DE2518611C2 - Filter für Loran-C-Signalimpulse - Google Patents

Description

Den nachfolgenden Betrachtungen liegen in erster Linie die Probleme des Empfangs von Loran-C-Signalen zugrunde. Zunächst muß die Bandbreite des Empfängerfilters breit genug sein, um die Boden- und Raumwellen-HF-Impulssignale nicht so zu verschmieren, daß sich ein Fehler bezüglich der erwarteten Ankunftszeit des Bodenwellensignals ergibt, der durch Veränderungen des durch Mehrwegeempfang hervorgerufenen Echos erzeugt wird. Andererseits muß das Filter aber schmaibandig genug sein — und in einigen Fällen ausreichend steile Flanken aufweisen —. um Nahinterferenzen dicht benachbarter Frequenzen zu eliminieren. Wenn beispielsweise die Trägerfrequenz kHz beträgt, kann ein anderer Sender, der für ein weiteres Nävigationssystem arbeitet, ein Interferenzsignal von {30 kHz aussenden, das um 30 bis 40 dB oder mehr herabgesetzt werden muß. Nach einer dritten Überlegung müssen andere frequenzmäßig weit abgele^ gene Dienste — wie beispielsweise der Funkverkehr des Schiffes, das den Navigationsempfänger trägt, der auf einer Frequenz vorgenommen werden mag, die swanzigfach größer ist als die 100 kHz-Frequenz — bezüglich ihrer Signalamplitude sehr stark (vorzugsweise mehr als 100 dB) herabgesetzt werden, da der Sender räumlich dicht benachbart ist

Das Filtersystem eines Loran-C-Empfängers sollte daher einen ausreichend breitbandigen Empfang zulassen, um nicht Boden- und Raumwellensignale miteinander zu verschmieren. Es muß bezüglich der benachbarten Frequenzbereiche schmaibandig genug sein, um eine im selben Frequenzband gelegene Interferenz, die von einem im selben Teil des Frequenzspektrums arbeitenden weiteren Navigationsssystem herrührt, wirksam zu eliminieren. Weiterhin müssen störende Signale, die an Bord für einen völlig anderen Zweck erzeugt werden, um ca. 120 dB herabgesetzt werden. Schließlich soll da.* Filtersystem darüber hinaus auch durch Differentiations- und ähnliche Schaltungen im Empfänger selbst erzeugtes hochfrequentes Rauschen reduzieren.

Ein bekanntes Loran-C-Filtersystem, wie es beispielsweise im Sperry Gyroscope Manual HB-13-0003, July 1966, AN/ARN 85 beschrieben ist, enthält ein dreipeü ges synchron abstimmbares Filter mit einer Mittenfrequenz von 100 kHz für Loran-C-Betrieb und einer Bandbreite von 23 kHz. Diese Bandbreite wurde gewählt um eine Auflösung der durch Verzögerung hervorgerufenen Zeitdifferenz zwischen Boden- und Raumwelle bis her.A zu 30 Mikrosekunden zu ermöglichen. Es wurde so entworfen, daß die Störung durch ein Raumwellensignal, dessen Pegel um 30 dB über dem des Bodenwellensignals liegt, bei einer so kurzen Verzögerungszeit wie 30 Mikrosekunden nicht mehr als '/«> der Amplitude der dritten Schwingung — hergeleitet aus der Raumwelleninl'ormation — ausmacht Nach höheren Frequenzen hin fällt die Filterdurchlaßkurve gleichmäßig ab. Die Steigung beträgt dabei 18 dB pro Oktave, worauf bei einem Vergleich mit dem Ausführungsbeispiel weiter unten noch eingehender Bezug genommen werden soll. Das Signal fällt damit bei den Frequenzen, die je 11,5 kHz von 1·'Ό kHz entfernt sind, um 3 dB ab. Die um 11,5 kHz weiter entfernt liegenden Signale werden um 21 dB, die bei 144 kHz um weitere 18 dB gedämpft etc. Bei wesentlich höheren Frequenzen, wie beispielsweise 2 oder 3 MHz, ist die Filterdämpfung ausreichend, um das Signal eines jeden an Bord befindlichen VHF-Senders ausreichend zu unterdrucken, so daß schädliche Interferenzen mit den empfangenen Loran-Signalen ausgeschlossen sind. Einer der Hauptnachteile einer derartigen Lösung des Problems der Filterung der Loran-C-Signale ergibt sich aber aus der Tatsache, daß ein Filter, dessen Übertragungscharakteristik im Hinblick auf die schädli rhen Auswirkungen der Raumwellen, die allerdings nur für verhältnismäßig k eine Zeiträume auftreten — wie zuvor dargestellt — ausgelegt wurde, die beim Betrieb mit 73,83.113 oder 12'9 kHz auftretenden Interferenzen nicht hinreichend unterdrücken kann. Eine Decca-Fre· quenz von 129 kHz aus einer Entfernung von 5 Meilen erscheint am Ausgang des Filters mit einem Pegel, der um 3OdB über dem eines aus 1000 sm Entfernung aufgenommenen Loran-C-Signals liegt, wobei das dem Filter eigene Durchlalßverhalten bei 129 kHz größer ist als es für eine angemessene Raümwellen-Bodenvvellen' Auflösung eigentlich notwendig Wäre. Unglücklicher^ weise Üegt dieses Problem in dem glockenförmigen (Besselfunktions-) Verlauf in Abhängigkeit von der Frequenz dieser synchron abstimmbaren Filter selbst

