DE2627326A1

DE2627326A1 - Verringerung der ueberdeckungsverzerrung in abgetasteten signalen

Info

Publication number: DE2627326A1
Application number: DE19762627326
Authority: DE
Inventors: Robert Lawrence Carbrey
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1975-06-18
Filing date: 1976-06-18
Publication date: 1976-12-30
Also published as: NL173693C; NL7606568A; DE2627326C2; FR2316698B1; JPS591006B2; CA1065024A; GB1496300A; US4039979A; NL173693B; FR2316698A1; JPS522260A

Description

BLUMBACH · WESER . BERc3EN · KRÄMER ZVVIRNER - HIRSCH

PATENTANWÄLTE (N MÜNCHEN UND WIESBADEN

Postadresse München: Paientconsult S München 60 RaceckestraSe 43 Telefon (089) 883603/88360-1 Telex 05-212313 Postadresse Wiesbaden: Pötentccnsuit 62 Wiesbaden Sonnerhsrgcr Straße 43 Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-136 257

VffiSTIilLW ELECTRIC COJIPANY,

INCORPORATED

NW YORK (N.Y.) U.S.A. ' ' Carbrey - 52

. Verringerung der Überdeckungsverzerrung in abgetasteten Signalen.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verarbeitung eines Analogsignals nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie auf eine Schaltung zur Durchführung des Verfahrens«

In Systemen mit abgetasteten Signalen wird ein als kontinuierliche Welle vorliegendes Inforraationssignal wiederholt abgetastety um daraus ein impulsmoduliertes Signal PAM zu erzeugen. Das Spektrum des PAM-Signals weist ein Basisband auf, welches das Spektrum des ursprünglichen Gleichstromssignals und ein Ebenbild dös Basisbandsignals als Seitenband, welches ua Jede Harmonische der Abtastfrequonz liegt, umfaßt. Der Jeweilige Anstieg der Seitenbänder (der sogenannte Schwanz) hat

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Mumien: K'a^.or · C". Wer-^r ■ Ki:sch — Wiesbaden: Bl'jn'.büch · Dr. RorQon. - Zwirner

die Tendenz, sich in das Basisband zu erstrecken und einen Beitrag zu dessen Energieinhalt zu liefern, was zu der sogenannten Überdeckungsverzerrung (aliasing distortion) des Basisbandsignals führt. Diese Überdeckungsverzerrung ist dann vorhanden, wenn das Basisbandsignal nachfolgend wiedergewonnen wird.

Da die Überdeckungsverzerrung von dem Abtastverfahren bedingt ist, besteht der einzige Weg, diese Verzerrung zu vermeiden darin, deren Vorkommen an erster Stelle zu vermeiden. Die normale Lösung würde darin bestehen, das Gleichstromsignal zu filtern, damit die Bandgrenze auf Frequenzen unterhalb der höchsten Frequenz von Interesse beschränkt ist, und dann das restliche, bandbegrenzte Signal mit einer Frequenz (der sogenannten Nyquistfrequenz) abzutasten, die oberhalb der zweifachen höchsten Frequenz von Interesse liegt.

Ein Tiefpassfilter, wie zuvor angedeutet, braucht nicht in signifikanter Weise die erwünschten Frequenzen zu dämpfen. Oberhalb der höchsten Frequenz von Interesse sollte jedoch eine so hohe Dämpfung wie möglich stattfinden, um die Überdeckungsverzerrung soweit wie möglich zu verringern. Leider sind Filter mit steilen Dämpfungsflanken mit Bezug auf die Frequenz teuer und groß. Ferner ist das Frequenzverhalten solcher Filter tendenziell sehr empfindlich auf die Werte

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von reaktiven Komponenten und diese Werte ändern sich mit den Umgebungsbedingungen und dem Alter.

Die Klasse der bekannten N-Wegfilter führen die Funktionen des Bandpasses und der Bandsperrung unter Verwendung der Abtasttechniken aus. Bandpassfilter dieser Art haben gewöhnlich einen allmählichen Dämpfungsanstieg bzw. -abfall, verglichen mit der Bandbreite, und sind deshalb in der vorliegenden Anwendung wenig nützlich. Die Bandsperrfilter können so hergestellt v/erden, daß sie wesentlich steilere Dämpfungsflanken zeigen. Bei dieser Art von Filter werden Abtastwerte des zu filternden Signals zwischen mehreren Leistungsübertragungswegen umgeschaltet, die jeweils einen Kondensator in Serie mit einer Signalquelle umfassen. Das typische so erhaltene Filterverhalten weist Übertragungseinschnitte bei jeder Harmonischen der Kommutierfrequenz und bei Gleichstrom auf. Wenn die Kommutierfrequenz in Übereinstimmung mit der Abtastfrequenz des Systems gemacht wird, könnte eine Verringerung der Überdeckungsverzerrung erzielt v/erden. Die offensichtlichste Schwierigkeit bei diesem Filter ist der Einschnitt bei Gleichstrom, was zu einem Verlust an niederfrequenten Komponenten führt, wenn das Signal wieder hergestellt wird. Dies hat eine schädliche Auswirkung auf Unempfindlichkeit gegenüber Rauschen und Umhüllungsverzögerung (envelope delay). Eine weitere Schwierigkeit bei diesem Filter beruht darauf, daß die Übertragung flach ist, außer bei den Einschnitten. Wenn daher

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das Eingangssignal Komponenten knapp oberhalb der Abtastfrequenz enthält, erzeugen diese Überdeckungsverzerrung. Eine dritte Schwierigkeit besteht darin, daß die Flanke der Filtercharakteristik von den tatsächlichen Vierten der verwendeten Kondensatoren abhängt und daher mit der Umgebung und dem Alter Schwankungen zeigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung der eingangs angegebenen Art so auszugestalten, daß die geschilderten Schwierigkeiten überwunden werden.

