DE2501201A1 - Schaltungsanordnung zur unterdrueckung von stoerfleckensignalen in einem analogen signal - Google Patents
Schaltungsanordnung zur unterdrueckung von stoerfleckensignalen in einem analogen signalInfo
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Description
DIPL.-1NG. KLAUS NEUBECKER
Patentanwalt /
4 Düsseldorf 1 · Schadowplatz 9
Düsseldorf, 13. Jan. 1975
•Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V. St. A.
Pittsburgh, Pa., V. St. A.
"Schaltungsanordnung zur Unterdrückung von Störfleckensignalen in einem analogen Signal
.Die Erfindung bezieht sich auf die Unterdrückung von Störfleckensignalen,
insbesondere eine hybride analoge und digitale Verwirklichung einer solchen Unterdrückung.
Radarsysteme haben sich im Laufe der Jahre von völlig analogen
Ausführungen zu weitgehend digitalen Ausführungen entwickelt. Ein notwendiges und fast immer eine Beschränkung mit sich bringendes
Element des Systems ist ein Analog-*·/Digitalwandler (A/D-Wandler),
der ein kodierendes Koppelwerk (Interface) zwischen dem von den Radarstrahl-Echosignalen gespeisten analogen Schaltungsaufbau und dem nachfolgenden digitalen verarbeitenden Schaltungsaufbau bildet. Zur Vereinfachung der Umwandlung, d. h. zur Verringerung
des erforderlichen dynamischen Bereichs des A/D-Wandlers,
sind Verfahren zur Zurückweisung oder Unterdrückung von Störfleckensignalen im Hauptstrahl-Echo entwickelt worden.
Beispielsweise wird bei Radarsystemen mit Festzeichenunterdrükkung
(MTI - moving target indication) ein Kammfilter für die Zurück- oder Abweisung der Hauptstrahl-Störflecken-Echosignale
verwendet. Die praktische Ausführung solcher Kammfilter erfolgte
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nach dem Stand der Technik entweder ausschließlich in analoger oder aber ausschließlich in digitaler Form. Analoge Lösungen
nach dem Stand der Technik leiden jedoch unter Instabilitäten der Umgebung sowie mangelnder Flexibilität, während digitale
Lösungen nach dem Stand der Technik, wenngleich bei ihnen die Mängel der analogen Lösungen vermieden werden, immer noch einen
unerwünscht großen dynamischen Bereich für den A/D-Wandler erfordern.
Zur weiteren Erläuterung bekannter Verfahren wird auf Fig. 1 bezug genommen, die in Form eines Blockschaltbildes eine mit
Mitkopplung arbeitende Schaltung zur Unterdrückung von Störfleckensignalen zeigt. Hierbei wird ein analoges Eingangssignal,
das ein Radarstrahl-Echosignal enthält, über parallele Zweige unmittelbar dem positiven Additionseingang eines Summierers 1
und über eine Verzögerungsleitung dem negativen Subtraktionseingang des Summierers 1 zugeführt, von dessen Ausgang das analoge
Signal mit den unterdrückten Störfleckensignalen abgenommen werden kann. Es kann somit ein A/D-Wandler mit verringertem
dynamischem Bereich verwendet werden. Jedoch muß die Unterdrückerschaltung der Fig. 1 in analoger Form mit den erwähnten
inhärenten unerwünschten Eigenschaften aufgebaut werden.
Eine bekannte mit Gegenkopplung arbeitende Schaltung zur Unterdrückung
von Störfleckensignalen ist in Blockschaltbildform mit
Fig. 3 wiedergegeben. Hierbei wird ein Additionseingang eines Eingangs-Summierers 5 mit dem das Radarstrahl-Echosignal enthaltenden
analogen Eingangssignal beaufschlagt. Das Ausgangssignal des Summierers 5, das zugleich das Ausgangssignal der
Unterdrückerschaltung bildet, beaufschlagt den Additionseingang eines weiteren Summierers 6, dessen Ausgangssignal eine Verzögerungsleitung
7 speist. Das Ausgangssignal der Verzögerungsleitung 7 wird einem weiteren Additionseingang des Summierers 6, außerdem
dem Subtraktionseingang des Eingangs-Summierers 5 zugeführt.
