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Digitales Korrelationsfilter Die vorliegende Erfindung betrifft die
Erkennung von definierten Frequenzen zur Erzeugung von Schaltsignalen mit Hilfe
digitaler Schaltbausteine.
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enn aus einem Spektrum verschiedenartiger Schwingungen bestimmte,
diskrete Frequenzen erkannt werden sollen, so wird hierzu gewöhnlich ein Schwingkreis
aus Spule und Kondensator verwendet. Ein solcher aus Induktivität und Kapazität
aufgebautes Filter hat den Nachteil, daß die verwendeten eaktanzen sich nicht miniaturisieren
lassen bzw. auch nicht in integrierter monolithischer Technik herstellen lassen.
Weiterhin haben diese Filter den Nachteil, daß sie auf die jeweilige Resonanzfrequenz
durch Veränderung der Werte der Reaktanzen abgeglichen werden müssen und keine gute
Stabilität der Resonanzfrequenz, insbesondere bei Temperaturschwankungen besitzen.
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Es sind weiterhin Frequenzfehler bekannt, die zwar digital die Frequenz
eines anliegenden pulsierenden Signals auszählen; jedoch können solche Frequenzfehler
nicht dazu verwendet werden, das Vorhandensein einer bestimmten Frequenz in einem
Spektrum zu erkennen und hieraus ein Schaltsignal abzuleiten.
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Der vorliegenden Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, unter
Vermeidung der vorerwähnten Nachteile eine Anordnung zur Erkennung diskreter Frequenzen
aus einem Frequenzspektrum und zur Ableitung eines Steuersignals
heraus
zu schaffen.
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Erfindungsgemäß wird hierzu eine Referenzfrequenz erzeugt und in einem
ersten Zähler gezäSt; die Eingangsfrequenz, die auf das Vorhandensein der zu erkennenden
Frequenz zu prüfen ist, in einem zweiten digitalen Zähler beliebigen Aufbaus gezählt,
die Zählerstände in einem Koinzidenzprüfglied miteinander verglichen und das Ausgangssignal
des Koinzidenzprüfgliedes auf ein Integrierglied gegeben, an dessen Ausgang ein
Signal entsteht, dessen Größe proportional zu der Zahl der pro Zeit auftretenden
Koinzidenzen ist.
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Es kann dabei zweckmässig sein, den Ablauf des Zählers durch Programmierung
zu verändern und damit eine andere scheinbare Referenzfrequenz zu erzeugen.
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Es kann weiterhin zweckmässig sein, wenn die Eingangsfrequenz für
die Zähler durch Datenworte (serialisierte Binärinformationen) dargestellt wird.
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Beispiele für die Ausführung und Anwendung der Erfindung werden nachfolgend
anhand der beigegebenen Abbildungen näher erläutert. Es zeigen: Abb. 1 Aufbauschera
einer Anordnung zur Erkennung diskreter Frequenzen.
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Abb. 2 Spannung am Ausgang des Integrators in Abhängigkeit von der
Frequenz des Eingangssignals bei einer Referenzfrequenz von 43 kllz.
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Abb. 3 Aufbauschema einer Anordnung mit programmver änderlichen Zähler
der Referenzfrequenz.
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Abb. 4 Prinzip einer Schaltung zur Erzeugung von Steuersignalen in
vier Steuerkanälen.
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Abb. 5 Spannungsverlauf an den vier Ausgängen der Frequenzdiskriminatoren
Abb.
6 Aufbauschema einer Anordnung zur Erkennung von Datenworten.
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Eine erfindungsgemässe Anordnung zur Erkennung einer diskreten Frequenz
besteht in der Hauptsache aus zwei digitalen Zählern, einer I(oinzidenzprüfschaltung
und einem Integrator.
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In Abb. 1 ist die Verschaltung der einzelnen Baugruppen gezeigt.
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Der Zähler 1 zählt die Perioden einer bekannten, z.B.
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einer quarz-Stabilisiert erzeugten Referenzfrequenz.
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Zähler 2 zählt die Perioden der zu messenden Eingangsfrequenz, die
auf das Vorliegen einer bestimmten Frequenz zu prüfen ist. Die Ausgänge der beiden
Zähler 1 und 2 werden in der Koinzidenzprüfschaltung 3 verglichen. Diese gibt an
ihrem Ausgang ein L-Signal ab, wenn die beiden Zählerstände übereinstimmen; ein
O-Signal, wenn keine Übereinstimmung vorliegt. Die Vebindung 4 dient dazu, die Zähler
in gewissen Zeitabständen zu normieren (auf Null zurückzuschalten), womit die Periode
des Meßzyklus festgelegt wird.
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Der Integrator 5 integriert die am Ausgang des Koinzidenzpriifgliedes
3 erscheinenden Koinzidenzimpulse über der Zeit und liefert an seinem Ausgang ein
Signal, dessen Größe proportional zu der Zahl der Zählerkoinzidenzen pro Zeiteinheit
ist.