Die gestellte Aufgabe wird aufgrund der Maßnahmen des Hauptanspruchs gelöst. Die Unteransprüche beziehen sich auf Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:

Fig. 1 ein Diagramm mit Frequenzansprechkurven zur Erläuterung der Quelle der Überdekkungsverzerrung,

Fig. 2 eine gewünschte Frequenzansprech-Formfunktion,

Fig. 3 eine Schaltung einer ersten Ausführungsform,

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Fig. 4 ein Impulsdiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der Ausführungsform nach Fig. 3,

Fig. 5 eine Schaltung einer zweiten Ausführungsform,

Fig. 6 ein Impulsdiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise -der Ausführungsform nach Fig. 5,

Fig. 7 eine Schaltung einer weiteren Ausführungsform und

Fig. 8 ein Impulsdiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der Ausführungsform nach Fig. 7.

Das Frequenzspektrum-DJagramm nach Fig. 1 dient zur Erläuterung des Problems der Überdeckungsverzerrung (aliasing distortion). Die Kurve 10 soll das angenommene Frequenzspektrum eines Informationssignals darstellen. Es sei angenommen, daß

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die höchste interessierende Frequenz nicht ^ übersteigt, ob~ zwar das Informationssignal Komponenten mit wesentlich höheren Frequenzen enthält. Sollte dieses Informationssignal nun bei der Frequenz f abgetastet werden, wird das ursprüngliche Spektrum 10 des Informationssignals bei jeder Harmonischen der Abtastfrequenz duplizierte In Fig. 1 sind lediglich die Wiedergaben bei den ersten beiden Harmonischen gezeigt, näm··- lich die Kurven 11 und 12. Der untere Schwanz des ersten Seitenbandes 11 erstreckt sich vollständig in das ursprüngliche Spei'trum 10_f d.h., in das Basisband des Spektrums des abgetasteten Signals. Dieser Schwan", vergrößert die Energie in dem

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Basisband und stellt eine unerwünschte Verzerrung dar. Die Frequenz a im Basisband 10 führt zu einer Komponente bei f-a im Seitenband 11. Wenn versucht wird, das Basisband danach wieder zu gewinnen, erscheint bei der Frequenz f-a mehr Energie als dieser tatsächlich zusteht. Obwohl Filtern, insbesondere mit einem Tiefpass zur Beschneidung der oberen Seitenbänder beim Empfänger wirksam sein wurden, kann die Überdekkungsverzerrung nicht beseitigt werden, sobald die Abtastung stattgefunden hat, da die Verzerrung in einem erv/ünschten Frequenzband vor sich geht. Es ist deshalb offenbar, daß das Spektrum 10 vor der Abtastung mit der Frequenz f in die richtige Form gebracht werden muß, damit die Frequenzkomponenten

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oberhalb ^ ^au^ einen richtigen Pegel reduziert werden.

Wie nachfolgend beschrieben, wird die richtige Form dadurch geschaffen, daß eine Mehrzahl von aufeinanderfolgenden Abtastungen bei einer Vielzahl der Frequenz f genommen wird. Im einzelnen wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Informationssignal bei einer Geschwindigkeit entsprechend einem ganzzahligen Vielfachen η der Frequenz f abgetastet und wenn η neue Abtastwerte erzeugt worden sind, werden diese Abtastwerte zu einem zusammengesetzten Abtastwert kombiniert. Die Folge der zusammengesetzten Abtastwerte wird dann anstelle der Abtastfolgo benutzt, die normalerweise von einem Abtast- und Halteglied erzeugt wird. Wenn die Abtastung mit der Geschwindigkeit von nf durchgeführt wird, ist die dadurch verursachte

Über deckungs Verzerrung vernaclilässigbar, weil das erste obere Seitenband bei der Frequenz nf vorkommt, Vielehe von dem Basisband entfernt ist und die Auswirkung des seitlichen Schwanzes auf das Basisband sehr stark gedämpft wird. Die Kombination von η im gleichen Abstand zueinander stehenden Abtastwerte ist äquivalent der Addition von η unterschiedlichen Phasen des empfangenen Signals und weist die Tendenz zur Bildung einer Frequenzformung des Informationssignals periodisch zur Frequenz nf auf.

