DE3725107A1

DE3725107A1 - Adaptives, nichtlineares frequenzbereichsfilter mit geringem phasenverlust

Info

Publication number: DE3725107A1
Application number: DE19873725107
Authority: DE
Inventors: Michael Surauer; Helmut Bittner
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1987-07-29
Filing date: 1987-07-29
Publication date: 1989-02-16
Also published as: DE3725107C2; FR2618960B1; FR2618960A1; US4954732A; JPH0775301B2; JPS6444616A

Description

In der Nachrichtentechnik, Meßtechnik, Signalverarbeitungs- und Regelungstechnik stellt sich immer wieder die Forderung nach Trennung von Nutz- und Störsignalen. In den meisten Fällen können die gestellten Anforderungen durch Einsatz bekannter passiver oder aktiver linearer Filter wie Tiefpaß-, Hochpaß-, Bandpaßfilter und dergleichen erfüllt werden. Je nach Ordnung und Wahl ihrer Einstellparameter, etwa nach den Regeln von Butterworth, Tschebyscheff oder Bessel können damit in bekannter Weise bestimmte Eigenschaften ihrer Amplituden/Frequenzcharakteristiken, z. B. bezüglich Restwelligkeit im Durchlaßbereich, Abfallsteilheit zum Sperrbereich und so weiter erzeugt werden. In ebenfalls bekannter Weise ist mit der Wahl der Amplitudenkennlinie auch gleichzeitig ein zugehöriger Phasenverlauf eindeutig festgelegt, wobei der Phasenverlust mit zunehmender Frequenz auch mit der Filterordnung und Abfallsteilheit zum Sperrbereich wächst und insbesondere auch im Nutzbereich nicht vernachlässigbar ist. Bei Anwendungen solcher Filter in rückgeführten Systemen wie Regelkreisen, phasenstarren Schleifen (phase locked loops) und dergleichen wirkt sich der mit dem gewünschten Amplituden-/Frequenzverlauf verbundene Phasen-/Frequenzverlauf häufig ungünstig auf andere unverzichtbare Forderungen wie Stabilität und Signal-/Rauschverhältnis aus.

Die Erfindung hat sich nun die Aufgabe gestellt Filtereinrichtungen zu schaffen, die diese starre Regel der Verkopplung von Amplituden- und Phasengang der linearen Filter durchbrechen, d. h. diesen insbesondere für den jeweiligen Anwendungsfall bezüglich Phasenverlust günstiger gestalten und darüber hinaus noch in der Lage sind sich automatisch an wechselnde Betriebsbedingungen, vor allem bezüglich Schwankungen von Störsignalanteilen anzupassen.

Dies wird erfindungsgemäß durch lineare Übertragungsglieder in Verbindung mit einem nichtlinearen Übertragungselement, einem Totzoneglied erreicht, dessen Nullpunkt (N) proportional zum Ausgangssignal eines Durchlaßbereichsfilters (f _D (t)) nachführbar ist, dem das zu filternde Eingangssignal (f₁(t)) direkt zuführbar ist und zu dessen Ausgangssignal (f _T (t)) das zur Nullpunktverstellung dienende Signal addierbar ist. Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung des Erfindungsgedankens sollen auch die Beträge der Ansprechschwellen (d₁, d₂) des Totzonegliedes zwischen vorgegebenen unteren und/oder oberen Grenzwerten kontinuierlich oder in diskreten Schritten anpaßbar sein.

Nachfolgend sollen die wesentlichen Merkmale der Erfindung ausgehend vom Stand der Technik (Fig. 1a, 1b) anhand von Ausführungsbeispielen (Fig. 2-6) näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1a die Eingangs-/Ausgangskennlinie eines normalen, nicht anpaßbaren Totzonegliedes,

Fig. 1b ein Funktionsschaltbild für die Realisierung einer Totzonecharakteristik nach Fig. 1,

Fig. 2a ein Funktionsschaltbild für die Realisierung eines Totzonegliedes, dessen Eingangs-/Ausgangscharakteristik (Fig. 1a) in seinem Nullpunkt verschiebbar, d. h. anpaßbar ist,

Fig. 2b ein Funktionsschaltbild für die Realisierung eines adaptiven Totzonegliedes, bei dem der Betrag symmetrisch zum Nullpunkt liegender Ansprechschwellen (d₁=d₂=d) anpaßbar ist,

Fig. 2c ein Funktionsschaltbild für die Realisierung eines adaptiven Totzonegliedes bei dem wahlweise der Nullpunkt des Totzonebereiches und/oder der Betrag symmetrisch zum Nullpunkt liegender Ansprechschwellen (d₁=d₂=d) über Anpaßsignale verändert werden kann,

Fig. 3a eine schematische Darstellung eines adaptiven, nicht linearen Frequenzbereichsfilters gemäß der Erfindung,

Fig. 3b eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Filters nach Fig. 3a,

Fig. 3c eine Erweiterung der Erfindung nach den Fig. 3a und 3b zur Verbesserung des dynamischen Verhaltens im Zwischenfrequenzbereich,

Fig. 4a eine schematische Darstellung eines doppelt adaptiven, nichtlinearen Frequenzbereichsfilters gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung,

Fig. 4b eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen doppelt adaptiven Frequenzbereichsfilters nach der Fig. 4a,

Fig. 4c eine zusätzliche Erweiterung des doppelt adaptiven Filters nach den Fig. 4a und 4b zur dynamischen Verbesserung des Zwischenfrequenzbereichs gemäß Fig. 3c,

Fig. 5a, 5b und 5c Ausführungsbeispiele eines doppelt adaptiven, nichtlinearen Frequenzbereichsfilters nach den Fig. 4a, 4b und 4c,

Fig. 6a den Amplituden-Frequenzgang eines erfindungsgemäßen Tiefpaßfilters nach den Fig. 5a und 5b,

Fig. 6b den Phasenfrequenzgang eines erfindungsgemäßen Tiefpaßfilters nach den Fig. 5a und 5b.