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Die Wirkungsweise dieser Anordnung ist dabei folgende: Zähler 1 und
2 seien z.B. zwei vierstellige Binärzähler.
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Wird nun der Zähler 1 mit einer Referenzfrequenz bestiniiiiter Größe
beaufschlagt und der Zähler 2 mit einer zu pro enden Frequenz, die gleich der Referenzfreqenz
ist,
so wird die Koinzidenzschaltung 3 dauernd Koinzidenzsignale
liefern. Je weiter die zu prüfende Frequenz von der Referenzfrequenz abweicht, desto
seltener wird sich eine Koinzidenz der Zählerstände einstellen. Das Gleichspannungssignal
am Ausgang des Integrators 5 wird demzufolge bei Übereinstimmung der Eingangs frequenz
an Zähler 2 und der Referenzfrequenz an Zähler 1 seinen Maximalwert haben und mit
stärker werdender Abweichung der Frequenzen kleiner werden und bis gegen den Wert
0 gehen.
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Abb. 2 zeigt den Spannungsverlauf am Ausgang des Integrators 5 in
Abhängigkeit von der Eingangs frequenz bei einer Referenzfrequenz von 43 Miz, Im
vorstehenden Beispiel war vorausgesetzt, die Zähler 1 und 2 seien zwei vierstellige
Binärzähler. Je größer die Anzahl der verglichenen Zählerstellen ist, desto schärfer
ausgeprägt wird das Maximum der Koinzidenzkurve sein und damit auch die Trennschärfe
der Anordnung für eine bestimmte Frequenz.
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Wesentlich ist, daß die Genauigkeit der Frequnzerkennung durch evtl.
im Eingangssignal des ZählerS2 enthaltene Störimpulse nicht beeinträchtigt wird.
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Zunächst einmal werden solche Störimpulse so lange völlig unterdrückt,
als sie nicht in der Lage sind, den Ansprechpegel des Zählers 2, der evtl. noch
einstellbar sein kann, zu überschreiten.
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Selbst wenn jedoch Störimpulse den Zähler 2 ansteuern, verhindern
sie nicht die Erkennung einer bestimmten Frequenz. Sporadisch auftretende Störimpulse
werden wegen ihrer statistischen Verteilung ebenso oft zur Erzeugung von unrichtigen
Koinzidenzsignalen führen, wie sie
richtige Koinzidenzsignale verhindern.
Störsignale können also bei Anliegen einer Frequenz, die nicht der zu erkennenden
Frequenz entspricht, zu einer unrichtig großen Koinzidenzrate führen, ebenso wie
sie bei Anliegen der zu erkennenden Frequenz am Zähler 2 zu einer unrichtig kleinen
Koinzidenzrate führen können. Sie bewirken damit lediglich, daß die Koinzidenzkurve
proportional zur Anzahl der Störimpulse flacher wird, verhindern jedoch nicht die
sichere Frequenzerkennung. Sie verschieben insbesondere nicht das Maximum der Koinzidenzkurve
auf der Abszisse.
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Für das Steuersignal am Ausgang des Integrators 5 hat das Auftreten
von Störimpulsen nur zur Folge, daß der Signalhub kleiner wird.
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Es kann zweckmässig sein, die Referenzfrequenz zu verändern und hierzu
eine vorgegebene konstante Frequenz zu untersetzen bzw. den für die Referenzfrequenz
verwendeten Zähler durch Programmierung im Zählablauf so zu ändern, daß sich eine
andere scheinbare Referenzfrequenz ergibt Hierzu wird z.B. ein bestimmter Zählerstand
dekodiert und dazu verwendet, den Zähler 1 selbst an dem Eingang 9a neu voreinzustellen
und gleichzeitig den Zähler 2 für das Eingangssignal zu normieren. In Abb. 3 ist
ein entsprechendes Ausführungsbeispiel gezeigt.
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Der Zähler 2 für die zu prüfende Eigangsfrequenz besitzt einen Eingang
9, an dem er durch Anlegen eines L-Signals auf Null zurückgestellt werden kann.
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Die Ausgänge 7 der verschiedenen Zählerstellen des Zählers 1 der Referenzfrequenz
werden mit dem stein 6 verbunden, welcher aus dem Anliegen einer bestimmten Kombination
an den Ausgängen 7 ein Steuersignal in Leitung 8 entsendet, das dem Eingang 9 des
Zählers 2 zugeleitet wird.
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Durch das Anlegen eines Steuersignals an den Progr-mierungseingang
D des Zählers 1 kann dieser von der Betriebsart "binär zählen" auf einen anderen
Zählmodus, z.B. dezimal zählend prograrmiert werden und damit auf die scheinbare
Referenzfrequenz uMgeschaltet werden.