Ein Zyklus der Frequenzformungscharakteristik ist in Fig. 2 dargestellt. Die Amplitude wurde mit Bezug auf die max. Transmission normalisiert, welche bei Gleichstrom und bei Vielfachem von nf auftritt. Lediglich die Null und Eins Vielfachen sind in Fig. 2 dargestellt. Es wird darauf hingewiesen, daß stärkere Dämpfung zwischen den großen Keulen 20 und 21 herrscht, die bei Vielfachen der Frequenz nf auftreten und daß bei allen Vielfachen der Frequenz f, die keine Vielfachen von nf sind, absolute Nullstellen vorkommen. Die große Keule 20, bei Gleichstrom, bewirkt Tiefpassfilterung. Die Keule 21 für nf stellt kein Problem dar, weil das Informationssignal keine merkliche Energie bei dieser hohen Frequenz enthält. Ferner können alle Anteile infolge der Keule bei nf jederzeit leicht entfernt v/erden, indem einfach ein Tiefpassfilter angewendet wird.

Die Kombination der Abtastwerte kommt vor der Herstellung der

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Summenimpulse bei der Frequenz f zustande. Deshalb wird die Formung tatsächlich in das kontinuierliche Wellensignal vor der effektiven Abtastzeit des Ausgangssignals eingeführt. Für alle Anwendungen und Zwecke erscheint es deshalb so, als cb ein geformtes Signal abgetastet wird. Deshalb wird dieses periodische Formen nicht nur auf das Basisband nach Fig. 1 angewendet, sondern auch auf die Seitenbänder 11 und 12 und jedes andere Seitenband des Spektrums des abgetasteten Signals. Als Ergebnis wird der untere Schwanz des Seitenbandes 11 von der ersten Keule 20 der korrespondierenden Formungsfunktion gedämpft und die Überdeckungsverzerrung, die in das Seitenband eingeführt wird, wird reduziert.

Fig. 3 zeigt eine Schaltungsanordnung einer Ausführungsform der Erfindung, bei welcher jeder mit der Frequenz nf genommene Äbtastwert in einem unterschiedlichen Speicherkondensator gespeichert wird und alle Kondensatoren bei der Frequenz f miteinanderverbunden werden,um einen zusammengesetzten Abtastx-zert zu erzeugen, dessen Amplitude gleich dem Mittelwert von η Abtastungen ist. Das Impulsdiagramm nach Fig. 4 dient zur Erläuterung des Betriebes der Schaltung nach Fig. 3. In Fig. 4 sind die einzelnen Wellenformen durch Buchstabenbezeichnungen A bis E bezeichnet. Die gleichen Buchstaben, außer A, erscheinen neben normalerweise offenen Schaltern in·Fig. 3. Dadurch soll zum Ausdruck gebracht werden, daß beim hohen Pegelwert der entsprechend bezeichneten Wellenform das Schließen des

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entsprechenden Schalters bewirkt wird.

Die Wellenformen oder Impulszüge nach Fig. 4 v/erden durch eine Steuersignalquelle 26 erzeugt, die aus bekannten logischen Elementen aufgebaut ist. Beispieisweise wird die Impulsform A leicht durch einen bekannten Rechteckoszillator der Frequenz nf erzeugt. Die Impulsform E wird bequem dadurch erzeugt, daß negative Impulse im Impuls zu A mit einem Zähler gezählt werden, der einen max. Zählstand von f hat, und in dem dieser max. Zählstand decodiert wird. Die negativen Übergänge der Impulsform E v/erden zur Triggerung von Monoflops oder monostabilen Vibratoren geeigneter Dauer verwendet, um die verbleibende Wellenform zu erzeugen.

Wie ersichtlich, tragen in Fig. 3 mehrere Komponenten gleiche numerische Bezeichnungen, jedoch sind über einen Bindestrich Zusätze angefügt, um die Identifikation zu ermöglichen. Wenn später Bezug auf eine derartige ganze Gruppe von Elementen genommen wird, wird nur die gemeinsame Vorziffer, beispielsweise die Schalter 32, erwähnt. Wenn sich der Bezug auf eine individuelle Komponente bezieht, erscheint die vollständige Bezeichnung, beispielsweise Schalter 32-1.

Wenn beim Betrieb der Schaltung ein Informationssignal als kontinuierliche Welle abgetastet werden soll, wird es an den Klemmen 30 und 31 angelegt. Es sei angenommen, daß zunächst