Wie bereits erwähnt enthält das erfindungsgemäße, nichtlineare Frequenzbereichsfilter als wesentliches Element ein adaptives Totzoneglied. In Fig. 1 ist zunächst die Übertragungskennlinie eines gewöhnlichen Totzonegliedes wiedergegeben. Ein solches Element ist in seinen Übertragungseigenschaften dadurch definiert, daß es bei Eingangsgrößen, die betragsmäßig unterhalb bestimmter vorgegebener Schwellwerte (d₁, d₂) liegen kein Ausgangssignal liefert, die Schwellwerte überschreitende Anteile der Eingangssignale jedoch in ihrer Frequenz und Phase unverändert, in ihrer Amplitude allerdings um den Schwellwertbetrag verringert widergibt. Seine mathematische Funktionsdefinition unter Berücksichtigung der richtigen Vorzeichen der Schwellwerte (d₁ 0, d₂ 0) lautet:

Bei Realisierung der Totzone als Algorithmus in einer programmierbaren, digitalen Elektronik gibt diese mathematische Funktionsdefinition unmittelbar die Rechenvorschrift an. Für die Grenzwerte (d₁=d₂=0) geht das Totzoneglied in ein lineares Übertragungselement mit der Übertragungsfunktion "1" über.

Fig. 1b zeigt eine mögliche gerätetechnische Realisierung eines herkömmlichen Totzonegliedes mit festen Ansprechschwellen (d₁, d₂) unter Verwendung von Operationsverstärkern (101, 102), Rückführpotentiometern (103, 104) und Dioden (105, 106). Für die positive Ansprechschwelle (d₂) ist der Einstellwert eines Potentiometers (104) maßgebend, das zwischen dem Ausgang eines invertierenden Operationsverstärkers (101) und einer festen, positiven Referenzspannung (+U _R) liegt und dessen Abgriff über eine bezüglich der anliegenden Referenzspannung in Sperrichtung geschaltete Diode (106) direkt, d. h. ohne Vorwiderstand auf den Eingang (G) dieses ersten Operationsverstärkers (101) zurückgeführt ist. Beide Operationsverstärker (101, 102) sind, was in Fig. 1b nicht eigens gezeigt ist, in ihren mit "1" bezeichneten, invertierenden Eingängen durch entsprechende Vor- und Rückführwiderstände als einfache Summierverstärker geschaltet. Für positive Eingangssignale (x) unterhalb der Ansprechschwelle (d₂) sperrt die Diode (106) und das (negative) Ausgangssignal (-y) bleibt 0, da sich die beiden gleich großen Signale (x) am Eingang des zweiten Operationsverstärkers (102) über die direkte Verbindung einerseits, sowie über den Umkehrverstärker (101) andererseits gerade aufheben. Wenn die Eingangsgröße (x) des Totzonegliedes den Schwellwert (d₂) gerade erreicht, liegt am Ausgang des ersten Operationsverstärkers (101) der invertierte Wert (-d₂) an und bewirkt, daß das Potential am Abgriff des angeschlossenen Potentiometers (104) gerade durch 0 geht, wodurch die dort angeschlossene Diode (106) leitend wird und den Rückführwiderstand des Operationsverstärkers (101) kurzschließt. Dadurch bleibt auch für höhere Eingangssignale (x-d₂) das Ausgangssignal des ersten Operationsverstärkers (101) konstant auf dem negativen Schwellwert (-d₂) stehen und wird im nachgeschalteten zweiten Operationsverstärker (102) vom Eingangswert subtrahiert. Für negative Eingangssignale (x) des Totzonegliedes ergeben sich analoge Verhältnisse unter Berücksichtigung des über ein zweites Potentiometer (103) eingestellten Schwellwertes (d₁) und einer daran angeschlossenen Diode (105). Einfache, jedem Fachmann geläufige Überlegungen zeigen, daß die gewünschten Schwellwerte (d₁, d₂) bei folgenden Einstellwerten der Potentiometer (104, 105) realisiert werden:

Pot. 103: P₃=d₁/(d₁+U _R)
Pot. 104: P₄=d₂/(d₂+U _R) (2)

Abweichungen von dieser Einstellregel sind durch die unvermeidlichen Anlaufstrombereiche der Dioden (103, 104) bedingt und können durch eine konstante, für die verwendete Diodenart typische Potentialverschiebung berücksichtigt werden. Liegen die Ansprechschwellen symmetrisch zum Nullpunkt des Totzonegliedes (d₁=d₂=d) so lautet die Einstellregel für beide Potentiometer (103, 104) dementsprechend:

P=d/(d+U _R) (3)

Gemäß der Erfindung soll nun der Nullpunkt des Totzonegliedes (N in Fig. 1a) und damit die gesamte Eingangs-Ausgangskennlinie mittels eines Anpaßsignals anpaßbar, d. h. bei gleichbleibenden Abständen der Schwellwerte (d₁, d₂) vom Nullpunkt bezüglich des Eingangssignals (x) veränderbar sein, was sich zum Beispiel durch eine entsprechende Veränderung der Referenzspannung (U _R) erreichen läßt. Fig. 2a zeigt eine entsprechende Anordnung die aus Fig. 1b durch Erweiterung um zwei Operationsverstärker (107, 108) zur Erzeugung der Referenzspannung (U _R) hervorgeht. Bei fest eingestellten Werten der Potentiometer (103, 104) ergeben sich die zur Erhaltung der gewünschten Schwellwerte (d₁, d₂) erforderlichen Eingangsgrößen für diese zusätzlichen Operationsverstärker durch einfache Umformung aus Gleichung (2) als:

d₁=P₃ *U _R/(1-P₃)
d₂=P₄ *U _R/(1-P₄) (4)

oder bei symmetrischen Schwellwerten (d₁=d₂=d) und entsprechend Potentiometereinstellungen (P₃=P₄=P) als

d=P *U _R/(1-P) (5)

Eine Parallelverschiebung der Ansprechschwellen und damit auch des Nullpunktes (N) der Eingangs-/Ausgangskennlinie um einen Anpaßwert (Δ N) wird wie in Fig. 2a gezeigt, in einfacher Weise durch Addition eines in gleicher Weise wie die Schwellwerte (d₁, d₂) skalierten Signals (Δ N) über die zusätzlichen Operationsverstärker (107, 108) bewerkstelligt.