begründet, so daß unter den oben genannten Betriebsbedingungen nur ein Kompromiß angestrebt werden kann.

Eine weitere bekannte Lösung dieses Problems enthält ein Filter mit sehr steilen Flanken, wie beispielsweise der Litton LRN 101 Navigationsempfänger, der der U. S. Coast Guard ungefähr im Juni 1971 vorgeschlagen wurde und im LRN 101-Manual beschrieben ist. Eine derartige Filtercharakteristik wird ebenfalls noch weiter unten im Vergleich mit dem ι ο Ausführungsbeisp'f' behandelt werden. Sie verläuft im oberen Teil flach mit einer 3 dB-Bandbreite, die der des vorgenannten, bekannten Filtersystems angenähert ist und ungefähr 20 kHz beträgt. Die Flanken fallen wegen der großen Zahl von Polen des Filters steil ab, die Verzögerung und Verschnnerung von Boden- und Raumwellensignalen verursachen jedoch bei diesem Filter eine Störung, die weit oberhalb der 35 dB des vorgenannten Filtersystems liegt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Filter anzugeben, das in der Lage ist. Signale, die nicht benachbart innerhalb desselben Frequenzbandes, als auch solche, die zwar frsquenzrnäßig abgelegen aber dafür räumlich aus sehr kurzer Entfernung aufgenommen werden, hinreichend zu unterdrücken.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Als überraschender Vorteil der Erfindung hat sich herausgestellt, daß durch eine bestimmte Filterkombination alle oben dargestellten Probleme gleichzeitig gelöst werden, ohne daß dabei einer der genannten Nachteile auftritt. Insbesondere wurde gefunden, daß durch die Verwendung eines ersten — vorzugsweise elliptischen — Filters mit begrenzter Polzahl, dessen Verhalten bei rechtwinkligen Sprungfunktionen bekannt ist, um eine gute Flankenselektion zu erzielen, bei Zugrundelegung nur weniger Pole mit verhältnismäßig breiter Mittenfrequenz kein wesentliches Verschmieren der unverzögerten und der verzögerten Impulse auftritt. Dieses Filter bewirkt zusammen mit einem weiteren Filter, das ebenfalls eine begrenzte Polzahl aufweist (vorzugsweise 1 veipolig synchron), deren Charakteristik gleichfalls breitbandig ist, aber einen glockenförmigen (Besselfunktions-) Verlauf des Filterverhalten ergeben mit einem allmählichen Amplitudenabfall in Richtung von der Mittenfrequenz weg, ein kombiniertes Verhalten mit minimalem Verschnieren, angemessener Unterdrückung von innerhalb des Ban.des gelegenen Interferenzen und einer Weitabselektion, die eine verbesserte Brauchbarkeit hei der Anwendung in Verbindung mit Loran-C und anderen navigatorischen Verfahren ermöglicht.