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alle Schalter 32 wegen der Steuerimpulse geschlossen sind, welche in ihrem hohen Zustand sind. Deshalb wird das Informationssignal überdie Schalter 32 an jeden der Kondensatoren 33 angelegt. Wenn die Schalter 32 eine niedrige Impedanz im eingeschalteten Zustand haben, ist die Spannung an den Kondensatoren 33 im wesentlichen gleich der Spannung des Informationssignals. Zur Zeit Null weist der Impulszug B in Fig. 4 einen negativen Übergang 40 auf. Dadurch wird der Schalter 32-1 geöffnet und die Ladung des Kondensators 33-1 gefangen. Die im Kondensator 33-1 gespeicherte Spannung ist gleich der Amplitude des Imformationssignals im Augenblick des Vorkommnisses 40 _? d.h., es wurde eine Abtastprpbe zur Zeit Null genommen. In ähnlicher Weise werden die Schalter 32-2 bis 32-(n-1) in Aufeinanderfolge jeweils geöffnet und speichern Abtastwerte des Informationssignals in Augenblicken entsprechend von Vielfachen ~, wenn T=^. Schließlich im Augenblick T (~~) wird der Schalter 32-n infolge der Impulsform E geöffnet, die einen negativen Übergang 42 zeigt, und der nt-Probewert wird im Kondensator 33-n gespeichert. Gleichzeitig zeigen alle anderen die Schalter steuernden Signale eine positive Planke. Daher werden alle Schalter 32-1 bis 32--(n~1) gleichzeitig geschlossen. Daher sind alle Kondensatoren 33 parallelgeschaltet und von dem Informationssignal getrennt. Die in den einzelnen Kondensatoren 33 gespeicherte Ladung wird ausgetauscht und in solcher Weise neu verteilt, daß der Mittelwert aller gespeicherten Probewerte über die parallelgeschalteten Kondensatoren 33

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ermittelt wird.

Gemäß der Erläuterung bei Fig. 3 bestehen die Schalter 32 und 35 aus Feldeffekttransistoren, die in der bekannten Weise als Übertragungsgatter betrieben werden, jedoch kann jede Art von steuerbarem Schalter zum gleichen Zweck verwendet werden. Die ¥erte der Kondensatoren 33 sind gleich und sollten groß genug sein, einen wesentlichen Fehler der gespeicherten Spannung infolge Ladungsverlust zu vermeiden. In der vorliegenden Ausführungsform dienen Kondensatoren von der Größenordnung von mehreren Picofarad, die bequemerweise auf dem gleichen Halbleiterplättchen wie die Schalter 32 aufgebracht sind, sehr gut diesem Zweck.

Der Feldeffekttransistor 25 wird in der bekannten Quellen-Folgerbetri'ebeweise mit einem Widerstand 34 als Quellenvorspannungswiderstand betrieben. Dies macht es erforderlich, daß der Drain-Anschluß an die' Betriebsspannungsquelle geführt ist, wie angezeigt. Der Transistor 25 dient lediglich als Pufferverstärker, um für eine Trennung der Kondensatoren 33 zu sorgen und dadurch deren Ladungsverlust zu verhindern. Dieser Transistor stellt außerdem eine relativ niedrige Impedanz an seinem Source-Anschluß dar.

Der Schalter 35 wird durch das Komplement des Impulszuges E, nämlich E, gesteuert, und zwar wird Έ aus E mittels eines

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nicht gezeichneten Inverters gewonnen. Der Schalter 35 wird deshalb beim Vorkommen der negativen Flanke des Impulszuges E geschlossen und wird wiederum beim Vorkommen der positiven Flanke geöffnet. Daher wird der Schalter 35 im Augenblick T

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T (-"5J-) geschlossen, wenn die Kondensatoren 33 alle parallel geschaltet sind. Daher wird der Kondensator 35 über die niedrige Impedanz des Source-Anschlusses des Transistors 25 auf den Mittelwert aller früheren Abtastungen, die in den Kondensatoren 33 gespeichert sind, aufgeladen. Wenn der Impulszug E eine positive Flanke zeigt, öffnet der Schalter 35 und die Ladung wird auf einem Kondensator 36 gefangen. Es ist somit ersichtlich, daß der Schalter 35 und der Kondensator 36 im Sinne einer Abtast- und Halte-Funktion zusammenarbeiten, und zwar bei der Frequenz f und für die zusammengesetzten Abtastwerte.

Ein Feldeffekttransitor 37 und ein Widerstand 38 arbeiten im Sinne eines Source-Folgers zusammen, der eine hohe Impedanz für den Kondensator 36 darstellt, um dessen Entladung zu verhindern, und .eine niedrige Impedanz am Punkt 39 zeigt. Das an dem Punkt niedrige Impedanz 39 erzeugte Ausgangssignal ist eine Folge von Abtastwerten bei der Frequenz f und wird während der vollen Zykluslänge bzw. dem Intervall T gehalten. Die Amplitude jeder dieser Abtastwerte ist gleich dem Mittelwert der vorherigen Abtastwerte, die bei der Frequenz nf genommen werden.

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Die Betrachtung der Impulsformen B, C, D und E zeigt, daß diese, beginnend mit dem Impuls 41,. periodisch zu T sind, d.h., das Verfahren wiederholt sich mit der Frequenz f.

Fig. 5 zeigt eine Schaltung einer Ausführungsform der Erfindung, bei der ein zusammengesetzter Abtastwart durch aufeinanderfolgende Speicherung von Ladung auf einem einzelnen Speicherkondensator erzeugt wird, und zwar von Probewerten, die bei der Frequenz nf genommen worden sind. Das Impulsdiagramm nach Fig. 6 mit gemeinsamer Zeitachse dient zur Erläuterung der Betriebsweise der Ausführungsform nach Fig. 5. Die Impulszüge nach Fig. 6 sind jeweils durch eine Buchstabenbezeichnung gekennzeichnet. Wo diese Buchstaben in der Schaltung nach Fig. erscheinen, sei angenommen, daß der entsprechende Impulszug an diesem Punkt in der Schaltung auftritt. Die Impulszüge F und G stellen binäre Steuersignale dar und dienen zur Steuerung von Schaltern. Die Buchstaben nahe dieser Schalter sollen andeuten, daß der hohe Pegel des jeweiligen Impulszuges das Schließen des betreffenden Schalters bewirkt. Die Wellenformen H bis K stellen kontinuierliche Werte dar und können deshalb als Analog-wellenforraeri bezeichnet werden.