Wie bereits erwähnt, sollen im Rahmen einer weiteren, sehr vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens auch die Beträge der Ansprechschwellen des Totzonegliedes zwischen vorgegebenen unteren und/oder oberen Grenzwerten anpaßbar sein, wobei die unteren Grenzen im Extremfall auch Null werden können. Für den vereinfachten Fall symmetrisch zum Nullpunkt des Totzonegliedes liegender Schwellwerte (d₁=d₂=d) zeigt:

- Fig. 2b ein gegenüber Fig. 2a derart abgewandeltes Schaltungsschema, daß eine, über ein geeignetes Anpaßsignal steuerbare Änderung des Schwellwertbetrages ermöglicht wird und
- Fig. 2c in schematischer Darstellung eine Anordnung welche die adaptiven Einstellmöglichkeiten der Fig. 2a und 2b kombiniert.

Wie aus den genannten Abbildungen bei Kenntnis der im Zusammenhang mit Fig. 1b und 2a erläuterten Wirkungsweise ohne weiters hervorgeht ist zu den erfindungsgemäßen Erweiterungen lediglich eine andere Verschaltung der zusätzlichen Operationsverstärker (107) und (108) erforderlich. Ebensowenig bedarf eine Realisierung verschiedener, unsymmetrisch zum Nullpunkt gelegener anpaßbarer Schwellwerte (d₁, d₂) keiner weiteren Erklärungen. Es erübrigt sich auch zu erwähnen, daß Totzoneglieder mit den vorgenannten adaptiven Merkmalen auch auf andere Art, und teilweise sogar besser wie z. B. unter Verwendung von Komparatoren und Schalttransistoren statt der beschriebenen Dioden realisiert werden können.

Fig. 3a zeigt nun den grundsätzlichen Aufbau eines nichtlinearen adaptiven Filters gemäß der Erfindung. Demnach wird ein zu filterndes Eingangssignal (f₁(t)) in parallelen Zweigen einmal dem Eingang des bereits beschriebenen anpaßbaren Totzonegliedes (301) und einem Durchlaß-Frequenzbereichsfilter (302) zugeführt. Das Ausgangssignal (f _D (t)) dieses Durchlaßbereichsfilters wird sowohl in das Totzoneglied zur Verstellung seines Nullpunktes (N) um einen Anpaßwert (Δ N) als auch in eine Summierstelle (303) eingeführt, welche dieses Signal (f _D (t)) mit dem Ausgangssignal (f _T (t)) des Totzonegliedes additiv zum Filterausgangssignal (f₂(t)) verknüpft. Zur Erläuterung der Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Filters sei angenommen, daß die Aufgabe darin besteht ein niederfrequentes Nutzsignal einer Amplitude (A) und einer Frequenz (Ω) von einem hochfrequenten Störsignal einer anderen Amplitude (a) und anderen Frequenz (ω) zu befreien, d. h. aus einer Zeitfunktion der Form

f₁(t)=A *sin(Ωt)+a *sin(ω t) (6)

den Nutzsignalanteil zu gewinnen. Das Durchlaßbereichsfilter muß in diesem Fall als z. B. linearer Tiefpaß ausgeführt werden mit einer Bandbreite (ω _B) die zwischen Nutz- und Störsignalfrequenz liegt:

Ω < ω _B < ω (7)

Das im Nullpunkt-Anpaßzweig gebildete Verstellsignal (f _D (t)) wird im wesentlichen die Form haben

f _D (t)=A₁ sin (Ωt+ϕ)+ε (t) (8)

wobei sich dieses Signal vom Nutzsignal in Amplitude und Phase im Durchlaßbereich des Filters nur wenig unterscheidet (A₁≅A, ϕ≅0) und der im Sperrbereich des Tiefpasses liegende Störsignalanteil e (t) vernachlässigbar ist. Berücksichtigt man die Wirkung der Nullpunktverschiebung des Totzonegliedes mit der Funktion (f _D (t)) so wird am Ausgang des Totzonegliedes ein Signal erscheinen von der Form:

Dabei ist wieder das richtige Vorzeichen der Schwellwerte (d₁ 0, d₂ 0) zu beachten.