Da die Verzögerung eines Filters durch die Steigung des Phasenveiiaufs der Filtercharakteristik bestimmt wird, weist ein elliptisches Filter, bei dem die Steigung des Phasenverlaufs im Bereich der Mittenfrequenz naturgemäß relativ klein ist. eine weitgehend verzerrungsfreie (Jbertragung der Signalanteile in der Nähe der Mittenfrequenz bei «ehr kleiner Verzögerung auf. Es kann deshalb ein elliptisches Filter unter der Bedingung benutzt werden, daß seine Bandbreite groß ist im Vergleich mit der zu übertragenden Bandbreite. Diejenige Anteile des Signalimpülses, welche Weiter Vom engen Bereich um die Mittenfrequenz entfernt liegen, werden jedoch durch das elliptische Filterverhaiten einer sehr großen Phasendrehung unterworfen, woraus eine größers Verzerrung und Verzögerung resultiert Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, daß, wenn ein elliptisches Filterverhalten linear mit einer glockenförmigen Besselfunktiun (bzw. einem synchron abgestimmten oder ähnlichen Filtertyp) in der dargestellten kritischen Weise überlagert wird, das elliptische Filter eine ausreichende Bandbreite ermöglicht, um das Signal ohne Verzerrung und Verzögerung durchzulassen, während der Durchgang des Signals durch das Bessel- oder ähnliche Filter, das eine ausreichende Bandbreite aufweist, um die Zeitverzögerung vernachlässigbar zu machen, ein Über-alles-Verhalten ermöglicht, bei dem trotz der steilen Flankenselektivität des elliptischen Filters keine Verschmierung von Raum- und Bodenwelle auftritt Gleichzeitig ermöglicht die Filterkombination durch die große Dämpfung der weit außerhalb liegenden Frequenzen, infolge des Bessel- oder ähnlichen Filters, eine große Weitabselektion, wiederum ohne nennenswerte Verzögerung, die ein Verschmieren von Raum- und Bodenwelle bewirken würde.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem Ausführungsbeispiel für die Erfindung, das im Folgenden anhand !er Zeichnung näher erläutert werden soll. Es zeigt

F i g. 1 ein Diagramm mit dem Amplitudenverhalten eines erfindungsgemäßen Filters, aufgetragen über der Frequenz, sowie das entsprechende Verhalten uer genannten bekannten Filt-ersysteme und

F i g. 2 ein Blockdiagramm eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Filters.

In Fig. 1 erstreckt sich das Spektrum einer Loran-C-HF-Impulsübertragung beiderseits der 100 kHz Mittenfrequenz, wobei die ansteigende Impulsflanke (vor dem Auftreten von Echos) Anteile enthält, die um weniger a!s 35 dB abgesenkt und wenigstens 10 kHz von der Mittenfrequenz entfernt sind. Die zuerst beschriebene bekannte Lösung (Kurve 1) ist zwar insoweit geeignet, als sie nicht die von der Empfangsantenne hereinkommenden Anteile beeinflußt, da bei einer um 1OkHz von dem 100 kHz-Träger abgelegenen Frequenz die Filterkurve noch kaum abgefallen ist. Sie leidet allerdings darunter, daß keine ausreichende Unterdrückung der oben genannten anderen Signalquellervorgenommen wird, wobei es sich insbesondere um Interferenzen handelt. Die andere bekannte Lösung (Kurve 2) eliminiert zwar zuverlässig frequenzmäßig nahegelegene Interferenzsignale, aber das Amplitudenübertragungsverhalten fällt bei ca. 90 kHz so steil ab, daß eine verzerrungsfreie Übertragung dieses Teils der Loran-Seitenbänder nicht gewährleistet ist. Weiterhin ist die Verzerrung bei 80 kHz für diese Seitenbänder bereits so erheblich, daß die Impulse anschließend nicht mehr für Periodenauswahl- oder ähnliche Schaltungen brauchbar sind. Darüber hinaus ist die Unterdrückung der zwanzigfachen Arbeitsfrequenz unzureichend.

Mittels C¹Cs erfindungsgemäßen Filters ergibt sich jedoch ein resultierender Verlauf (Kurve 3). der in gewisser Weise die Vorteile des Verhaltens dt." beiden bekannten Lösungen in sich vereinigt, ohn; mit deren Nachteilen behaftet zu sein. Um diesen Verlauf zu erhalten, ist jedoch ein ihnen gegenüber vollständig anderes Vorgehen unj eine andersartige Abstimmung erforderlich. D.e linear überlagerte Kurve 3 läßt sich nicht durch eine einfache Kombination der be'den bekannten Filtersysteme erreichen. Insbesondere wird bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel eine begrenzte Anzahl von Polen (in diesem Fall drei) dem Entwurf des elliptischen 30 khz.-Breitbandfilters A (Fig.2) zügrundegelegt, um für ein vorgegebenes auszunutzen-