Die Steuerimpulszüge F und G nach Fig. 6 können durch konventionelle Einrichtungen leicht erzeugt werden, beispielsweise der Impulszug F durch einen Rechteckgenerator 553 der Frequenz nf. Der Impulszug F wird an einen η-Zähler oder -Teiler 550 und einen Inverter i;:o angelegt, wodurch ein

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bei jedem nt-Zyklus der Wellenform F abgegeben wird. Hierzu eignet sich jeder entsprechende Zähler oder Teilungsnetzwerk für n. Der Inverter 555 ist von konventioneller Bauart und erzeugt das Komplement der Wellenform F. Die Aus gangs impulse des Zählers 550 und des Inverters 555 werden an ein UND-Glied 560 angelegt, welches einen Ausgangsimpuls mit hohem Pegel bei jedem nt-Zyklus der Wellenform F erzeugt, wenn diese Wellenform den niedrigen Pegel hat, wodurch die Wellenform bzw. der Impulszug G erhalten wird.

Aus der Betrachtung der Fig. 6 ist ersichtlich, daß die Betriebsweise der Einrichtung nach Fig. 5 periodisch mit Bezug auf T= j , wobei f die Geschwindigkeit darstellt, mit der zusammengesetzte Abtastwerte erzeugt werden. An typischer Betriebszyklus der Schaltung nach Fig. 5 beginnt zur Zeit Null. Zu dieser Zeit führen die hohen Werte der Impulszüge F und G zum Schließen der Schalter 515 bzw. 51 β. Dadurch wird der Kondensator 510 kurzgeschlossen und dieser entlad sich, wie durch die Wellenform I angedeutet, welche auf Null zur Zeit Null geht.

Ein Eingangssignal gemäß einer kontinuierlichen Welle (Wellenform H) liegt an Klemmen 500 und 501 an. Wenn der Impulszug F seinen hohen Wert unmittelbar nach der Zeit Null annimmt, wird der Schalter 505 geschlossen und das Eingangssignal wird an den Gate-Anschluß des FeldeffekttransiGtors 525 über den Schal-

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ter 505 und den Kondensator 510 angelegt. Der Transistor 525 und ein Widerstand 526 sind in der bekannten Quellen-Folger-Schaltung angeordnet und wirken hier als Pufferverstärker für das Signal, welches an dem Gate-Anschluß des Transistors 525 erscheint. Solange der Impulszug F in seinem hohen Zustand ist, ist der Schalter 530 geschlossen und das von dem Pufferverstärker aus Transistor 525 und Widerstand 526 gelieferte Signal lad den Kondensator 532 auf. Daher nimmt die Wellenform J, welche an dem Knotenpunkt 531 erscheint, die Werte des Eingangssignals an.

Wenn der Impulszug F seine niedrigen Wert hat, werden die Schalter 505 und 530 geöffnet und die Ladung wird auf dem Kondensator 532 gefangen. Der Kondensator 532 speichert demnach einen Abtastwert des Eingangssignals -im Augenblick, wenn der Impulszug F den niedrigen Wert hat. Wenn der Impulszug F den niedrigen Wert einnimmt, wird außerdem der Schalter 520 geschlossen, und auch der Schalter 521 schließt wegen des niedrigen Spannungswertes des Impulszuges G. Über den Kondensator 510 besteht deshalb kein Kurzschluß, v/eil der Impulszug G den niedrigen Wert hat. Deshalb wird der Kondensator 510 auf die Spannung am Kondensator 532 über den Pufferverstarker aus Transistor 535 und 536 aufgeladen, und zwar über den Ladeweg einschließlich der Schalter 521, 520, Kondensator 510,Schalter 515, Knotenpunkt 517 und eine Vorspannungsquelle. Deshalb nimmt die Wellenform I, die am Kondensator 510 mit der ange-

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deuteten Polarität erscheint, den Wert der gespeicherten Spannung des Kondensators 532 an.

Die Vorspannung an dem Knotenpunkt 517 ist gleich der Ruhespannung des Source-Anschlusses des Transistors 535. Dadurch werden die Schwellwertspannungen der Transistoren 525 und 535 ausgeschaltet und garantiert, daß die im Kondensator 510 gespeicherte Spannung gleich dem abgetasteten Wert des Eingangssignals wird.