In der nachfolgenden Summierstelle (303) wird gemäß Fig. 3a dem Ausgangssignal des adaptiven Totzonegliedes (f _T (t)) das zur Nullpunktanpassung dienende Nachführsignal (f _D (t)) überlagert zum Ausgangssignal der Form

f₂(t)=f _T (t)+f _D (t) (10)

Nimmt man der Einfachheit halber an, daß die Schwellwerte des Totzonegliedes symmetrisch zum Nullpunkt liegen (|d₁|=|d₂|=d) so ergibt sich als Ausgangssignal des Filters

Zum Verständnis der Funktion werden nun die drei wesentlichen Frequenzbereiche, nämlich Durchlaßbereich, Sperrbereich und Übergangs- oder Zwischenfrequenzbereich des Nullpunkt-Anpaßzweiges betrachtet:

Im Durchlaßbereich des hier betrachteten Beispieles, d. h. im Bereich niedriger Frequenzen folgt die Nullpunktnachführung des Totzonegliedes praktisch fehlerfrei dem Nutzsignalverlauf und bewirkt damit seine Unterdrückung im Totzoneglied (301). Dieser fehlende Signalanteil am Ausgang des Totzonegliedes wird jedoch im nachfolgenden Summierglied (303) über den Anpaßzweig wieder hinzugefügt. Die Totzone (der Breite ±d) "reitet" damit gewissermaßen auf der Nutzsignalamplitude und unterdrückt alle additiv überlagerten hochfrequenten Störsignalanteile, gleichgültig welcher Frequenz, soweit sie nur außerhalb des Frequenzbereichs des Nullpunktanpaßzweiges liegen und die Beträge ihrer Amplituden die Totzonebreite (d) nicht überschreiten. Ist insbesondere die Störamplitude bekannt und die Totzonebreite danach angepaßt so wird die Totzone durch das hochfrequente Signal vollständig ausgefüllt und bewirkt damit gleichzeitig eine weitgehende Linearisierung der nichtlinearen Eingangs-/Ausgangskennlinie des Totzonegliedes nach der Art eines sogenannten Dithersignals. In der Praxis werden allerdings die Störsignalanteile häufig aus einem Frequenzgemisch, insbesondere auch Rauschanteilen, bestehen, von denen bestenfalls Spektralverteilungen oder statistische Mittelwerte bekannt sind. Die Totzonebreite wird dann zweckmäßigerweise auf solche statistischen Mittelwerte wie quadratischen Mittelwert, Varianz (σ), und/oder Vielfache davon z. B. den sogenannten 2σ- oder 3σ -Wert eingestellt. In diesem Fall wird zwar keine vollständige Unterdrückung der Störsignalanteile, wohl aber eine erhebliche Verbesserung der Signalrauschverhältnisse erzielt.

Treten bei einem so abgestimmten nichtlinearen Filter gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung kurzzeitige Änderungen des Eingangssignals auf, so werden diese im Filter-Hauptzweig (Fig. 3a) ohne Phasenverschiebung über das Totzoneglied unmittelbar und ohne Verzögerung zum Ausgang weitergeleitet, da der Anpaßzweig solchen Änderungen nicht zu folgen vermag, und der Nullpunkt des Totzonegliedes unverändert bleibt. Diese Änderungen spiegeln sich im Ausgangssignal allerdings nur im Mittelwert der den Totzonebereich überschreitenden hochfrequenten Signalanteile wieder, was zu einer kurzzeitigen, nur in der Übergangsphase bis zum Nachlaufen des Anpaßzweiges wirksamen Verschlechterung der Signalrauschverhältnisse führt, nach Einstellung des stationären Zustandes jedoch wieder verschwindet. Solche Verhältnisse treten insbesondere dann auf, wenn über geeignete Kommandos gewünschte Änderungen der Betriebsbedingungen oder Arbeitspunkte in ein das erfindungsgemäße Filter enthaltendes System eingegeben werden. Ähnliche Verhältnisse wie im Zusammenhang mit kurzfristigen Änderungen des Arbeitspunktes beschrieben gelten auch im Übergangsbereich des Nullpunkt-Anpaßzweiges. Eingangssignale, deren Frequenz zwischen Durchlaßbereich und Sperrbereich des im Nullpunktanpaßzweig angeordneten Frequenzbereichsfilters liegen erleiden eine Amplituden- und Phasenänderung und führen damit zu einem entsprechenden Fehler in der Nullpunktnachführung des adaptiven Totzonegliedes. Dessen ungeachtet wird jedoch das Filtereingangssignal (f₁(t)) über das phasenunempfindliche Totzoneglied (301) und die nachfolgende Summierstelle (303) zum Filterausgang (f₂(t)) durchgeleitet. Um dies einzusehen, denke man sich vorübergehend den Totzonebereich durch entsprechende Wahl der sie steuernden Signale (Fig. 2b, 2c) gleich Null gesetzt. Unter bezug auf Fig. (3a) und die sie beschreibende Gleichung (11) entartet das Totzoneglied dann zu einer streng linearen Eingangs-/Ausgangskennlinie, deren Nullpunkt über den Anpaßzweig mittels eines Signals (f _D (t)) verschiebbar bleibt. Damit entfällt auch die getroffene Unterscheidung negativer und positiver Amplitudenbereiche und die beschreibende Gleichung (11) erhält die Form

f₂(t)=f₁(t)-f _D (t)+f _D (t)=f₁(t) (11a)

d. h., daß das Filterausgangssignal (f₂(t)) für jedes beliebige Nullpunkt-Verstellsignal (f _D (t)) mit dem Eingangssignal (f₁(t)) in Amplitude und Phase identisch bleibt. Bei Vorhandensein einer Totzone zur Unterdrückung unerwünschter Signalanteile werden demgegenüber im betrachteten Zwischenfrequenzbereich Amplituden- und Phasenabweichungen des Nullpunkt-Verstellsignals (f _D (t)) gebenüber dem Filtereingangssignal (f₁(t)) dazu führen, daß die an sich zu unterdrückenden, den Totzonebereich im wesentlichen ausfüllenden Störsignale die Ansprechschwellen (d₁, d₂, d) überschreiten und ihr durch den Gleichrichtereffekt der Totzone - Charakteristik entstehender Mittelwert mit guter Näherung das unverzögerte Eingangssignal widerspiegelt. Je nach Art des Signalspektrums im betrachteten Zwischenfrequenzbereich treten für diese Signale mehr oder weniger geringfügige Amplitudenverzerrungen und Restanteile nicht unterdrückter hochfrequenter Störsignale auf, deren letztere im Bedarfsfalle durch zusätzlich nachgeschaltete Filter weiter abgeschwächt werden können.