des Band eine minimale Phasenverzerrung zu erhalten. Dabei ergibt sich gleichzeitig eine Unterdrückung von Signalen anderer Quellen um 35 bis 40 dB, wobei einige außengelegene Decca-Frequenzen, wie beispielsweise 73 und 129 kHz eingeschlossen sind, wie es schematisch aus dem rechtwinkligen sprungfunktionsarligen Verlauf der Filtercharakteristik gemäß Kurve 4 hervorgeht. Das Verhalten zeigt einen ebenen Bereich mit im wesentlichen konstanter, großer Amplitude und einer Bandbreite, die diesen 30 kHz entspricht, sowie einer Mittenfre^ quenz entsprechend der Trägerfrequenz von 100 kHz. Die Flanken fallen innerhalb von wenigen Kilohertz bei etwa 85 und 115 kHz steil ab, um die Seitenbandfrequenzen zu unterdrücken. Oberhalb von 115 kHz und unterhalb von 85 kHz ergibt sich die genannte große Dämpfung von 35 bis 4OdB. Damit unterscheidet sich der Verlauf beträchtlich von dem des bekannten steilflankigen Filters gemäß Kurve 2.

Durch die Erweiterung der Bandbreite des Filters A auf ungefähr 30 kHz ergibt sich im interessierenden Band ein Phasenverhalten mit einer hinnehmbaren kleinen Verzerrung. Das Verhalten des Filters A (Kurve 4) allein leidet aber unter der Tatsache, daß die Unterdrückung von Signalen mit weit abgelegener Frequenz von dicht benachbarten Nachrichtensendern auf demselben oder einem in der Nähe befindlichen Schiff für nichtnavigatorische Funkdienste (bei beispielsweise 2 oder 3 MHz) unzureichend ist.

Aus F i g. 2 ist ersichtlich, wie das elliptische Filter A, dessen Eingang 6 mit dem Ausgang des Navigationsempfängers verbunden ist mittels eines Verstärkers 11 linear mit einem zweipoligen synchron abgestimmten Filter B (Kurve 5 in Fig. 1) kombiniert ist. Zwei getrenntere einen Pol bildende Filter Si und Bj, die über einen weiteren Verstärker 12 miteinander verbunden sind, sind so abgestimmt, daß sie einen glockenförmigen, im wesentlichen einer Bessel-Funktion entsprechenden Verlauf der Übertragungscharakteristik (Kurve 5 in Fig. I) erhalten. Es ist bemerkenswert, daß die Bandbreite (bei 3 dB Abfall) des Filters B (Kurve 5) geringfügig größer ist als die des Filters A (Kurve 4), wobei sie so gewählt ist. daß keine nennenswerte Verzerrung des interessierenden Bandes von 80 bis 12C kHz hervorgerufen wird. Die Bandbreite beträgt vorzugsweise 40 kHz. Das zweipolige Filter B hat als Filter mit begrenzter Polzahl eine größere Bandbreite als das Filter bekannter Bauart gemäß Kurve 1. um sicherzustellen, daß Impulse des interessierenden Bandes von 80 bis 120 kHz nicht verzerrt werden. Die Charakteristik des Filters B gemäß Kurve 5 in F i g. 1 weist eine Amplitude bei der Mittenfrequenz auf. die geringfügig über der des Filters A (Kurve 4) liegt und außerhalb dieser Kurve 4 gleichmäßig abfällt, sich dieser bei den Frequenzwerten von ca. 85 und 115 kHz annähert und entsprechend einer zunehmenden Dämpfung weiter abfällt, wobei sie die Kurve 4 im Bereich ihrer oberhalb von 115 kHz und unterhalb von 85 kHz gelegenen Abschnitte konstanter Dämpfung zu schneidet.

Mittels dieser Kombination von Filtern und ihrer entsprechenden kritischen justierung ergibt sich ein resultierendes Filierverhalten gemäß Kurve 3 mit einem anfänglichen symmetrischen glockenförmigen Abfall zu beiden Seiten der Mittenfrequenz, einem anschließenden Steilabfall, entsprechend dem Verlauf der Kurve 4, Und eitlem abflachenden Bereich großer Dämpfung jeweils zu den weiter abliegenden Frequenzen hin. Auf diese Weise ergibt sich eine angemessene Trennung zwischen Boden- und Raumwellen bei 30 Mikrosekunden Verzögerung und gleichzeitig eine Unterdrückung der weit abliegenden Frequenzen räumlich nahegelegener starker Sender mit ca. 120 dB Dämpfung sowie auch eine Beseitigung der im äußeren Teil des Bandes (z. B. bei 73 und 129 kHz) gelegenen Decca-Frequenzen.