Wenn der Impulszug F wiederum seinen hohen Wert einnimmt, öffnet der Schalter 520 und die Ladung wird, auf dem Kondensator 510 wegen der hohen Impedanz des Gate-Anschlusses des Transistors 525 gefangen. Daher speichert der Kondensator 510 den Abtastwert des Eingangssignal^. Gleichzeitig sehließen die Schalter 505 und 530 nochmals und der gespeicherte Abtastwert des Kondensators 510 wird in Serie mit dem Eingangssignal geschaltet. Demnach wird, der Kondensator 532 auf eine Spannung gleich dem Augenblickswert des Eingangssignals plus dem vorhergehenden Abtastwert aufgeladen, wie durch Wellenform J angezeigt. Wenn

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der Impulszug F zur Zeit -— wiederum das niedrige Potential annimmt, wird eine Spannung im Kondensator 510 gleich der Summe der bisherigen zwei Abtastwerte gespeichert.

Durch Fortführung des beschriebenen Verfahrens ist ersichtlich, daß der Kondensator 532 auf die kumulative Summe der Abtast-

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■vierte des Eingangs signals aufgeladen wird. Gerade vor der . Zeit P ist der Kondensator 532 auf eine Spannung gleich der Summe aller n-Abtastwerte aufgeladen, die seit der Zeit Null genommen wurden. Zur Zeit T nimmt der Impulszug F den niedrigen Wert an und öffnet die Schalter 505 und 530, wodurch die Aufladung des Kondensators 532 verhindert wird. Zusätzlich wird infolge dieses niedrigen Pegels des Impulszuges F 515 und 520 geschlossen. Zu? gleichen Zeit nimmt der Impulszug G den hohen Pegel ein und der Schalter 516 wird geschlossen Lind der Schalter 521 geöffnet. Das Öffnen des Schalters 521 hält den Aufladungsweg für den Kondensator 510 vom Transistor offen, da der Schalter 515 geschlossen ist,· und das Schließen des Schalters 516 bewirkt einen Kurzschluß des Kondensators 510, so daß dieser entladet und ein weiterer Betriebszyklus eingeleitet wird.

Eine weitere Konsequenz des hohen Pegels des Impulszuges G zur Zeit P ist das Schließen des Schalters 540, wodurch der Kondensator 541 auf die im Kondensator 532 gespeicherte Ladung über den Pufferspeicher aus Transistor 535 und Widerstand 536 und über den Schalter 540 aufgeladen wird. Wenn der Impulszug G nach der Zeit T den niedrigen Pegel annimmt, wird die Ladung im Kondensator 541 eingefangen und dieser Kondensator speichert eine Spannung gleich der Spannung, die im Kondensator 532 gehalten \rorden war. Wegen der hohen Impedanz des Gate-Anschlusses des Transistors 545 wird die im Kondensator 541 ge~

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speicherte Ladung dort gehalten, wenn der Schalter 540 öffnet, d.h., die Ladung wird bis zum Zeitpimkt gehalten, wenn der Impulszug G hochpeglig wird. Daher stellt der Schalter 540 und der Kondensator 541 ein Abtast- und Halte-Gatter dar.

Feldeffekttransistor 545 und der Widerstand 547 stellen einen Source-Folger dar, der ein Pufferverstärker für das am Kondensator 541 erscheinende Signal ist. ¥ie durch die Wellenform K angedeutet, weist das Ausgangssignal einen Lauf auf, der dem eines Abtast- und Halte-Gatters ähnlich ist, die bei der Frequenz f betrieben wird.

Es vrird darauf hingewiesen^ daß das Eingangssignal, die Wellenform H mit Bezug auf die max. Amplitude als normalisiert dargestellt worden ist. Die Wellenformen I, J und K zeigen wesentlich größere Amplituden, da sie als Addition der Abtastwerte der Wellenform H erhalten v/erden. In der Zeichnung jedoch wurden sie mit einem Faktor 1/n aus Zeichnungsgründen verkleinert. Da n-Abtastwerte der Wellenform H addiert werden und deren max. Viert = 1 ist, können die Wellenformen I, J und K eine max. Amplitude von η annehmen. Da die Wellenform K die Summe von n-Abtastwerten darstellt, wird der Mittelwert dieser Abtastwerte durch Division der Wellenform K durch η erhalten, Is ist somit ersichtlich, daß die Ausführungsform nach Fig. 5 eine Verstärkung von η mit Bezug auf die Ausführungsform nach Fig. 3 aufweist, welche den Mittelwert von η-Abtastungen erzeugt,

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Fig. 7 zeigt eine Schaltung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei welcher kumulative Aufladung eines Speicherkondensators "benutzt wird. Fig. 7 wird in Verbindung mit Fig. 8 erläutert, welche das Impulsdiagramm für die Ausführungsform nach Fig. 7 darstellt. Wie zuvor werden die Wellenformen nach Fig. 8 durch Buchstaben gekennzeichnet und die gleichen Buchstaben erscheinen in Fig. 7 als Anzeichen dafür, daß an der entsprechenden Stelle diese Wellenform angelegt wird, oder im Falle eines Schalters, daß die Wellenform zur Steuerung dieses Schalters benutzt wird. Die Signale F, G und H in der Schaltung nach Fig. 7 sind identisch mit den entsprechenden Signalen der Schaltung nach Fig. 5.

