DE69414619T2

DE69414619T2 - Vorrichtung mit grossen Linearität der Begrenzung einer Eigenschaft eines Signals und Verwendung der Vorrichtung in einem Radarempfänger

Info

Publication number: DE69414619T2
Application number: DE69414619T
Authority: DE
Inventors: Dominique F-92402 Courbevoie Cedex Beaucourt; Daniel F-92402 Courbevoie Cedex Lemaire; Gilles F-92402 Courbevoie Cedex Wechsler
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1993-02-23
Filing date: 1994-02-18
Publication date: 1999-05-06
Anticipated expiration: 2014-02-19
Also published as: EP0613244B1; FR2702053B1; CA2116058A1; EP0613244A1; FR2702053A1; US5446463A; DE69414619D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine hochlineare Vorrichtung zur Begrenzung einer Eigenschaft eines Signals und insbesondere der Amplitude eines Radarsignals in einer hochlinearen Empfangskette.
Die Verwendung eines Begrenzers in den herkömmlichen Empfangsketten von Radarsystemen ist bereits bekannt.
Der Begrenzer hat zum Ziel, eine Begrenzungsfunktion für das empfangene Signal auszuführen, bevor dieses codiert wird, um zu verhindern, daß das Signal den maximal möglichen Codierungspegel überschreitet und dadurch eine numerische Sättigung und eine Beeinträchtigung des Codierers hervorruft. Diese Begrenzungsfunktion muß mit einer minimalen Verschlechterung der dynamischen und linearen Eigenschaften sichergestellt werden.
Die herkömmlichen Begrenzer besitzen eine Leistungsübertragungsfunktion, deren Verlauf durch die Kennlinie 1 in Fig. 1 dargestellt ist. In dieser Figur ist die Leistung Pe auf der Abszisse und die Leistung Ps auf der Ordinate eingetragen, die die Eingangs- und Ausgangsleistungen eines herkömmlichen Begrenzers des Standes der Technik wiedergegeben. Die maximale Codierungsschwelle Smax eines am Ausgang des Begrenzers vorgesehenen Codierers ist durch eine punktierte Linie dargestellt. Für den Begrenzer ist eine Begrenzungsschwelle Slim definiert, die die maximale Ausgangsleistung darstellt, die ein durch den Begrenzer geliefertes Signal haben kann. Diese Schwelle Slim liegt unter der Schwelle Smax, so daß nie die Gefahr der numerischen Sättigung besteht. Bis zu dieser Schwelle ist die Ausgangsleistung Ps eine lineare Funktion der Eingangsleistung Pe.
In einer herkömmlichen Empfangskette bleibt die Verschlechterung, die solche Begrenzer mit sich bringen, akzeptabel. Im Gegensatz dazu stellt die Verwendung der herkömmlichen Begrenzer in einer hochlinearen Empfangskette den Hauptnachteil dar, der im folgenden beschrieben wird:
Um die Dynamik des in der Empfangskette eingesetzten Codierers maximal auszunutzen, und dies, ohne die Sättigung zu riskieren, ist es zweckmäßig, das Eingangssignal des Begrenzer über dazwischengeschaltete vorhergehende Stufen möglichst nahe an den maximalen Codierungspegel Smax heranzuführen. Das Eingangssignal liegt somit sehr nahe an der Begrenzungsschwelle Slim.
Nun geschieht dies auf Kosten des Linearitätsverhaltens, das aufgrund eines sogenannten "Kleinsignal"-Betriebs, d. h. für Eingangssignale, die weit unter der Begrenzungsschwelle Slim liegen, nicht optimal ist.
Die Verwendung eines herkömmlichen Begrenzers zur Vermeidung einer numerischen Sättigung führt somit zu einer Inkompatibilität zwischen dem Wunsch nach optimaler Ausnutzung der Dynamik des Codierers einerseits und andererseits der Notwendigkeit, ein optimales Linearitätsverhalten zu erzielen.
Die vorliegenden Erfindung hat die Aufgabe, eine Begrenzungsvorrichtung zu schaffen, die die obengenannte Inkompatibilität nicht aufweist.
Genauer hat die Erfindung eine hochlineare Vorrichtung zur Begrenzung einer Eigenschaft eines Signals auf einen vorgegebenen Schwellenwert Smax zum Gegenstand, des Typs, der einen Begrenzer enthält, der an seinem Eingang das Signal empfängt und eine Begrenzungsschwelle Slim besitzt, wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß die Begrenzungsschwelle zwischen zwei vorgegebenen möglichen Werten Sh und Sb umschaltbar ist, die höher bzw. niedriger als der Schwellenwert Smax sind, und daß sie enthält:
- Meßmittel, die an ihrem Eingang das Signal empfangen und einen Meßwert ausgeben, der die Eigenschaft darstellt;
- Mittel zum Steuern des Umschaltens der Begrenzungsschwelle Slim zum Wert Sh, wenn der Meßwert kleiner als eine Vergleichsschwelle VH ist, und zum Wert, wenn der Meßwert größer als die Vergleichsschwelle ist, wobei die Vergleichsschwelle in der Weise bestimmt ist, daß die Eigenschaft des Signals niemals größer als der Schwellenwert Smax ist.