Die Störfleckensignal-Unterdrückerschaltung der Fig. 3 liefert
ebenso wie Fig. 1 ein analoges Ausgangssignal mit unterdrückten
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Störfleckensignalen, so daß ein nachfolgender A/D-Wandler einen verringerten dynamischen Bereich haben kann. Ebenso wie bei der
mit Mitkopplung arbeitenden Schaltung nach Fig. 1 muß jedoch die mit Gegenkopplung arbeitende Schaltung nach Fig. 3 in analoger
Form mit den inhärenten unerwünschten Eigenschaften analoger Ausgestaltungen ausgeführt werden.
Die Ausführung eines der beiden Systeme nach Fig. 1 oder 3 in digitaler Form bedingt notwendigerweise die Vorschaltung eines
A/D-Wandlers, der dann einen unerwünscht großen dynamischen Bereich haben muß.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist die Schaffung einer hybriden
Schaltungsanordnung zur Störfleckensignal-Unterdrückung.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Schaltungsanordnung zur Unterdrückung
von Störfleckensignalen in einem analogen Signal erfindungsgemäß
gekennzeichnet durch einen über einen Additionseingang von dem analogen Eingangssignal gespeisten ersten Summierer; einen
von dem Ausgangssignal des ersten Summierers gespeisten A/D-Wandler;
ein von dem digitalen Ausgangssignal des A/D-Wandlers gespeistes und eine zeitverzögerte Abbildung davon erzeugendes Filter;
sowie einen von dem Ausgangssignal des Filters gespeisten D/A-Wandler, dessen Ausgangssignal einen Subtraktionseingang des
dabei die zeitverzögerte analoge Ausgangssignal-Abbildung unter Unterdrückung der Störfleckensignale von dem Eingangssignal subtrahierenden
ersten Summierers speist.
Das Kammfilter nach der Erfindung weist einen hybriden analogen
und digitalen Aufbau auf, bei dem die vorteilhaften Eigenschaften sowohl analoger als auch digitaler Lösungen in optimaler Weise
kombiniert werden und der eine deutliche Verbesserung gegenüber Kammfiltern nach dem Stand der Technik mit sich bringt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der
Zeichnung zeigen:
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Fig. 1 ein Blockschaltbild einer bekannten einfach verzögernden, mit Mitkopplung arbeitenden Schaltung zur Unterdrückung
von Störfleckensignalen;
Fig. 2 eine kurvenmäßige Aufzeichnung des Frequenzansprechverhaltens
einer Unterdrückerschaltung mit einfacher Verzögerung;
Fig. 3 ein Blockschaltbild einer einfach verzögernden, mit Gegenkopplung arbeitenden Unterdrückerschaltung; und
Fig. 4 ein Blockschaltbild einer hybriden analogen und digitalen, einfach verzögernden Unterdrückerschaltung
nach der Erfindung.
Wie bei der Untersuchung des Standes der Technik dargelegt, sind bisher Störfleckensignal-Unterdrückerschaltungen entwickelt worden,
die sowohl nach dem Mitkopplungsprinzip der Fig. 1 als auch nach dem Gegenkopplungsprinzip der Fig. 3 arbeiten. Die Ausführung
solcher Schaltungen erfolgte bisher ausschließlich in analoger oder aber ausschließlich in digitaler Form, wobei sich die vorerwähnten
inhärenten Nachteile ergaben. Es trägt dennoch zum Verständnis bei, diese bekannten Lösungen etwas eingehender in Betracht
zu ziehen, um die Äquivalenz der damit erzielten Störfleckensignal-Unterdrückungsfunktionen
zu erkennen.
In diesem Zusammenhang wird auf die Kurvenaufzeichnung der Fig.