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Wie die bisher beschriebenen Schaltungen zur Ableitung von Steuersignalen
bei Vorliegen einer bestimmten Frequenz zu verwenden sind, ist nachfolgend zu beschreiben.
Als praktische Anwendungsfälle können dabei gedacht werden Funkferns teuerungen,
Ultraschall-Fernbedienungen oder Aufgaben der Telemetrie.
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Abb. 4 zeigt eine erfindungsgemässe Ausführung einer Schaltung zur
Erzeugung von Steuersignalen in vier Steuerkanälen 13. Die konstante Referenzfrequenz
wird zunächst auf den Eingang eines Untersetzers 11 gegeben und an dessen Ausgängen,
ueweils um einen bestimmten Faktor untersetzt, wieder als Referenzfrequenz für die
Frequenzdiskriminatoren 12 abgegeben. Jeder der Freqeunzdiskriminatoren 12 enthält
eine Schaltung entsprechend Abb. 1.
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Die zu prüfende Eingangsfrequenz wird den zweiten Eingang jedes der
Frequenzdiskrininatoren 12 zugeleitet,.
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Abb. 5 zeigt die Spannungsverläufe an den vier Ausgängen 13 der Frequenzdiskriminatoren
12* Für jeden Ausgangskanal 13 entsteht bei einer bestimmten Frequenz ein Steuersignal.
Bei den in Abb. 5 dargestellten Meßkurven sind wiederum Zähler mit vier Steilen
verwendet. Wie bereits ausgeführt, läßt sich die Trennschärfe zwischen den einzelnen
Kanälen durch den Einsatz von Zählern mit mehr Stellen verbessern.
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Für die erfindungsgemässe Anordnung ist es unwesentlich, in welchem
Code die eingesetzten Zähler arbeiten.
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Gegenüber einer herkömmlichen Frequeflzdiskriminierung mit einem
Resonanzkreis aus Spulen und Kondensatoren, wie einleitend erwähnt, bietet die vorgeschlagene
Anordnung wesentliche Vorteile, nämlich insbesondere gute Frequenzkonstanz für sämtliche
Steuerkanäle, da die Referenzfrequenzen für alle Kanäle von einer, z.B. quarzstabilisierten,
Grundfrequenz durch digitale Untersetzung gewonnen werden.
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Hinzu kommt die sichere und leichte Einstellbarkeit der Referenzfrequenzen
durch die einmalige Wahl des.Untersetzungsverhältnisses.
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Ein weiterer Vorteil ist die Integrierbarkeit der gesamten Schaltung
in monolithischer Technik, da keinerlei Reaktanzen zum Einsatz kommen. Weiter ist
zu erwähnen die Unempfindlichkeit gegen evtl. in dem Eingangssignal vorhandene Störimpulse,
wie dies bereits weiter oben erläutert wurde. Schließlich ist die Schaltung gegen
Temperaturschwankungen unempfindlich und es kann kein Wandern der Kanäle gegeneinander
auftreten.
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Analog zur Erkennung von Frequenzen ist es möglich, Datenwörter mit
binärer Information zu vergleichen. Eine entsprechende Schaltungsanordnung ist in
Abb. 6 dargestellt.
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Das Schieberegister 14 enthält ein Datenwort, zu dem ähnliche Datenworte
durch Korrelation gefunden werden sollen.
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Die zu vergleichenden Datenworte werden über die Datenleitung 16 in
das Schieberegister 15 übernommen, und zwar im Takt mit einem Taktleitung 17 anstehenden
Signal.
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Während des Neßvorgangs wird das Vergleichswort über die Ringleitung
18 mit einem in der Taktleitung 19 vorhandenen Taktimpuls im Kreis geschoben. Gleichzeitig
wird die Information im Schieberegister 15 mit dem Takt aus Leitung 19 serialisiert.
Die seriellen Pulsfolgen am Ausgang von Schieberegistern 14 und 15 werden in den
beiden Zählern 1 und 2 gezählt und die auftretenden Koinzidenzen dieser Zähler im
Koinzidenzprüfglied 3 festgestellt.
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Je nach dem Grad der Übereinstimmung zwischen den beiden Datenworten
(d.h. der Häufigkeit der Koinzidenzen) ergeben sich am Ausgang des Integrators 5
verschiedene Signalpegel. Von einem bestimmten Pegel ab kann ein Datenwort als erkannt
gelten.
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Die vorliegend beschriebene Datenworterkennung kann z.B.
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eingesetzt werden bei der Übertragung von Daten bei starkem Rauschpegel
in der Telemetrie. Ein gesichertes Datenwort wird im Schieberegister gespeichert
und jeweils beim Empfang eines neuen Datenwortes als 1?referenz benutzt, um zu einer
Aussage über die ahrscheinlichkeit der Richtigkeit zu kommen.