 8 und 9 eine Anzahl von Kurvenformen., die bei der Erfindung benutzt werden;

Fig. 10 Logikschaltungen zur Steurung der Multiplex-Operation der Schaltung nach Fig. 5.

^ Fig· 4 zeigt ein herkömmliches N-Weg-Filter des Typs, der beispiels-

weise in der vorgenannten Literaturstelle beschrieben ist. Ein zugeführtes Eingangssignal x(t) wird in seiner Bandbreite begrenzt und dann in N Modulatoren 11-1 bis H-N moduliert. Jedes modulierte Signal wird dann einem Tiefpaßfilter 12-1 bis 12-N zugeführt. Das Ausgangssignal jedes Filters wird dann wiederum in einem der Modu» latoren 13-1 bis 13-N moduliert, wonach alle N-Signale additiv in einer Komhinationsschalümg, d.h., Summierschaltung 14 zur Erzeugung eines Aus gangs signals y(t) nach einer weiteren Filterung zusammengeführt werden. Die Modulations signale ρ (t) ... P_N(t) und q (t). . . q_N(t) können eine Folge identischer periodischer Wellen sein, die in ihrer Phasenlage um den Faktor T/N verschoben sind, wobei T der Grund«

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periode der Wellen p(t) und q(t) und N der Anzahl von Wegen in

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dem System entspricht. Da sich die Übertragungsfunktion des gezeigten

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Systems durch die in der Frequenz umgesetzte und symmetrisch mit Bezug auf die Mitte jeder der Frequenzkomponenten von p(t) angeordnete Übertragungsfunktion eines der Tiefpaßfilter 12 darstellen läßt, zeigt das System die Eigenschaften eines Bandpaßfilters. Eines der Hauptprobleme bei der praktischen Verwirklichung des gezeigten N-Weg-Filters ist die gegenseitige Anpassung der Übertragungseigenschaften jedes Weges. Im Idealfall soll jedes Tiefpaßfilter 12-1 bis 12-N identisch sein, wenn zeitvariante Modulationsprodukte sieh durch Interferenz am Ausgang des Systems auslöschen sollen. Weiterhin sollten die Eigenschaften jedes Modulators und jedes Weges auf entsprechende Weise identisch sein. Der Fachmann erkennt, daß solche Forderungen zwar in der Theorie, nicht aber in der Praxis leicht zu verwirklichen sind.^r

Ein erfindungsgemäßes System, das diese Schwierigkeiten überwindet, ist in Fig. 2 dargestellt. Ein zugeführtes Signal x(t) durchläuft ein Bandbegrenzungsfilter 15 zur Beseitigung unerwünschter Signalanteile. Das gefilterte Signal f(t) wird dann einer Vielzahl von Modulatoren 11-1 bisH-N zugeführt, die in jeder Hinsicht mit den in Fig. 1 darge stellten Eingangsmodulatoren identisch sind. Entsprechend der folgen den Erläuterung ist bei der praktischen Verwirklichung der Erfindung nicht generell eine Vielzahl von Eingangsmodulatoren erforderlich.

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Die Erläuterung des gezeigten Systems dürfte aber noch zu besprechende Weiterbildungen der Erfindung besser verständlich machen.

Die N-modulierten Signale werden an einen Abtaster-Multiplexer 17 angelegt. Diese Einrichtung, die irgendeine bekannte Ausführung sein kann, tastet die N-modulierten Signale auf bekannte Weise ab und erzeugt eine serielle Signalfolge der verschiedenen Abtastimpulse. Ein üblicher Analog-Digitalwandler 18 codiert die Multiplex-Abtastimpulse und gibt sie an ein Digitalfilter 19. Dort werden die codierten Impulse nach einem vorbestimmten Filterschema verarbeitet. Es kann irgendein Digitalfilter bekannter Art benutzt werden. Die Synchronisation zwischen dem Filter 19 und dem Abtaster-Multiplexer 17 stellen Abtast-Taktsignale sicher, die vom Filter 19 über die Leitung 16 an die Einrichtung 17 angelegt werden. Die vom Digitalfilter 19 ausgehenden Digitalsignale werden an einen Demultiplexer 21 gegeben, der, wie sein Name sagt, N parallele Aus gangs signale, die die digitalgefilterten Abwandlungen der ursprünglichen, an die Einrichtung 17 angelegten N-Signale darstellen. Der Digital-Analogwandler 22 arbeitet mit Hilfe eines Umschalters 23a sequentiell und wandelt die N digitalgefilterten Signale in N Analogsignale um. Wie die gestrichelte Linie andeutet, ist der Umschalter 23b mit dem Umschalter 23a synchronisiert und gibt daher jedes der N-Signale an einen Quer kondensator C., C». · »C_N