Bezug genommen, die die Frequenzansprech-Kennlinie der einfach verzögernden Unterdrückerschaltung der Fig. 1 wiedergibt. Allgemein
arbeiten solche Unterdrückerschaltungen so, daß das Eingangsspektrum gewichtet wird, um so den dynamischen Bereich eines
nachfolgenden A/D-Wandlers zu verringern. Dabei wird das Spektrum der Störfleckensignale des Hauptstrahls in den Nullpunkten der
Unterdrücker-Gewichtung zentriert, üblicherweise durch einen Frequenznachlaufkreis.
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■"* j ~
Die Verzögerungsleitung, etwa die Verzögerungsleitung 2 der Fig. 1, bewirkt eine Verzögerung der Zeitdauer T, die zugleich
die Zeitdauer einer vollen Periode des Eingangssignals ist. Das Ausgangssignal der Verzögerungsleitung stellt somit eine zeitverzögerte
Wiedergabe oder Abbildung des Eingangssignals dar. Eine analoge Verzögerungsleitung erzeugt unter diesen Umständen
ein Ausgangssignal, das den dargestellten Kurvenverlauf mit einer Amplitudenhöhe 2, bezogen auf eine Amplitudenhöhe 1 des Eingangssignals, und sich mit der Dauer 1/T wiederholende Perioden hat,
wobei sein Verlauf allgemein den aufeinanderfolgenden, sich wiederholenden positiven Halbwellen einer Sinuskurve entspricht.
Das gegengekoppelte System nach Fig. 3 hat eine Übergangsfunktion,
die derjenigen des Systems nach Fig. 1 identisch ist, so daß es dementsprechend die gleiche Impulsansprechkennlinie wie in Fig.
dargestellt hat. Zum Nachweis der Identität der Übergangsfunktionen der beiden Schaltungen kann die Beziehung für die Systeme
wie folgt geschrieben werden:
Für die Schaltung nach Fig. 1 lautet die Beziehung zwischen dem Ausgang y(nT) und dem Eingang x(nT):
y(nT) = x(nT) - χ (ηΤ-Τ) (1),
nT = n-tes Intervall T
y(nT) = Ausgangssignal für das n-te Intervall T
x(nT) = Eingangssignal für das n-te Intervall T
x(nT-T) = Eingangssignal für das dem Intervall nT um die Zeit T voreilende Intervall.
Für die mit Gegenkopplung arbeitende Schaltung nach Fig. 3 lautet die Beziehung zwischen dem in gleicher Weise bezeichneten
Ausgang y(nT) und Eingang x(nT):
y(nT) = x(nT) - u(nT-T), (2)
u(nT-T) = Ausgangssignal der Verzögerungsleitung
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Ferner kann, wenn u(nT) = Ausgang des Summierers 3, für die Beziehung
geschrieben werden:
u(nT) = y(nT) + u (nT-T) . (3)
Setzt man Beziehung (2) in Beziehung (3) ein, so erhält man: u(nT) = x(nT) - u(nT-T) + u(nT-T), (4)
was sich zurückführen läßt auf:
u(nT) = x(nT) . (5)
Legt man zugrunde, daß Beziehung (5) für jede gleiche Zeitdauer T gültig ist, so kann das Zeitintervall (nT) dem Intervall (nT-T)
gleichgesetzt werden, so daß man die Beziehung erhält:
u(nT-T) = χ(nT-T). (6)
Setzt man Beziehung (6) in Beziehung (2) ein, dann erhält man: y(nT) = x(nT) - x(nT-T). (7)
Die Beziehungen (7) und (1) sind identisch. In funktioneller Hinsicht
liefert demnach die Schaltung nach Fig. 3 die gleichen Ergebnisse wie die Schaltung nach Fig. 1.
