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Die Erfindung betrifft eine Filtervorrichtung mit
sinusförmiger Flankenabrundung im Zwischenfrequenzbereich des
Empfangsteils eines digitalen Modems.
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Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die
Herstellung eines "Roll-off-Wurzelfilters" (bzw. eines
"sinusförmig abgerundeten" Grundfilters) für die Zwischenfrequenz im
Empfangsteil eines digitalen QPSK-Modems
("Quadraturphasenumtastung" bzw. Vierphasenmodulation), wobei gleichzeitig die
notwendige Filterung für das äquivalente Rauschband und die
Sperrung der benachbarten Träger gewährleistet wird.
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Eine digitale Signalübertragung muß in ihrer
Gesamtheit das "Nyquist-Kriterium" erfüllen, um keine
Intersymbolstörung zu verursachen. Hierzu wird oft eine
"Roll-off"-Filterung angewandt. Allgemein wird diese Filterung sendeseitig in
ein "Roll-off"-Wurzelfilter und ein x/sin x-Filter zur
"Bereinigung" des Spektrums, und empfangsseitig in ein zweites
"Roll-off"-Wurzelfilter unterteilt.
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Wie im Handbuch "Traitement du Signal" von R.
BEAUVILLAIN (ENSEA-Vorlesung) erläutert ist, kann man nämlich aus
einem abgetasteten Signal, für das Fe ≥ 2fs max gilt, das
Ursprungssignal durch ideales Tiefpaßfiltern mit einem
Durchlaßband Bo = Fs max wiederherstellen. In der Praxis muß
allerdings ein gewisser Abstand zwischen den Spektren bestehen,
um sie durch Filterung zu trennen. Unter idealen Verhältnissen
ist es möglich, das Ursprungssignal vollständig dadurch
wiederherzustellen, daß jede Tastprobe durch eine Zeitfunktion
des Typs sin u/u gewichtet und die Summe der erhaltenen Größen
gebildet wird. Um die Interferenzen zwischen den Tastproben zu
verringern, wählt man ein Filtermodell mit sinusförmig
Flankenabrundung ("sinusförmiges Roll-off"), was praktisch einer
Verbreiterung des für die Übertragung des Signals
erforderlichen Durchlaßbandes entspricht.
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Der empfangsseitig angeordnete Demodulator erfordert
an seinem Eingang eine schmalbandige, selektive Filterung, um
die benachbarten Träger zu sperren und das äquivalente
Rauschband zu begrenzen. Er soll weiter ein Frequenzband aufweisen,
das größer als das Nyquist-Band ist, um nicht die für das
Basisband an jeder Impulsfolge durchgeführte
"Roll-off"-Wurzelfilterung zu stören. Diese selektive Filterung erfordert
die Verwendung von Elementen, die hohe Überspannungsbeiwerte
(Q-Faktoren), einen erheblichen Platzbedarf und scharfe
Einstellungen haben.
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Im allgemeinen ist die gewählte Struktur die eines
elliptischen Filters, das eine gute Selektivität
gewährleistet. Das Durchlaßband eines solchen Filters ist breiter als
das des Nyquist-Bandes und führt zu einer Verschlechterung des
Träger-/Rauschverhältnisses am Eingang der
Trägerwiedergewinnung.
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Filter mit geringer Bandbreite erzeugen nämlich
zwangsläufig Interferenzen zwischen Symbolen. Filter mit einem
breiteren Band, die nicht den Nyquist-Bedingungen entsprechen,
erzeugen ebenfalls solche Interferenzen, die aber um so
geringer ausfallen, je breiter das Band wird. Im Extremfall ergibt
eine Filterung mit unendlicher Bandbreite überhaupt keine
Intersymbol-Interferenzen. Das Problem der
Intersymbolinterferenz kann also durch Benutzen breiter Filter gelöst werden,
doch zwingen im Gegensatz dazu die übrigen Bedingungen zur
Verwendung von Filtern mit der schmalstmöglichen Bandbreite.
So stellt die Festlegung der Bandbreite der Filterung an sich
einen Kompromiß zwischen diesen unterschiedlichen Zwängen dar.
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Die "Roll-off"-Wurzelfilterung im Basisband erfordert
ein Filter für jede Impuls folge, was zu unterschiedlichen
Verzerrungen zwischen diesen Folgen führen kann.
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Wenn die Nyquist-Filterung im Zwischenfrequenzband
erfolgt, führt sie zu einer Verbesserung des
Träger/Rauschverhältnisses am Eingang der Trägerrückgewinnung und sie sorgt
für Symmetrie der beiden demodulierten Folgen. Darüber hinaus
wird die Filterung des komplementären Basisbandes sehr
vereinfacht.
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Dennoch ist die Zwischenfrequenzfilterung nur recht
schwierig durchzuführen. Die am häufigsten benutzten Filter
zur Durchführung der "Roll-off"-Wurzelfunktion sind die
Butterworth-Filter oder die Tchebycheff-Filter mit optimaler
Bandbreite bei einer Fehlerrate (Kompromiß zwischen Rauschband
und Intersymbolstörung) zwischen 1,1 und 1,2 des
Nyquist-Bandes.
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Die Sperrwirkungen außerhalb des Bandes sind recht
schwach, erfordern aber ein höhere Anzahl von Polen, die
übrigens die Intersymbolverzerrung vergrößern.