Fig. 3b zeigt in schematischer Darstellung eine andere Möglichkeit die mit der Nullpunktverschiebung des Totzonegliedes erzielbaren erfindungsgemäßen Wirkungen zu erzielen. In diesem Fall wird die durch Nullpunktverschiebung der Eingangs-/Ausgangskennlinie eines Totzonegliedes bedingte Wirkung dadurch erreicht, daß einem gewöhnlichen, nicht anpaßbaren Totzoneglied (300) die in einem vorgeschalteten Summierglied (304) gebildete Differenz zwischen Filtereingangssignal (f₁(t)) und einem in einem Nullpunkt-Anpaßzweig über ein Durchlaßbereichsfilter (302) gebildeten Signal (f _D (t)) zugeführt wird. Obwohl sich im allgemeinen lineare und nichtlineare Schaltkreiselemente nicht ohne Auswirkungen auf die Wirkungsweise eines Schaltkreises vertauschen lassen, ist diese Maßnahme im vorliegenden Fall mit der Realisierung einer Nullpunktverschiebung des Totzonegliedes entsprechend den Ausführungsbeispielen (Fig. 2a, 2c) völlig identisch und kann z. B. wahlweise dann eingesetzt werden, wenn sich damit eine Verringerung des Realisierungsaufwandes erzielen läßt.

Fig. (3c) zeigt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung, die dazu dient das Übertragungsverhalten im Zwischenfrequenzbereich weiter zu verbessern. Dies wird durch Einschalten eines Zwischenfrequenzfilters (305) zwischen dem Ausgang des Durchlaßbereichsfilters und dem die Nullpunktverschiebung der Totzone bewirkenden Summierglieds (304) erreicht. Unerwünschte Amplituden- und Phasenänderungen, hervorgerufen durch das Durchlaßbereichsfilter können damit weitgehend wieder korrigiert und gleichzeitig eventuelle Amplitudenverzerrungen der Eingangs-/Ausgangskennlinie, die von der Wirkung der Totzone herrühren weiter linearisiert werden. Es ist offensichtlich, daß die Übertragungseigenschaften des Zwischenbereichsfilters auf das Durchlaßbereichsfilter abgestimmt sein müssen und daher beispielsweise bei Ausbildung des letzteren als Tiefpaß insbesondere Amplitudenüberhöhung bzw. Phasenvorhalt bildende Zwischenbereichsfilter wie Hochpässe, Bandpässe und Vorhaltglieder geeignet sind.

Wie jedem Fachmann geläufig, lassen sich alle linearen Übertragungsglieder die zur Erläuterung des Erfindungsgedankens getrennt ausgewiesen und in ihrem Einfluß zum erfindungsgemäßen Zweck diskutiert worden sind durch lineare Umformungen in äquivalente Schaltungen und Netzwerke umrechnen lassen. Dies trifft insbesondere für das Durchlaßbereichsfilter (302), das Zwischenfrequenzfilter (305) und die Verknüpfung des Nullpunkt-Anpaßsignals mit dem Eingangssignal im Summierglied (304) zu.

In der Praxis tritt nun häufig der Fall auf, daß sich die Signalverhältnisse insbesondere bezüglich ihrer Störanteile abhängig von den jeweils gerade herrschenden Betriebs- und Umweltbedingungen, wie z. B. Temperaturschwankungen, Alterungserscheinungen und dergleichen verändern. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Erfindungsgedankens kann erreicht werden, daß die Güte der Störunterdrückung trotz betriebsbedingter Änderungen des Störpegels hinsichtlich Amplituden und spektraler Verteilung erhalten bleibt. Solche vorteilhaften Eigenschaften eines nichtlinearen Filters der vorstehend beschriebenen Art werden erfindungsgemäß dadurch sichergestellt, daß die Beträge der Ansprechschwellen des Totzonegliedes durch einen zusätzlichen adaptiven Eingriff in Abhängigkeit von Signalen verändert werden, die aus dem Filtereingangssignal durch Mittelwertbildung über alle, innerhalb eines oder mehrerer ausgewählter Frequenzbereiche des Störspektrums liegenden Signalanteile gewonnen werden. Die Anpassung kann kontinuierlich oder in diskreten Schritten erfolgen. Bei Auftreten nur sehr langzeitig wirksamer Schwankungen der Störungen kann die Verstellung der Schwellwerte natürlich auch extern und evtl. von Hand vorgenommen werden.

Fig. 4a zeigt das Prinzipschaltbild eines verbesserten Filters der genannten Art. Das nichtlineare, weitestgehend phasentreue Frequenzbereichsfilter nach Fig. 3a ist dabei erweitert um einen Schwellwert-Anpaßzweig, der wie der Nullpunktanpaßzweig vom Filtereingangssignal (f₁(t)) gespeist wird und dessen Ausgangssignale (f₄₁(t)), (f₄₂(t)) dazu benutzt werden, die Ansprechschwellen (d₁, d₂) des im Hauptzweig des Filters liegenden Totzonegliedes (401) zu verschieben beispielsweise in der in Fig. 2b oder 2c gezeigten Weise. Der zusätzliche Anpaßzweig selbst besteht aus einem Sperrbereichsfilter (403), einem Mittelwertbildner (404), einem Formfilter (405), einer Aufschaltfunktion (406) und eventuell einem Totzoneglied (407) bekannter Art (z. B. nach Fig. 1b) mit fest vorgegebenen Ansprechschwellen.