Bei dem in F i g. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel eines Filters wird eine Obersteuerung der Verstarker ii und 12 dadurch vermieden, daß das dreipolige elliptische Filter A möglichst weit vorn im Signalweg angeordnet ist. um Interferenzsignale zu beseitigen, bevor sie in den Verstärkerstufen in der Amplitude heraufgesetzt werden können. Es ist weiterhin als notwendig angesehen worden, eine Anzapfung nach dem ersten, einen Pol des abgestimmten Synchronfilters B bildenden Filterteil B\ vorzusehen, an die eine Hulllcu.-vendifferenzierschaltung 13 angeschlossen ist. Aus dieser gelangt aber ein beträchtlicher Rauschanteil (dargestellt durch den Pfeil 7) in den Selektionsvorgang, da eine Differenzierschaltung in erster Linie ein hochfrequentes Bauelement ist. Zur Lösung des sich daraus ergebenden Problems wurde ein weiteres abgestimmtes Polfilter B% gleicher Bauart mit der Hüllkurvendifferenzierschaltung 13 verbunden, wodurch die Hüllkurven- oder Periodenselektion des Empfängers wesentlich verbessert wurde. Es ist dabei notwendig, daß das weitere Polfilter Bj hinsichtlich seiner Bandbreite und Verzögemngszeit auf das Polfilter B-j abgestimmt ist. so daß die kohärenten Sample-Triggerimpulse, die für einen Phasen- und einen Hüllkurvenregelkreis benötigt werden, miteinander korreliert sind. Die über Ausgänge 8 und 9 angeschlossenen nachfolgenden Schaltungen und weitere Empfängereinzelheiten sind nicht dargestellt, da sie nicht Teil der Erfindung sind. Weiteres dazu kann den vorgenannten Veröffentlichungen entnommen werden. Geeignete Schaltungen für elliptische und synchron abgestimmte Filter finden sich in »Simplified Modem Filter Design« von P. R. Geffe. Hayden Book Co, 1963 und »Reference Data For Radio Engineers«. 5. Auflage. H. W. Sams and Company Ina of International Telephone and Telegraph Company, 1968.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Filter for Loran-C-Signalimpulse zur Unterdrückung dem Nutzfrequenzband benachbart einfallender Störsignale und Unterdrückung frequenzmä-Big weitab, jedoch mit gegenüber dem Nutzsignal großer Feldstärke einfallender Störsignale, gekennzeichnet durch eine Serienschaltung zweier verschiedenartiger Filter (A, B), von denen das eine Filter (A) eine Durchlaßkurve (4) aufweist, die zu beiden Seiten der Mittenfrequenz der Signalimpulse über einem vorgegebenen Frequenzband einen im wesentlichen konstanten ersten Wert hat und an den Grenzen dieses Frequenzbandes sprunghaft relativ weit steil auf einen zweiten Wert abfällt, den sie in den sich oberhalb und unterhalb davon anschließenden Frequenzbereichen beibehält, und von denen das andere Filter (B) eine Durchlaßkurve (5) aufweist, die im wesentlichen glockenförmig ist und eine 3-dB-Bandbreiie aufweist, die wenigstens geringfügig größer als jene des ersten Fiuers (A) ist, und das weitab von der miitenfrcqucnz jeweils eine Dämpfung aufweist, die größer als die des ersten Filters (A) in dessen Bereichen großer Dämpfung ist

2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittenfrequenz ungefähr 100 kHz, die Bandbreite des ersten Filter« (A) ungefähr 30 kHz und die des weiteren Filters (B) ungefähr 40 kHz beträgt.

3. Filter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Filter (A) ein elliptisches ^cilter mit begrenzter Polzahl und das weitere Filter (B) ein synchron abgestimmtes Bessel-Funkfions-Filter mit begrenzter Polzahl ist

4. Filter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das elliptische Filte. dreipolig und das synchron abgestimmte zweipolig ist

5. Filter nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß nach einem ersten einpoligen Filterteil (B\) des zweipoligen synchron abgestimmten Filters (B) eine Anzapfung vorgesehen ist, mit der eine Differenzierschaltung (13) und ein weiteres synchron abgestimmtes Polfilter (B₂') verbunden ist, das dein zweiten Filterteil (ß?)des Filters fßjentspricht.