Die Steuerimpulszüge F, G und L nach Fig. 8 werden in bekannter Weise, beispielsweise wie bei Fig. 5 erläutert, erzeugt. Der Impulszug G wird an den Setzeingang eines bistabilen Flipflop 736 angelegt. Wenn ein Impuls im Impulszug G erscheint, wird das Flipflop gesetzt, der Q-Ausgang geht hoch und das UND-Glied 737 wird betätigt. Daher wird der nächste im Impulszug F erzeugte Impuls, der am UND-Glied 737 über die Leitung 739 angekoppelt ist, durch das UND-Glied hindurchgelassen und es wird ein Impuls des Impulszuges L erzeugt. Das NOR-Glied 735 erzeugt nur dann einen hohen Ausgangsimpuls, wenn beide Eingangsimpulse niedrig sind. Wenn der Impuls in dem Impulszug L vorkommt, ist der Impulszug G bereits niedrig. Da die rückwärtige Flanke des Impulses im Impulszug L der rückwärtigen

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Flanke des Impulses im Impulszug F entspricht, geht der Ausgangsimpuls des NOR-Gliedes 735 hoch, sobald der Impuls im Impulszug L verschwindet. Daher wird das Flipflop 736 rückgesetzt und der Q-Ausgang geht niedrig, wobei das UND-Glied 737 gesperrt wird und kein weiterer Impuls des Impulszuges F hindurchgelangt. Auf diese Weise wird eine Folge von Impulsen der Frequenz f mit dem Impulszug L erzeugt.

Ein Eingangssignal gemäß einer kontinuierlichen Welle (Wellenform H) liegt an den Knotenpunkten 700 und 701 an. Die im Impulszug F mit der Frequenz nf erscheinenden Impulse schliessen den Schalter 705 immer wieder, wodurch der Kondensator auf den Wert des Eingangssignals aufgeladen wird. Wenn das Signal F niedriggeht, öffnet der Schalter 705 und die Ladung des Kondensators 707 wird eingefangen, womit ein Abtastwert der Wellenform H gespeichert wird, und der Schalter 710 schließt sich, um den Kondensator 707 mit dem Knotenpunkt 711 zu verbinden.

Ein invertierender Spannungsverstärker 715 ist an dem Knotenpunkt 711 angeschlossen und dient zur Multiplikation des Wertes eines Nebenschlußkondensators 716. Dies macht sich bemerkbar, als wenn zwischen dem Knotenpunkt 711 und 701 ein effektiver Kondensator geschaltet wäre, der (A + 1) mal so groß wie der Kondensator 716 wäre, wobei A die Verstärkung des Verstärkers bedeutet. Wenn A groß ist und der PCondensator 707 und 716 den

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gleichen Wert aufweisen, ist dieser effektive Kondensator viel größer als der Kondensator 707.

Wenn das Signal F niedriggeht und der Schalter 710 geschlossen wird, erscheint der effektive Kondensator parallel zum Kondensator 707 und die Ladung wird zwischen diesen verteilt. Wenn A groß ist, wird eine vernachlässigbare Ladung von dem effektiven Kondensator aufgegeben und beinahe alle Ladung des Kondensators 707 wird aufgegeben. Wie mit Bezug auf Fig.8 ersichtlich, wenn der Impulszug F hochgeht, wird der Kondensator 707, die Wellenform M auf den Viert des Eingangs signals, die Wellenform H aufgeladen. Wenn der Impulszug F niedriggeht, wird das Eingangssignal abgetrennt und das Schließen des Schalters 710 bringt den Kondensator 707 dazu, im wesentlichen alle Ladimg an den effektiven Kondensator abzugeben. Dies wird durch die Tatsache unterstrichen, daß die Spannimg am Kondensator 707, die Wellenform M,auf Null geht und die Spannung am Kondensator 716, die Wellenform N, zunimmt.

Durch das gerade beschriebene Verfahren werden aufeinanderfolgende Abtastwerte des Eingangssignals auf dem Kondensaotr 707 eingefangen und dazu verwendet, Ladung im Kondensator 716 kumulierend aufzuspeichern. Nachdem η solche Abtastworto aufaddiert worden sind* geht der Impulszug G hoch. Wie der Schalter 540 und der Kondensator 541 nach Fig. 5, stellen der Schalter 720 und der Kondr-nsptor 721 ein Abtast- und Halte-Gatter

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dar, welches bei der Frequenz f arbeitet. Daher bewirkt der Impulszug G das periodische Abtasten und Halten der Wellenform N bei der Frequenz f. Der invertierende Pufferverstärker 725 nach bekannter Ausführungsform trennt den Kondensator vom Ausgangspunkt 730, um die Entladung des Kondensators zu verhindern. Das Ausgangssignal, die Wellenform K hat eine ähnliche Ausbildung, wie das Abtast- und Haltesignal bei der Frequenz f.