Ein lineares Frequenzbereichsfilter (403) das hier zur Unterscheidung als "Sperrbereichsfilter" bezeichnet werden soll, dient zur Festlegung der Frequenzgrenzen, innerhalb derer eine Anpassung der Totzone im Totzoneglied des Hauptzweiges erfolgen soll. Vorzugsweise werden hier Hochpaßfilter, Bandpaßfilter, aber auch Tiefpaßfilter und je nach Anwendungsfall Kombinationen der genannten Filterarten in geeigneter Serien- und/oder Parallelschaltung eingesetzt. Für die Mittelwertbildung (404) kommen alle Schaltungen oder Bauelemente in Frage, die geeignet sind, aus dem Frequenzgemisch am Ausgang der Sperrbereichsfilter (403) von Null verschiedene Mittelwerte oder Gleichanteile zu bilden, wie beispielsweise Einweggleichrichter, Doppelweggleichrichter, Spitzenwertgleichrichter, sowie gerade Potenzen ihres Eingangssignals bildende Funktionselemente, wie Quadrierer und dergleichen.

Im nachfolgenden Formfilter (405) des Schwellwert-Anpaßzweiges gemäß Fig. 4a wird das Ausgangssignal des Mittelwertbildners geglättet, bzw. es werden Signalanteile für die Schwellwertanpassung ungeeigneter, z. B. hoher Frequenzen unterdrückt, wozu sich Tiefpaßfilter erster und höherer Ordnung oder Bandsperren in besonderem Maße eignen.

Durch die Aufschaltfunktion (406) des Anpaßzweiges wird festgelegt nach welchem funktionalen Zusammenhang die Ansprechschwellen des Totzonegliedes im mittleren Hauptzweig des Filters angepaßt werden sollen. Im einfachsten Fall kann es sich dabei um lineare Verstärkungskennlinien mit Ausgangssignalbegrenzung handeln, wobei die Begrenzung sicherstellt, daß keine unerwünscht großen Erweiterungen des Totzonebereichs und damit verbundene Signalunterdrückung im Durchlaßbereich auftreten können. Im allgemeinen werden jedoch geeignete, auf die Charakteristik der Mittelwertbildung abgestimmte, nichtlineare Verstärkungskennlinien, wie z. B. inverse quadratische Kennlinien entsprechend Quadratwurzelfunktionen, logarithmische Kennlinien oder - Funktionen und dergleichen zweckmäßiger sein, um den jeweiligen Anforderungen gerecht zu werden. In vielen Fällen empfiehlt es sich erfindungsgemäß, der Aufschaltfunktion ein Totzoneglied (407) mit unveränderlichen Ansprechschwellen (Fig. 1b) nachzuschalten zur Unterdrückung der unvermeidbaren Restwelligkeit des Schwellwert-Anpaßsignals, sowie um eine definierte untere Grenze der Schwellwertanpassung sicherzustellen. Insbesondere kann durch eine unsymmetrische Aufschaltfunktion und/oder Totzoneglieder mit betragsmäßig verschiedenen links- bzw. rechtsseitigen Schwellwerten und/oder Verstärkungen im hier betrachteten Anpaßzweig eine dementsprechend unsymmetrische Verstellung der Ansprechschwellen im Totzoneglied (401) des Filterhauptzweiges erreicht werden.

Aus den Ausführungen zu den Fig. (3a) und (3c), insbesondere was die Phasentreue der Filterübertragung bei Totzonebreite 0 bzw. kleinen Werten auch in den Zwischenbereichen anbelangt, wo das Durchlaßbereichsfilter bereits Amplituden- und Phasenveränderungen des Nutzsignals aufweist, geht hervor, daß für das Übertragungsverhalten des nichtlinearen Frequenzbereichsfilters die Einsatzflanke des Amplitudenabfalls im wesentlichen dort ansetzt, wo der Schwellwert-Anpaßzweig den Totzonebereich zur Unterdrückung der Störsignalamplituden zu öffnen beginnt. Liegt dieser Einsatzpunkt bei Frequenzen, die wesentlich höher liegen als die Bandbreite des Durchlaßbereichs für die Nullpunktverstellung, so bleibt die phasentreue Übertragung auch bis zu dieser Frequenz gewährleistet.

Fig. 4b zeigt wiederum eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen, erweiterten, nichtlinearen Filters, bei dem in einer bereits mit Fig. 3b beschriebenen Weise die Nullpunktanpassung des Totzonegliedes durch eine Differenzbildung zwischen Eingangssignal (f₁(t)) und Nullpunkt-Verstellsignal (f _D (t)) in einem Summierglied (304) vor dem Eingang des Totzonegliedes ersetzt ist.

In Fig. (4c) ist das Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen nichtlinearen, erweiterten adaptiven Filters gezeigt, bei dem zur weiteren Verbesserung des dynamischen Verhaltens und Kompensation von Amplitudenverzerrungen im Übergangsbereich ein Zwischenfrequenzfilter (305) vorgesehen ist, dessen Funktion und Übertragungsmerkmale bereits im Zusammenhang mit Fig. 3c beschrieben wurden.

Fig. 5a zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen nichtlinearen Frequenzbereichsfilters geringen Phasenverlustes in seiner erweiterten, doppelt adaptiven Form. In Übereinstimmung mit den Erläuterungen zur Funktionsweise einer ersten Ausführungsform der Erfindung nach den Fig. 3a und 3b wurde im Nullpunktanpaßzweig ein Tießpaßverhalten angenommen, das im vorliegenden Fall durch ein gewöhnliches Tiefpaßfilter zweiter Ordnung mit einer Filterzeitkonstante (T₁) und einer Dämpfung (ζ₁) sichergestellt wird. Im Schwellwert-Anpaßzweig sind zur Verdeutlichung der mit den Fig. (4a) und (4b) beschriebenen Funktionseigenschaften die einzelnen Schaltkreiselemente ebenfalls in Form von Übertragungsfunktionen bzw. Eingangs-/Ausgangskennlinien dargestellt. Danach besteht der Anpaßzweig aus einem linearen Hochpaß zweiter Ordnung (403) als Sperrbereichsfilter, einem Quadrierer (404) zur Mittelwertbildung, einem zweifachen, linearen Tiefpaß erster Ordnung (405) als Formfilter, einer Ouadratwurzelbildung (406) als Aufschaltfunktion und einem nachfolgenden Totzoneglied (407) mit unveränderlichen Ansprechschwellen (±δ), einer Verstärkung (V _H) im linearen Kennlinienbereich und Ausgangssignalbegrenzung (±L). Der Einfachheit halber wurde ferner angenommen, daß die Schwellwertanpassung im Totzoneglied des Hauptzweiges symmetrisch zum Nullpunkt erfolgt und dessen Verschiebung mit dem Ausgangssignal (f _D (t)) des Durchlaß-Bereichsfilters (302) im Totzoneglied, etwa gemäß Fig. (2c) vorgenommen wird.