Wie bereits bemerkt, führt die in Fig. 2 dargestellte Frequenzansprechkennlinie
der einfach verzögernden Unterdrückerschaltung nach Fig. 1 bzw. 3 zur Zentrierung des Spektrums der Störfleckensignale
des Hauptstrahl-Echosignals in den Nullpunkten der Unterdrücker-Ansprechkennlinie,
so daß die Storfleckensignale ausgelöscht bzw. unterdrückt werden und der dynamische Bereich des
analogen Eingangssignals verringert wird, das durch einen nachfolgenden A/D-Wandler verarbeitet werden muß, indem entsprechende
digitale Signale für die weitere Verarbeitung erzeugt werden. Genauer gesagt, der A/D-Wandler müßte nicht den gesamten dynamischen
Bereich des Eingangssignals x(nT) umwandeln, sondern statt dessen nur die Differenz zwischen x(nT) und dessen zeitverzögerter
Funktion χ(nT-T), wie das mit den Beziehungen (1) und (7) zum Ausdruck kommt.
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Wie zuvor erwähnt, führt die Ausführung der Schaltungen nach Fig. 1 bzw. 3 in ausschließlich analoger oder aber digitaler
Form, wie das nach dem Stand der Technik geschah, zur Beibehaltung der Nachteile eines analogen Schaltungsaufbaus oder aber
dazu, daß das unerwünscht große dynamische Ansprechverhalten, das von einem A/D-Wandler verlangt wird, nicht vermieden werden
kann.
Nach der Erfindung wird jedoch ein hybrides analoges und digitales
System geschaffen, das eine digitale Ausführung des kritischen Filterelements der Unterdrückerschaltung ermöglicht, während
die Unterdrückung der Störfleckensignale im analogen Eingangssignal
in optimaler Weise in analoger Form erfolgen kann, so daß die Verwendung eines A/D-Wandlers mit verringertem dynamischem
Bereich ermöglicht wird.
Speziell wird, wie mit Fig. 4 gezeigt, das analoge Eingangssignal einem positiven Additionseingang eines analogen Eingangs-Summierers
10 zugeführt, dessen Ausgangssignal einen A/D-Wandler 12 mit Kennlinien relativ verringerten dynamischen Bereichs beaufschlagt.
Der Ausgang des A/D-Wahdlers 12 liefert das Ausgangssignal der Unterdrückerschaltung und liegt außerdem an einem
Filter 14.
Das Filter 14 ist ein digitales Element und kann in unterschiedlicher
Form ausgeführt sein, wie das weiter unten untersucht wird. Zur beispielsweisen Veranschaulichtung ist ein Filter
mit einem digitalen Summierer 16 und einer digitalen Verzögerungsleitung 18 gezeigt. Additionseingängen des Summierers 16
werden das digitale Ausgangssignal des A/D-Wandlers 12 und das Ausgangssignal der Verzögerungsleitung 18 zugeführt. Das Ausgangssignal
der Verzögerungsleitung 18 speist außerdem einen Digital-/Analog-Wandler (D/A-Wandler) 20, so daß dieser ein analoges
Signal an den einen Subtraktionseingang des Eingangs-Summierers
10 abgibt. Die vorstehenden Beziehungen (2) bis (7) beschreiben ebenfalls die Obergangsfunktion des hybriden Systems
nach der Erfindung, wie es in Fig. 4 dargestellt ist.
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Ein Merkmal der Erfindung besteht darin, daß der A/D-Wandler im Gegenkopplungskreis des Systems nach Fig. 4 liegt, so daß
die Verwendung eines voll digitalisierten Filters 14 ermöglicht wird. Darüber hinaus erfolgt die Unterdrückung der Störfleckensignale
als analoge Funktion im Summierer 10, und zwar vor der Eingabe in den A/D-Wandler 12, so daß ein A/D-Wandler mit verringertem
dynamischem Bereich eingesetzt werden kann.
Das spektrale Ansprechen eines digitalen Filters wie des Filters 14 ist als Funktion der Austastfrequenz repetitiv. Für das dargestellte
einfach verzögernde Filter weist die Filterkennlinie wiederum den Verlauf und die Periodizität der in Fig. 2 dargestellten
Kurve auf.
Die Schaltung nach Fig. 4 erlaubt anstelle des Filters 14 auch ohne weiteres den Einsatz anderer Filterausführungen mit abweichendem
Filterkennlinienverlauf. Z. B. können mehrere Verzögerungsleitungen und mehrere Summierer anstelle der dargestellten
einfachen Verzögerungsleitung bzw. des dargestellten einfachen Summierers verwendet werden.