Außerdem hat die Erfindung die Verwendung der Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7 in einer hochlinearen Radarempfangskette zum Gegenstand, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung in Serie zwischen einen Empfänger, der an sie ein Radarsignal liefert, und einen Analog/Digital-Umsetzer geschaltet ist, dessen maximale Codierungsschwelle gleich dem Schwellenwert Smax ist.
Die Erfindung sowie deren Vorteile können anhand der folgenden, mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung ausgeführten Beschreibung besser verstanden werden, die insbesondere die Begrenzung der Amplitude eines Radarsignals in einer hochlinearen Empfangskette betrifft:
Fig. 1 zeigt den Verlauf der Leistungsübertragungsfunktion einer herkömmlichen Begrenzungsvorrichtung;
Fig. 2 ist ein Prinzipschaltbild für den Betrieb einer erfindungsgemäßen Begrenzungsvorrichtung;
Fig. 3 zeigt den Verlauf der Leistungsübertragungsfunktion der erfindungsgemäßen Begrenzungsvorrichtung;
Fig. 4 ist ein Zeitdiagramm, das die Auswirkung der Begrenzungsvorrichtung auf die Amplitude des Eingangssignals Se veranschaulicht;
Fig. 5 ist eine mögliche Ausführung einer erfindungsgemäßen Begrenzungsvorrichtung;
Fig. 6 zeigt die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Radarempfangskette.
Fig. 1 ist bereits beschrieben worden.
Fig. 2 zeigt das Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Begrenzungsvorrichtung 2 eines Signals. Sie setzt sich im wesentlichen aus einem Begrenzer 23, dessen Begrenzungsschwelle Slim regelbar ist, und aus einem Regelkreis zusammen, der aus Meßmitteln 20 für eine Eigenschaft des verarbeiteten Signals, z. B. für die Amplitude, und aus Steuermitteln 21, 22 gebildet wird, die die Begrenzungsschwelle des Begrenzers in Abhängigkeit von dem durch die Meßmittel 20 gelieferten Spannungswert Vd automatisch regeln.
Genauer wird in Abhängigkeit von diesem Spannungswert Vd die Begrenzungsschwelle Slim des Begrenzers 23 zu zwei möglichen vorgegebenen Werten Sh und Sb umgeschaltet, die über bzw. unter dem Schwellenwert Smax des Codierers liegen.
Solange das Signal Se am Eingang der Vorrichtung 2 eine Amplitude unter dem Schwellenwert Smax besitzt, verfügt der Begrenzer eine Begrenzungsschwelle über einen erhöhten Wert Sh. Der Begrenzer arbeitet somit im "Kleinsignal"-Betrieb, der ein optimales Linearitätsverhalten garantiert.
Solange umgekehrt die Meßmittel 20 eine Spannung Vd liefern, die ein Signal mit einer Eigenschaft repräsentiert, die zu hoch, in der Nähe der Codierungsschwelle Smax, liegt, senken die Steuermittel 21, 22 automatisch und in Echtzeit die Begrenzungsschwelle des Begrenzers 23 auf den zweiten Wert Sb ab. Der Codierer ist somit vor der Sättigung geschützt.
Gleichermaßen wird der Begrenzungspegel automatisch auf den Wert Sh angehoben, sobald das Eingangssignal hinreichend unter die Codierungsschwelle Smax fällt.
Das Umschalten der Begrenzungsschwelle bietet den Vorteil, das Signal nicht zu verfälschen, wie es bei einer Umschaltung der Fall wäre, die sich vor einem herkömmlichen Begrenzer mit einer Schwelle befindet und die Funktion hätte, zu verhindern, daß in den Begrenzer ein Eingangssignal eingeht, das nicht begrenzt werden muß; siehe z. B. Dokument US-3,988,694, das eine vor einem Begrenzer liegende Umschaltung beschreibt. Eine solche Umschaltung würde zudem das Vorsehen einer weiteren Leitungsführung für das Signal erfordern, um es dem Codierer zuzuleiten, ohne den Begrenzer zu durchlaufen.
Fig. 3 stellt eine Leistungsübertragungsfunktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Abhängigkeit vom Wert der Begrenzungsschwelle Slim dar.
Die obere Schwelle Sh wird hinreichend oberhalb der Codierungsschwelle Smax gewählt, in der Weise, daß die Vorrichtung im "Kleinsignal"-Betrieb arbeitet, solange das Eingangssignal nicht Gefahr läuft, eine Sättigung hervorzurufen. Wenn z. B. eine Linearität von 60 dB gewünscht ist, wird die obere Schwelle Sh vorzugsweise um 10 dB unter Smax gewählt. Die Linearität der Empfangskette wird somit nicht verschlechtert, und die gesamte Codierungsdynamik wird ausgenutzt.
Die untere Schwelle Sb wird ihrerseits hinreichend nahe der maximalen Codierungsstufe, z. B. 2 dB unter Smax, gewählt.
Die oben genannten Werte hängen selbstverständlich von den ermittelten Leistungen sowie von der verwendeten Technik ab.
Fig. 4 ist ein Zeitdiagramm, das den Verlauf des Signals Ss am Ausgang einer erfindungsgemäßen Begrenzungsvorrichtung zeigt, die ein Sinussignal Se veränderlicher Amplitude empfängt.
Während der Zeitintervalle T&sub1; und T&sub3; liegt die Amplitude des Signals Se unter der Codierungsschwelle Smax. Der Begrenzer besitzt eine Begrenzungsschwelle Sh, die die Linearität der Vorrichtung nicht verschlechtert. Das Ausgangssignal Ss stimmt mit dem Eingangssignal Se völlig überein.