Fig. (5b) stellt das Ausführungsbeispiel von Fig. (5a) in geringfügig abgewandelter Form dar, indem nämlich das Totzoneglied im Filter-Hauptzweig als lediglich adaptiv in Schwellwerten seines Totzonebereichs, etwa gemäß Fig. (2b) und seine Nullpunktverschiebung über die bereits beschriebene Differenzbildung im vorgeschalteten Summierglied (304) ausgeführt ist.

Fig. 5c zeigt eine Erweiterung des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels um ein Zwischenfrequenzfilter (305) zur Verbesserung des dynamischen Verhaltens und der Eingangs-/Ausgangskennlinie im Übergangsbereich vom Nutz- zum Störspektrum des zu filternden Eingangssignals (f₁(t)). Das Zwischenfrequenzfilter (305) ist in diesem Fall als einfacher, symmetrischer Bandpaß ausgebildet, wobei die Parameter zweckmäßigerweise in folgender Relation zueinander gewählt werden:

T₁ < aT₂ < T₂ < aT₃ < T₃ < T _H (12)

um die erwähnte Amplitudenüberhöhung (a) und Phasenvoreilung im Zwischenfrequenzbereich zu erzielen.

Die gerätetechnische Ausführung der vorstehend in ihrer Wirkungsweise und ihren Übertragungseigenschaften beschriebenen Funktionselemente der Anpaßzweige, wie Filter, Gleichrichter, lineare und nichtlineare Eingangs-/Ausgangskennlinien bereitet dem Fachmann keinerlei Schwierigkeiten. Die Umsetzung der in analoger Darstellung gegebenen Filterübertragungsfunktionen und Eingangs-/Ausgangskennlinien in entsprechende Digitalschaltungen oder Algorithmen für Prozeßrechner als Realisierungshilfsmittel ist dem Fachmann gleichermaßen geläufig.

Das in Fig. 5a beschriebene Ausführungsbeispiel eines doppelt adaptiven, nichtlinearen Tiefpaßfilters wurde mit Hilfe analoger Bausteine realisiert und sein Frequenzgang vermessen. Die Fig. 6a und 6b zeigen den gemessenen Amplituden- (6a) bzw. Phasenverlauf (6b) in Abhängigkeit der Frequenz bei sinusförmigen Eingangssignalen für folgende Parameterwerte:

T₁ = 1,4 sec
ζ₁ = 0,6
T _H = 0,1
T _F = 50 sec
V _H = √

Bei linearer Eingangs-/Ausgangskennlinie mit einer Verstärkung (V _H) und Totzone (±δ) gleich Null des entarteten "Totzonegliedes" (407) erkennt man die Vorteile des erfindungsgemäßen, nichtlinearen Tiefpaßfilters wenn man z. B. Amplitude und Phase mit der des normalen, linearen Durchlaßbereichsfilter 2. Ordnung vergleicht. Der Verlauf beider Frequenzgänge ist in Fig. 6a und 6b dargestellt.

Es liegt auf der Hand, daß neben den zur Erläuterung des Erfindungsgedankens gewählten Beispielen und Ausführungsformen der Anpaßzweige je nach Anwendungsfall auch andere Ausgestaltungen, Filterarten, sowie lineare und nichtlineare Übertragungselemente in der erfindungsgemäßen Anordnung Anwendung finden können. Insbesondere können in beiden beschriebenen Anpaßzweigen zweckdienliche Serien- und Parallelschaltungen einzelner Filter bzw. Übertragungsglieder zur Anwendung kommen und in konsequenter Verfolgung des Erfindungsgedankens auch vollständige Anpaßzweige zur Realisierung sich überlappender oder sich gegenseitig ausschließender Teilbereiche der Anpassung über ausgewählte Frequenz- - und/oder Amplitudenbereiche Anwendung finden. Bei der Auslegung der Anpaßzweige ist zu beachten, daß der Schwellwert-Anpaßzweig infolge der in ihm enthaltenen Mittelwertbildung nur auf Signalamplituden, nicht aber auf Phasenverhältnisse reagiert. Daraus folgt, daß die Einsatzflanken der die zu unterdrückenden Störspektren begrenzenden Frequenzbereiche durch Verwendung von Filtern hoher Ordnung sehr scharf abgegrenzt werden können, ohne daß die damit verbundene Phasenverschiebung sich auf das Ausgangssignal des nichtlinearen Filters nachteilig auswirkt.

Claims

1. Nichtlineares Frequenzbereichsfilter zur Unterdrückung von Störsignalen, die einem in einem vorgegebenen Frequenzbereich variablen Nutzsignal überlagert sind, bestehend aus linearen Übertragungsgliedern und einem Totzoneglied, dadurch gekennzeichnet, daß der Nullpunkt (N) des Totzonegliedes (301), dem das zu filternde Eingangssignal (f₁(t)) zuführbar ist proportional zum Ausgangssignal (f _D (t)) eines Durchlaßbereichsfilters (302) nachführbar ist und zu seinem Ausgangssignal (f _T (t)) das zur Nullpunktanpassung dienende Signal (f _D (t)) addiert ist.

2. Frequenzbereichsfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nullpunktanpassung des Totzonegliedes durch eine Differenzbildung zwischen Filtereingangssignal (f₁(t)) und Ausgangssignal eines Durchlaßbereichsfilters (f _D (t)) ersetzbar ist.

3. Frequenzbereichsfilter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nullpunktanpassung des Totzonegliedes (301) gemäß dem Ausgangssignal eines Durchlaßbereichsfilters über ein zusätzliches Zwischenfrequenzfilter durchführbar ist.

4. Frequenzbereichsfilter nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß als Durchlaßbereichs- und/oder Zwischenfrequenzfilter, Tiefpaßfilter, Bandpaßfilter, Hochpaßfilter oder Serien- bzw. Parallelschaltungen solcher Filterarten einsetzbar sind.

5. Frequenzbereichsfilter nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Beträge der Ansprechschwellen (d₁, d₂) des Totzonegliedes (401) kontinuierlich und/oder in diskreten Schritten automatisch und/oder von Hand anpaßbar sind.

6. Frequenzbereichsfilter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpassung des Betrages der Ansprechschwellen des Totzonegliedes in Abhängigkeit von Signalen erfolgt, die aus dem Filtereingangssignal durch Mittelwertbildung über alle innerhalb eines oder mehrere ausgewählter Frequenzbereiche liegenden Signalanteile gewinnbar sind.

7. Frequenzbereichsfilter nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß Signale zur Anpassung der Ansprechschwellen (d₁, d₂) des Totzonegliedes (401, 402) in einem oder mehreren Anpaßzweigen gewinnbar sind, die aus "Sperrbereichsfiltern" (403), Mittelwertbildnern (404), Formfiltern (405) und Aufschaltfunktionen (406) bestehen.

8. Frequenzbereichsfilter nach einem der Ansprüche 5-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellwert-Anpaßzweige zusätzlich ein Totzoneglied (407) enthalten, dessen Ansprechschwellen auf vorgegebene Festwerte einstellbar sind.

9. Frequenzbereichsfilter nach einem der Ansprüche 5-8, dadurch gekennzeichnet, daß als "Sperrbereichsfilter" (403) in den Schwellwertanpaßzweigen, Hochpaßfilter, Bandpaßfilter, Tiefpaßfilter, Bandsperrefilter oder Kombinationen aus Serien- und/oder Parallelschaltung der vorgenannten Fiterarten einsetzbar sind.

10. Frequenzbereichsfilter nach einem der Ansprüche 5-9, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittelwertbildner in den Schwellwertanpaßzweigen Einweggleichrichter, Doppelweggleichrichter, Spitzenwertgleichrichter, oder gradzahlige Potenzen ihres Eingangssignals bildende Funktionselemente, z. B. Quadierer einsetzbar sind.

11. Frequenzbereichsfilter nach einem der Ansprüche 5-10, dadurch gekennzeichnet, daß als Formfilter (405) in den Schwellwertanpaßzweigen, Tiefpaßfilter, Bandsperrefilter, Bandpaßfilter oder Serien- und/oder Parallelschaltungen der vorgenannten Filterarten verwendbar sind.

12. Frequenzbereichsfilter nach einem der Ansprüche 5-11, dadurch gekennzeichnet, daß als Aufschaltfunktionen (406) in den Anpaßzweigen lineare und/oder nichtlineare Kennlinien oder Funktionen, z. B. Verstärker mit Amplitudenbegrenzung oder Quadratwurzeln und dergleichen bildende Funktionselemente verwendbar sind.

13. Frequenzbereichsfilter nach einem der Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, daß Tiefpässe erster oder zweiter Ordnung als Durchlaßbereichsfilter (302), Vorhaltglieder oder Bandpaßfilter als Zwischenfrequenzfilter (305) und im Schwellwertanpaßzweig Hochpässe erster oder zweiter Ordnung als Sperrbereichsfilter (403), Gleichrichter oder Quadrierer als Mittelwertbildner (404), Tiefpaßfilter erster oder zweiter Ordnung als Formfilter (405), lineare Verstärker oder Quadratwurzelfunktionen als Aufschaltfunktion (406) und ein Totzoneglied (407) mit fest vorgegebenen Ansprechschwellen und Amplitudenbegrenzung einsetzbar sind.

14. Frequenzbereichsfilter nach einem der Ansprüche 1-13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Totzoneglied (301) mit anpaßbarem Nullpunkt und/oder anpaßbaren Schwellwerten (±d) einsetzbar ist, das einen ersten, ein Eingangssignal (x) aufnehmenden Verstärker (101) enthält, dessen Ausgangssignal über zwei Potentiometer (103, 104) und jeweils an deren Abgriff angeschlossene, gegensinnig geschaltete Dioden (105, 106) einmal auf den Eingang zuführbar und zum anderen in einem zweiten Verstärker (102) mit dem Eingangssignal (x) summierbar ist, wobei am jeweils anderen Ende der Potentiometer (103, 104) z. B. über einen dritten (107) und vierten Verstärker (108), den Schwellwerten (d, Δ d) und/oder der Nullpunktanpassung (Δ N) entsprechende Signale aufschaltbar sind.

15. Frequenzbereichsfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionselemente des nichtlinearen Frequenzbereichsfilters, wie lineare Netzwerke, Totzoneglieder, lineare und/oder nichtlineare Kennlinien, Summierglieder ganz oder teilweise durch funktionsmäßig äquivalente Algorithmen in einer fest verdrahteten oder programmierbaren Digitalelektronik realisierbar sind.