Eine allgemeine Beziehung für die Kennlinien des Filters 14 kann wie folgt erhalten werden: Mit h(nT) = Kennlinie des Filters
und Verwendung der in Verbindung mit Beziehung (1) angenommenen Definitionen kann die Beziehung für die Schaltung nach Fig. 4
wie folgt geschrieben werden:
y(nT) = x(nT) - y(nT) ' h(nT), (8) wobei man durch Umstellung erhält:
x(nT) = y(nT) ' 1 + h(nT) (9)
y(nT) =· x(nT)·
Mit w(nT) = Übergangsfunktion des Systems gilt:
(T)
x(nT) 1 + h(nT) .
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Daher ist
Somit lassen sich die Kennlinien des Filters 14 ohne weiteres in den Begriffen der gewünschten Ubergangskennlinien der Unterdrükkerschaltung
ausdrücken. Entsprechend bestimmt naturgemäß eine gegebene Filterkennlinie die Übergangskennlinie der Unterdrückerschaltung.
Die Wandler 12 und 20 bewirken in dem Zweig zwischen dem Ausgang
des Summierers 10 und dessen Subtraktionseingang eine geringfügige Verzögerung gegenüber der Phasenlage des dem Additionseingang des Summierglieds 10 zugeführten analogen Eingangssignals.
Allgemein sind die durch die Wandler bewirkten Zeitverzögerungen im Verhältnis zu der Periodizität aufeinanderfolgender Radarechoimpulse
bzw. den Abständen dazwischen klein. Die Kompensation für die Wandlerverzögerungen ist somit minimal; gewünschtenfalls
kann sie in das Filter 14 eingebaut werden. Da die Verzögerungen der Wandler festgelegt sind, kann die Verzögerungskompensation
durch eine feststehende Größe cf in der Beziehung (12) repräsentiert
werden, so daß sich für die Filterkennlinien ergibt:
Eine weitere Beeinflussung der wellenförmigen Ansprechkennlinie der Unterdrückerschaltung nach Fig. 4 kann durch Einführung einer
Verstärkung in dem Gegenkopplungszweig erreicht werden. Dies kann durch in den Gegenkopplungskreis eingeschaltete gesonderte Bauelemente
oder durch Einarbeitung einer Verstärkungssteuerung in den D/A-Wandler 20 erfolgen.
Die Störfleckensignal-Unterdrückerschaltung nach der Erfindung weist somit eine optimale hybride analoge und digitale Ausführung
zur Erzielung einer Störfleckensignal-Unterdrückung in einem Radarsystem auf. Hinsichtlich der Ausgestaltung des Filters wird
eine beträchtliche Flexibilität erzielt, insbesondere im Hinblick
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darauf, daß das System eine rein digitale Ausgestaltung des Filterelements
gestattet. Dennoch bewirkt das System eine Unterdrückung der Störfleckensignale im analogen Eingangssignal, so
daß eine Verringerung des dynamischen Bereichs des A/D-Wandlers mit der sich daraus ergebenden Verringerung bezüglich Aufwand
und Kosten sowie eine verbesserte Zuverlässigkeit und Genauigkeit ermöglicht werden. Es wurde zwar eine spezielle Ausführungsform
eines einfach aufgebauten, einfachverzögernden Filters gezeigt, jedoch wurden die allgemeinen Kennlinien des Filters hinsichtlich
der gewünschten Systemübergangsfunktion definiert, woraus sich
für den Fachmann ergibt, daß Filter abweichenden Aufbaus verwendet
werden können.