Im Gegensatz dazu überschreitet im Zeitintervall T&sub2; die Amplitude des Signals Se den Wert Smax. Der Begrenzer wird folglich auf seine Begrenzungsschwelle Sb in der Weise umgeschaltet, daß er den Codierer nicht sättigt.
Fig. 5 ist ein nicht einschränkendes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Begrenzungsvorrichtung. Das betrachtete Eingangssignal Se ist z. B. ein analoges Höchstfrequenz-Radarsignal.
Zweckmäßigerweise erfassen die Meßmittel 20 die Amplitude des am Eingang des Begrenzers anliegenden Signals. Die Entscheidung der Begrenzerumschaltung für eine der zwei möglichen Begrenzungsschwellen geschieht durch Analyse des Werts Vd dieser erfaßten Amplitude. Vorzugsweise erfassen die Meßmittel 20 die Amplitude des Signals mit Hilfe eines logarithmischen Verstärkers 202, der über eine hohe Impedanz 201 ein Abgreifen des Signals ermöglicht, ohne die Höchstfrequenzleitung störend zu beeinflussen.
Die Entscheidung der Begrenzerumschaltung für eine der zwei möglichen Begrenzungsschwellen Sh, Sb geschieht mit Hilfe der Steuermittel 22 durch Vergleich des Werts Vd der erfaßten Amplitude mit wenigstens einer Vergleichsschwelle VH eines Komparators 220, der eine für den Vergleich repräsentative Spannung Vs liefert. Diese Schwelle VH wird durch den Wert einer Referenzspannung VREF und einen Widerstand 221 in der Weise geregelt, daß bei Anliegen eines Eingangssignals der Begrenzer auf seine obere Schwelle Sh eingestellt wird, um nicht Gefahr zu laufen, daß eine Sättigung hervorgerufen wird. In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 wird der Begrenzer 23 durch den Wert des Stroms i an seinem Steuereingang und indirekt durch den Wert der Spannung Vs am Ausgang des Komparators 220 stromgesteuert. Zu diesem Zweck sind die Steuermittel 22 zusätzlich zum Komparator 220 mit einer aus zwei Widerständen Rs und Rc und einer Versorgung Vc realisierten Stromsteuerung ausgestattet.
Solange der Wert Vd der erfaßten Amplitude unter der Schwelle VH des Komparators 220 liegt, liefert dieser eine kontinuierliche Spannung Vs und der Strom i am Eingang des Begrenzers 23 ist durch die Funktion
gegeben und entspricht der oberen Schwelle Sh des Begrenzers 23.
Sobald dieser Wert Vd die Schwelle VH des Komparators überschreitet, liefert dieser einen weiteren Spannungswert unter der Schwelle VH, z. B. null, und der Strom i läßt sich durch die Funktion
ausdrücken, die der unteren Schwelle Sb des Begrenzers 23 entspricht.
Mit dem Widerstand Rc und der Versorgung Vc kann hierbei der Wert der unteren Schwelle Sb geregelt werden und mit dem Widerstand Rs jener der oberen Schwelle Sh. Eine Diode 223 verhindert, daß der Strom, der durch den Widerstand Rc fließt, auch durch den Widerstand Rs fließt.
In dem in Fig. 5 gezeigten Beispiel für eine zweckmäßige Ausführung ist der Komparator 220 vorzugsweise ein Komparator mit Hysterese mit zwei Schwellen VH und VL, deren Werte in bekannter Weise durch die Widerstände 221, 222 und durch die Referenzspannung VREF bestimmt sind. Wenn die erfaßte Amplitude Vd die erste Schwelle VH überschreitet, kippt der Komparator und erzwingt die Umschaltung der Begrenzungsschwelle des Berenzers. Die Vergleichsschwelle des Komparators 220 wird somit auf den zweiten Wert VL, unter VH, in der Weise herabgesetzt, daß jeg liche unbeabsichtigte Umschaltung z. B. aufgrund von Schwankungen des Eingangssignals verhindert werden. Sobald die erfaßte Amplitude Vd unter die zweite Schwelle VL sinkt, wird der Begrenzer 23 wieder auf seine obere Begrenzungsschwelle Sh umgeschaltet. Der verwendete Begrenzer 23 kann ein handelsüblicher Begrenzer oder auch eine als Begrenzer eingesetzte Mischstufe des Typs Ring-Mischstufe sein.
Fig. 6 zeigt ein Anwendungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Begrenzungsvorrichtung, wie sie oben im Zusammenhang mit der Radarempfangskette beschrieben worden ist. Die Begrenzungsvorrichtung 2 ist hier zwischen einen herkömmlichen Höchstfrequenzempfänger 3 und ein Überlappungen unterdrückendes Filter 4, dem ein Analog/Digital-Umsetzer 5 folgt, in Serie geschaltet. Das Überlappungen unterdrückende Filter 4 hat die Funktion, die durch den Begrenzer erzeugten Harmonischen, wenn dieser auf seiner unteren Schwelle betrieben wird, zu unterdrücken.
Die erfindungsgemäße, in einer hochlinearen Empfangskette eingesetzte hochlineare Begrenzungsvorrichtung ermöglicht somit in optimaler Weise, die gesamte Dynamik des Codierers auszunutzen, wobei die Linearitätseigenschaften minimal verschlechtert werden.