Es wird darauf hingewiesen, daß in obiger Beschreibung angenommen ist, daß die Verstärkung A des Verstärkers 715 groß genug istj die vollständige Entladung des Kondensators 707 zu' bewirken. Wenn diese Verstärkung nicht groß genug ist, tritt eine richtige Ladungsverteilung zwischen den Kondensatoren 707 und 716 ein mit der Folge, daß die erhaltene Wellenform N mit Bezug auf die Wellenform N in Fig. 8 gedämpft ist. Dies beeinträchtigt jedoch nicht die Filtereigenschaften der Einrichtung, sondern reduziert lediglich die Verstärkung der Einrichtung unterhalb des Wertes n, wie in Fig. 8 angenommen.

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Claims

BLUMBACH · WESER · BERGEN · KRAMER

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

Postadresse München: Palentconsult 8 München 60 Radedcestraße 43 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Postadresse Wiesbaden: Patentconsult 62 Wiesbaden Sonnenberger Straße 43 Telefon (06121)562943/561998 Telex 04-186237

WESTERN ELECTRIC COtIPANY,

INCORPORATED

NEVi YORK (N.Y.) U.S.A. Carbrey -

Patentansprüche

Verfahren zur Verarbeitung eines Analogsignals, deren

f obere interessierende Frequenz nicht ^ übersteigt, wobei das Analogsignal abgetastet wird, dadurch gekennzeichnet, daß nf-Abtastwerte pro Sekunde des Analogsignals vorgesehen sind (Fig. 8,Wellenform M)., wobei η eine ganze Zahl Größer 1 ist, und daß f Kombinationen pro Sekunde der Jeweiligen Abtastwerte aus η aufeinanderfolgenden Abtastwerten vorgesehen sind (Wellenform N).

2. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß jede Kombination jeder Abtastung unabhängig gespeichert wird (in 33-1), wobei n-

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München: Kramer · Dr. Weser · Hirsch — Wiesbaden: Blumbach · Dr. Bergen - Zwirner

Abtastungen in jeder Kombination beim Vorliegen der letzten Abtastung dieser Kombination miteinander vereinigt werden,

3. Verfahren nach Anspruch 1 ₉

dadurch gekennzeichnet, daß n-Abtastwerte (Wellenform M₅ ?ig. 3) für jede Kombination durch aufeinanderfolgende Akkumulation (bei 716) iron n aufeinanderfolgenden Abtastungen dieser Kombination miteinander vereinigt werden.

4. Schaltungsanordnung zur Verarbeitung eines Analogsignals _f

■p deren obere interessierende Frequenz nicht ^ übersteigt,

dadurch gekennzeichnet,

daß eine Abtasteinrichtung (z.B. Fig. 1% 705»707,710,715, 7*16υ720) für nf-Abtastwerte pro Sekunde des Analogsignals ':;·3?^esehen ist_ff uofeei a cane ganse Zahl Größer 1 ist, und idG.ß die Abtasteisiriehtung sur Lieferung f-Kombinationen pro Sekunde der jcrw-^iligen η aufeinanderfolgenden Abtastwerte eingerichtet lst_o

mg aaela Jmc^

L· gekenaäeieSraeir, €laß die iiLtas^- Hind !Combinations-SisriGlitusig (Figo 3) ein® Ktohrsalii vg-ώ Kondensatoren (33-1 bis 33=-a) zur Speicherung ^osi ^Gfroüs class unterschiedlisken Äbtastwertss jeder KonMaatiss imd eine Einrichtung ^32-1 ois 32=-(n-1)) zur lopplimg aller Kondensatoren im

Π Q S ζ Q / Γ? 1

ORfGiNAL INSPECTED

Nebenschluß f χ pro Sekunde aufweist, um die Kombinationen der Abtastwerte zu liefern.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, daß die Abtast- und Kombinations-Einrichtung (Fig. 5) erste und zweite Speicher (532,510) Koppeleinrichtung (525,530,526) zur Ankopplung an den ersten Speicher (532) eines Signals aufweist, welches für die Summe des zuletzt zurückliegenden Abtastwertes und des Inhalts des zweiten Speichers (510) repräsentativ ist, eine Koppeleinrichtung (535,536,521,520) zur Ankopplung an den zweiten Speicher (510) eines Signals, welches für den Inhalt des ersten Speichers (532) repräsentativ ist, und eine Leerungs-Einrichtung (516) für den zweiten Speicher (510) f χ pro Sekunde aufweist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, daß die Abtast- und Kombinations-Einrichtung (Fig. 7) einen ersten Speicher (707) zur Speicherung des gerade zurückliegenden Abtastwertes, einen zweiten Speicher (716), eine Übertragungs-Einrichtung (710) zur Übertragung an den zweiten Speicher (716) eines Signals, welches repräsentativ für den Abtastwert in dem ersten Speicher (707) ist, und eine Leerungs-Einrichtung (707) zur Leerung des zweiten Speichers f χ pro Sekunde aufweist.

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8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7_t dadurch gekennzeichnet_? daß die Übertragungs-Einrichtung einen Schalter (710) aufweist, der zur Verbindung des ersten Speichers (707) mit dem zweiten Speicher (716) nach Lieferung jeweils eines Abtastwertes vorgesehen ist, wobei die Liefereinrichtung einen invertierenden Verstärker (715) aufweist«, dessen Ein- und Ausgang jeweils mit dem Eingang bzw- Ausgang des zweiten Speichers (716) verbunden ist.

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