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ab, der die umgewandelten Signale in ihrer Amplitude glättet. Falls gewünscht, können die Kondensatoren durch Haltenetzwerke üblicher. Art ersetzt werden. Die Modulatoren 13-1 bis 13-N, die mit den entsprechend bezeichneten Modulatoren in Fig. 1 identisch sindi, demoduv* lieren jedes der N Signale. Diese werden dann durch ein Netzwerk 14 additiv zusammengefaßt. Zur Beseitigung störender Komponenten wird das sich ergebende Signal durch ein Filter 2"4 in seiner Bandbreite begrenzt, wonach dann das gewünschte Ausgangssignal y(t) entsteht. Die Signale jedes der N-Wege werden also durch das gleiche Filter statt durch eine Gruppe ähnlicher Filter verarbeitet. Die einzigen, nicht gemeinsam benutzten Bauteile sind die Kondensatoren sowie die Eingangs* und Ausgangsmodulatoren. Wie später noch erläutert wird, können die Eingangsmodulatoren 11-1 bis H=N in einer Form verwirklicht werden, die eine Verdoppelung der Eingangsmodulationseinrich.-tung vermeidet. Demgemäß ist das Problem einer genauen Anpassung der Übertragungseigenschaften mehrerer Filter wesentlich erleichtert, und es Wurde entsprechend gefunden, daß zeitvariante ,Modulationsprodukte um IG bis 20 dB besser als in herkömmlichen N-Weg^Filtern unterdrückt werden.

Es läßt sich zeigen, daß, wenn N eine gerade Zahl ist, das N-Weg~

■" N - ■■ System unter Verwendung von nur -~r- Eingangs-Kanalmodulatoren

et

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verwirklicht werden kann. Wenn beispielsweise ]& gJeiefe 4 isty so MM sich dks K-Weg-System unter ^erWendu^g vom. MiW z#ei

aaad! zwei Moduiationssign&Jen· aufbawenv wobei das zweite latio^nssignal gegen das erste um j- Sekunden verzö'ger'ß $β% dvlain dfer Plfoase um -^f rad abweicht« Fig. 3 zeigt feeispieisWeise in"

eines Blockschaltbildes die ersten difei Stuf en¹ dies Sys-fleia« fifirehFig*. 2¹,, Wie oben erlaxitert worden ist,, wird das fiingangssignal- *^f^ We durch das Filter 15^! zur Erzeugung eintes Signaib tv dks im Mbdulator l'f dtoch Signale m$) utixi* M$ * ■% } lierü wir dl Efes Produkt aus f(t) und dem- ersten= £n«^y Wird* mit M_t ümd· dbs Produkt von f(<fj)·' und' öa^B * -g zeite&aet". M₁, und' ML sfieltlien die ineinaiid MuMiplexer Ϊ7 erzeugten Äbtastwef Ue dfer Signa'Je¹ $$ W&&

Im IdteaBall sollte das MbduiafionBSignal m|l| eine mit der gewünschten Bandpaß-fiÜ^tenfreqwenz sein. Ba es lieh wünschenswert ist, daß N-Weg-Filter absfömmbaf siMt da.ß sich die Mittenfrequenz des gewünschten ©üvcfefeßfeandlss ändern läßt, würde ein System unter Verwendung eines sifttfsförmigen Modulations signals einen abstimmbaren Sinusoszillator und' absfimnw bare Phasenschieber zur Erzeugung der benötigten Modulations signale

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3 ■' . -

erfordern. Die für N-Weg-Systeme verlangte Genauigkeit läßt sich jedoch auf wirtschaftliche Weise leider nicht unter Verwendung solcher Einrichtungen verwirklichen. Eine Alternative besteht in der Benutzung eines Modulationssignals, das aus Hechteckimpulsen mit einer Wiederholungsfrequenz besteht, die gleich der gewünschten Mittenfrequenz ist. Eine Impulsfolge dieser Art läßt sich zwar leicht erzeugen, aber im.= pulsförmige Signale sind so reich an harmonischen Komponenten^, daß dadurch schwierige Betriebsbedingungen für das N^Weg-System ent« stehen. Ein Modulationssignal, das viele Vorteile der oben beschrie= benen Signale und wenige ihrer Nachteile besitzt, ist die in Fig. 4A gezeigte mehrstufige Annäherung Phase d&i- .1 eines Sinussignals