Claims

1. Hochlineare Vorrichtung (2) zur Begrenzung einer Eigenschaft eines Signals auf einen vorgegebenen Schwellenwert Smax, des Typs, der einen Begrenzer (23) enthält, der an seinem Eingang das Signal empfängt und eine Begrenzungsschwelle Slim besitzt, wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß die Begrenzungsschwelle zwischen zwei vorgegebenen möglichen Werten Sh und Sb umschaltbar ist, die höher bzw. niedriger als der Schwellenwert Smax sind, und daß sie enthält:

- Meßmittel (20), die an ihrem Eingang das Signal empfangen und einen Meßwert ausgeben, der die Eigenschaft des Signals darstellt;

- Mittel (21, 22) zum Steuern des Umschaltens der Begrenzungsschwelle Slim zum Wert Sh, wenn der Meßwert kleiner als eine Vergleichsschwelle VH ist, und zum Wert Sb, wenn der Meßwert größer als die Vergleichsschwelle ist, wobei die Vergleichsschwelle in der Weise bestimmt ist, daß die Eigenschaft des Signals niemals größer als der Schwellenwert Smax ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßmittel (20) eine Erfassung der Amplitude des Signals ausführen und einen Wert Vd liefern, der die erfaßte Amplitude darstellt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßmittel (20) aus einer das Signal abgreifenden hohen Impedanz (201) und aus einem den Wert Vd ausgebenden logarithmischen Verstärker (202) gebildet sind.

4. Vorrichtung nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel einen Komparator (220) enthalten, der wenigstens eine Schwelle besitzt, die die Vergleichsschwelle VH darstellt, und der eine Spannung Vs ausgibt, deren Wert je nach Vergleichsergebnis unterschiedlich ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsschwelle VH in der Weise geregelt wird, daß die Begrenzungsschwelle Slim des Begrenzers (23) zum Wert Sh umgeschaltet wird, solange die Eigenschaft des Signals kleiner als der Schwellenwert Smax ist.

6. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 4 oder S. dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel außerdem eine Stromsteuerung enthalten, die aus zwei in Serie geschalteten Widerständen Rs und Rc hergestellt sind und an ihrem freien Ende mit einer Spannung Vs bzw. mit einer Versorgung Vc gespeist werden, wobei der Steuerstrom zwischen den zwei Widerständen abgegriffen wird.

7. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator (220) ein Komparator mit Hysterese ist, der eine zweite Vergleichsschwelle VL, die niedriger als VH ist, hat.

8. Verwendung der Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7 in einer hochlinearen Radarempfangskette, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (2) in Serie zwischen einen Empfänger (3), der an sie ein Radarsignal liefert, und einen Analog/Digital-Umsetzer (5) geschaltet ist, dessen maximale Codierungsschwelle gleich dem Schwellenwert Smax ist.