Patentansprüche;
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Claims (12)
1. Schaltungsanordnung zur unterdrückung von Störfleckensignalen
in einem analogen Signal, gekennzeichnet durch einen über einen Additionseingang von dem analogen Eingangssignal
gespeisten ersten Summierer (10); einen von dem Ausgangssignal des ersten Summierers gespeisten A/D-Wandler (12);
ein von dem digitalen Ausgangssignal des A/D-Wandlers gespeistes und eine zeitverzögerte Abbildung davon erzeugendes
Filter (14)? sowie durch einen von dem Ausgangssignal des Filters gespeisten D/A-Wandler (20), dessen Ausgängssignal
einen Subtraktionseingang des dabei die zeitverzögerte analoge Ausgangssignal-Abbildung unter unterdrückung der Störfleckensignale
von dem Eingangssignal subtrahierenden ersten Summierers speist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Filter (14) ein digitales Filter aufweist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das Filter (14) ein Kammfilter aufweist.
4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß das Filter eine der Periode des Eingangssignals entsprechende Zeitverzögerung hat.
5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der A/D-Wandler eine Einrichtung zur
Austastung des analogen Eingangssignals mit einer vorgegebenen Austastfrequenz und das Filter eine der Periode der
Austastfrequenz entsprechende Zeitverzögerung hat.
6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der D/A-Wandler (20) eine einstellbare
Verstärkungssteuerungseinrichtung zur Einstellung des
Ansprechverhaltens des Systems aufweist.
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7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet/ daß die Filterkennlinien h(nT) durch
eine Übergangsfunktion w(nT) entsprechend
h(nT) = 1 - w(nT)
w(nT)
definiert sind.
definiert sind.
8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (14) einen weiteren
von dem digitalen Ausgang des A/D-Wandlers (12) gespeisten Summierer (16) sowie eine von dem Ausgang des weiteren Summierers
gespeiste Verzögerungsleitung (18) aufweist und daß der Ausgang der Verzögerungsleitung an einem weiteren Additionseingang
des weiteren Summierers liegt und der weitere Summierer das digitale Ausgangssignal des A/D-Wandlers unter
Erzeugung des Ausgangssignals der Verzögerungsleitung (18) mit dem seinem weiteren Additionseingang zugeführten Ausgangssignal
der Verzögerungsleitung summiert.
9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß der weitere Summierer als digitaler Summierer und die weitere Verzögerungsleitung als digitale Verzögerungsleitung
ausgebildet sind.
10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Summierer mit einem Eingangssignal x(nT) beaufschlagt
ist und ein Ausgangssignal y(nT) erzeugt; der A/D-Wandler ein äquivalentes digitales Ausgangssignal y(nT) erzeugt;
das digitale Filter die Funktion u(nT-T) und der D/A-Wandler die äquivalente Analogfunktion u(nT-T) = x(nT-T)
als Gegenkopplungssignal für den ersten Summierer erzeugt; und daß der A/D-Wandler, das Filter und der D/A-Wandler
einen den ersten Summierer mit dem Gegenkopplungssignal u(nT-T) speisenden Gegenkopplungszweig bilden, wobei der
Summierer das Gegenkopplungssignal u(nT-T) unter Erzeugung des Ausgangssignals y(nT) = x(nT) - χ(ηΤ-Τ) von dem analogen
Eingangssignal x(nT) subtrahiert.
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11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß das Filter (14) einen von dem digitalen Ausgang y(nT)
des A/D-Wandlers gespeisten und dabei die Funktion u(nT) als Ausgangssignal abgebenden weiteren Summierer (16) sowie eine
von dem Ausgangssignal u(nT) des weiteren Summierers gespeiste und die Funktion u(nT-T) als Ausgangssignal erzeugende Verzögerungsleitung
(18) aufweist und daß der weitere Summierer (16) von dem der Funktion u(nT-T) entsprechenden Ausgangssignal
der Verzögerungsleitung gespeist ist und dieses Ausgangssignal unter Bildung des Ausgangssignals u(nT) = y(nT)
+ u(nT-T) mit dem digitalen Ausgangssignal y(nT) des A/D-Wandlers (12) summiert.
12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß für das System die Übergangsfunktion w(nT) = y(nT)/x(nT)
gilt und das Filter entsprechend
h(nT) = 1 - w(nT)
w(nT)
definierte Kennlinien h(nT) aufweist
definierte Kennlinien h(nT) aufweist
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509836/064 7
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