T m(t). Fig. 4B zeigt die Phase 2, nämlich das gleiche, zeitlich um -r

T
Sekunden verzögerte Signal, also m(t- —.). ■ ,

Entsprechend dem Grundgedanken der Erfindung ist es nicht erfordere lieh, daß die angegebenen Modulationssignale erzeugt, in individuellen Modulatoren mit dem angelegten Eingangssignal gemischt, und schließlich durch getrennte Einrichtungen multiplext werden. Stattdessen kann ein Operationsverstärker-Schaltungsaufbau, beispielsweise entsprechend Fig. 5, zur gleichzeitigen Erzeugung, Mischung und Multiplex-Zusammenführung der gewünschten Signale benutzt werden. Ent» sprechend Fig. 5 wird das vom Bandbegrenzungsfilter 15 gemäß Fig-2

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oder 3 ausgehende Signal f(t) auf zwei Widerstände und Transistorschalter Q₁J Q usw. enthaltende Wege gegeben, die an den Opera«» tionsverstärker 31 angeschaltet sind. Am Ausgang des Abtasters 41, der vom Operationsverstärker 31 beaufschlagt wird, entstehen die gewünschten modulierten, abgetasteten Multiplexsignale M₁ , M₀ usw.

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Falls gewünscht, kann der Abtaster 41 auf einfache Weise in die Operationsverstärkerschaltung eingegliedert werden. Die Schaltung nach Fig. 5 besitzt eine Verstärkerkenniinie entsprechend dem in Fig. 4A gezeigten Modulations signal. Wenn das zugeführte Signal f(t) entsprechend einer solchen Kennlinie verstärkt wird, so erkennt man, daß das sich ergebende Ausgangs signal identisch mit einem Signal ist, das durch Mischen des Eingangs signals mit dem gezeigten Modulations^ signal gebildet wird. Die Transistorschalter Q , Q , Q und Q werden

L· Ct ö ~C

entsprechend der Angabe unter den Kurvenformen in den Fig. 4A und 4B gesättigt betrieben. Die Verstärkung der gezeigten Einrichtung läßt sich wie folgt ausdrücken;

G - Verstärkung mit Q ein, Q aus, Q , Q. aus;

-G - Verstärkung mit Q ein, Q₁ aus, Q , Q. aus; <xG ·» Verstärkung mit Q ein, Q aus, Q , Q ein;

-aG - Verstärkung mit Q₂ ein, Q₁ aus, Q₃, Q₄ ein,

wobei α in einem als Beispiel gewählten Fall gleich 0, 414 und G eine

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ählteTer. stabbing;,, beispielsweise G-* f^OWsift'dl B msm nW eine Beengung als Beispiel lür das CJL ein^sefe QU* Qq:# QW ausgeschalte* sind^ sot ist der Widerstättdi IL gewdfeüi. tmds diasi Sgnali 0f liegt afm positiven Äftsenlruff des 1£@fä$ai&ke'#'s' 3?f " · die P&ralieisenaKuüg der Widerstände KjL ϊΐ ,, ϊίL₀. in; Bei&e

mit SiL,. i*uä? diesen FaD läßt siefo zeigen^ daß die t^ea^sHaiifeing? ® der ig gleich; KL^ geteillt dkreh den'

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Fig,. 6 zeigt die SehaitkutfVeMormen* die die in der Schaltung verwendeten Transistoren QL, Q*_ usw. für die beiden Phasen des inden Fig. 4iL und 4B dargestellten Modulations signals benötigen. Ein Signal größer als 0 gibt an, daß" der jeweilige Transistor gesättigt ist.

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Das Nichtvorhandensein eines Signals bedeutet, daß der Transistor ausgeschaltet ist. Die Schaltung nach Fig. 7 erzeugt die gewünschten Schaltkurvenformen. JMe dargestellten Flipflops F/F sind herkömmlicher Art. Das zugeführte Eingangssignal muß lediglich eine Impuls-

T folge mit der richtigen Impulsperiode sein, d.h., — . Die verschie-

denen Kurvenformen, die an den Signalpunkten (a), (b), (c) ... der Schaltung nach Fig. 7 zur Verfügung stehen, sind in Fig. 8 dargestellt. Nimmt man an, daß der Ausgangsanschluß Q aller Flipflopss zn Anfang w den logischen Wert "0^rr hat, und daß alle Flipflops ihren Zustand

ä&dern, wenn das an ihren Anschluß "T^tr angelegte Signal "Q^ wird» so erkennt man, daß alle gewünschten Kurvenformen von der Schaltung nach Fig. 7 erzeugt werden.

Es wird ein Multiplex-Netzwerk benötigt, das abwechselnd an die Transistoren Q₁, Q usw. in Fig. 5 die in Fig. 6 gezeigten Schaltkurvenformen für die Phasen 1 und 2 anlegt. Es ist außerdem erforder-. lieh, daß ein Abtastwert jeder modulierten Kurvenform erzeugt wird^

und daß die Abtastwerte zwischen den beiden Modulationsphasen mit der richtigen Frequenz wechseln. Wenn das durch das Digitalfilter (Fig. 2) erzeugte Abtast-Taktsignal eine Rechteckwelle der in Fig* 9 gezeigten Art ist, deren Grundfrequenz doppelt so groß wie die Ab* tästfrequenz f für eine Phase ist, so läßt sich die Bedingung vor-

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geben, daß bei jeder Rüekflanke der Kurvenform sich die an die Transistorschalter nach Fig. 5 angelegten Schaltsignale von einer Phase zur anderen ändern und daß bei jeder Vorderflanke der gezeigten Kurvenform ein schmaler Abtastwert am Modulator aus gang entnommen wird. Zusammengefaßt ergibt sich dann insgesamt, daß zwei Phasen des modulierten Signals abwechselnd abgetastet werden.

Bei der Schaltung nach Fig. 10 wird das Abtast-Taktsignal gemäß Fig. an den Anschluß ¹¹T" des Flipflops 32 angelegt. Die Ausgangsanschlüsse des Flipflops 32 sind mit einer Vielzahl von logischen ODER-Gliedern 33, 34, 35 und 36 verbunden, die wiederum Signale an ODER-Glieder 37 und 38 liefern. Die weiteren Eingangs signale der logischen Glieder werden von der Einrichtung nach Fig. 7 geliefert und sind mit den gleichen Buchstaben wie in den Fig. 7 und 8 bezeichnet. Eine Negation wird auf übliche Weise durch einen Punkt bei einem Anschluß eines logischen Gliedes angegeben. Nimmt man an, daß der Ausganganschluß Q des Flipflops 32 zu Anfang den Zustand ¹¹O" hat, so ändert das Flipflop 32 jedesmal dann seinen Zustand, wenn das angelegte Abtaet-Taktsignal auf ¹¹O" abfällt. Die auf den Leitungen A, B und C für die beiden Zustände des Flipflops 32 erscheinenden Ausgangseignale sind dann die folgenden;

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Zustand 1 Q * O, Q * 1

A * (k+0) + (i+1)
» k + 0 » k

B « Ä « k

C « (d+1) + (e+0) » e

Man beachte, daß k, k, d. h., i und e die für die Phase 1 benötigte Gruppe von Schaltsignalen darstellen, vgl. Fig. 6 und 8.

Zustand 2 Q « 1, Q « 0

A » (k+1) + (i+o) - 0 + Γ « Γ B « A « i

C * (d+0) + (e+1) « d

Man beachte außerdem, daß i, i, d. j., j und d die für die Phase 2 benötigte Gruppe von Schaltsignalen ist. Wenn die Ausgangsleitung B an den Transistor Q₁, die Ausgangsleitung A an den Transistor Q_ und die Ausgangsleitung C an die Transistoren Q„ und Q. (Fig. 5) angelegt werden, so erreicht man die gewünschte Multiplex-Kombination der beiden Modulatorphasen.

Bei jeder ansteigenden Flanke des in Fig. 9 gezeigten Abtast-Taktsignal erregt der monostabile Multivibrator 39 den Abtaster 41 (Fig. 5), der eine Abtastdarstellung M. , M- , M. ... des am Ausgang des Modulators erscheinenden Multiplexsignals erzeugt. .

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Claims (2)

1. Patentansprüche

   I.) Zeitvariantes Netzwerk mit einer Vielzahl von Modulatoren zur selektiven Modulation eines zugeführten Eingangs signals, einer an die Ausgänge der Modulatoren angeschalteten Filter anordnung für das modulierte Eingangssignal und einer Vielzahl von te den Ausgang der Filteraiiordnung angeschalteten Demodulatoren zur selektiven Demodulation des gefilterten Signals,

   dadurch gekennzeichnet, daß die Filter anordnung einen Abtaster-Multiplexer (17) zur Bildung von Multiplex-Abtastimpulsen des modulierten Eingangs signals aufweist,

   ferner eine einzige Digitalfilterschaltung (19) zur Filterung der Multiplex-Abtastimpulse

   und eine Demultiplexer schaltung (21) zum Demultiplexen des gefilterten Signals von der Digitalfilterschaltung.
2. 2. Zeitvariantes Netzwerk nach Anspruch 1, bei dem die Filteranordnung gekennzeichnet ist durch

   einen Analog-Digitalwandler (18), der die Multiplex-Abtastimpülse vom ÄMaster-MüK^pflexer (17) codiert und dessen Ausgang mit dein Digitalfilter (19) verbunden ist, und

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   einen Digital-Analogwandler (22), der die Signalimpulse vom Demultiplexer (21) decodiert und dessen Ausgang wahlweise an den Demodulator angeschaltet ist.

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