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Wie es im Handbuch mit dem Titel "Filtres Actifs" von
Paul Bildstein im Radio-Verlag (3. Ausgabe), insbesondere ab
Seite 52 bis Seite 60 ausgeführt ist, sind CAUER-Filter im
Gegensatz zu Polynomfiltern (Butterworth, Tchebycheff, ...)
Filter, die so beschaffen sind, daß sie:
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- die größte Anzahl möglicher Übertragungsnullstellen für eine
gegebene Ordnung n besitzen;
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- eine gleichmäßige Dämpfung aufweisen, die sowohl auf das
Durchlaßband, als auch auf das gesperrte Band verteilt sind.
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Die Einführung solcher Nullstellen hat zwei Vorteile:
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- Unterdrückung der besonders unerwünschten Frequenzen, wie
beispielsweise des Trägers in einem
Basisband-Demodulationsfilter;
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- erhebliche Versteilerung der Sperrflanke des Filters durch
Plazieren einer Übertragungsnullstelle unmittelbar hinter der
Sperrfrequenz, und zwar ohne Erhöhen der Ordnung des Filters.
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Wie es im Handbuch von J.K. SKWIRZYNSKI, mit dem Titel
"Design theory and data for electrical filters", von Seite 157
bis 160 und in Fig. 8-1 dargelegt ist, bringt die Verwendung
niedriger Überspannungskoeffizienten eine gewisse Anzahl
schädlicher Einflüsse auf die Kennlinie eines solchen Filters
mit sich.
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Weiter offenbart der Artikel von C.A. DESOER und S.K.
MITRA: "Design of lossy ladder filters by digital computer",
IRE Transactions on Circuit Theory, Bd. CT-8, Nr. 9, Sept.
1961, S. 192-201 ein Verfahren zur Annäherung der Kennwerte
eines Filters, das Komponenten mit niedrigem
Überspannungskoeffizienten verwendet, an die Kennwerte eines Filters, das
ideale Komponenten verwendet.
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Die Idee, eine Filterung mit Hilfe eines elliptischen
Filters vom Typ CAUER durchzuführen, insbesondere um gute
Sperrwirkungen zu erzielen, ist also bekannt. Ein Filter
dieses Typs scheint aber zur Durchführung einer
"Roll-off"-Funktion absolut untauglich zu sein, was indes die Erfindung
vorschlägt, indem sie eine Filtervorrichtung mit sinusförmiger
Flankenabrundung für den Zwischenfrequenzbereich des
Empfangsteils eines digitalen Modems vorsieht, dadurch gekennzeichnet,
daß sie ein elliptisches Filter vom Typ CAUER aufweist, das
mit verlustbehafteten induktiven Elementen mit niedrigem
Überspannungskoeffizienten versehen ist, um eine
"Roll-off"-Funktion bzw. eine "sinusförmige Flankenabrundung" durchzuführen.
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Vorteilhafterweise ermöglicht eine solche Durchführung
der "Roll-off"-Funktion ("sinusförmige Flankenabrundung" bzw.
"Roll-off-Wurzel") für den Zwischenfrequenzbereich durch ein
elliptisches Filter vom Typ CAUER mit ver1ustbehafteten
induktiven Elementen mit niedrigem Überspannungskoeffizienten (30
bis 50), den Einsatz von billigen und wenig Platz einnehmenden
Induktivitäten vom Typ der vergossenen Spulen oder "CMS"
(Komponenten in Oberflächenmontage), mit oder ohne zusätzlichen
Dämpfungswiderständen.
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Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ist um so
vorteilhafter, je größer die Anzahl n der Modulationszustände ist,
die das Empfangssignal betreffen, beispielsweise n ≥ 4.
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Die Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen im
übrigen aus der nachfolgenden, beispielshalber und ohne
Beschränkungsabsicht abgefaßten Beschreibung unter Bezugnahme auf die
beigefügten Zeichnungen hervor.
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Fig. 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der
Vorrichtung gemäß der Erfindung; und
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Fig. 2 zeigt Kurven zur Darstellung der Wirkungsweise
der Vorrichtung gemäß der Erfindung.
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Die Erfindung besteht in der Verwendung einer
Filtervorrichtung für Zwischenfrequenz im Empfangsabschnitt eines
digitalen Modems, beispielsweise für QPSK-Betrieb, eines
CAUER-Filters, das im Gegensatz zur ständigen Übung
Induktivitäten mit niedrigem Überspannungskoeffizienten benutzt (30
- 50). Dies unterdrückt zum einen die Welligkeit im Band, und
bewirkt zum anderen die "sinusförmige Flankenabrundung"
entsprechend der "Roll-off"-Wurzel (beispielsweise r = 0.4) durch
Dämpfen jedes Pols.
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Es werden also in herkömmlicher Weise vergossene
Spulen oder solche vom Typ "CMS" (oberflächenmontierte
Komponenten) mit geringem Platzbedarf und niedrigen Kosten verglichen
mit Induktivitäten, die auf Kerne gewickelt sind, verwendet.
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Die Justierung kann durch Dämpfungswiderstände
erreicht werden, die parallel zu den Induktivitäten geschaltet
sind. Das Einstellen wird dadurch einfacher und nicht so
scharf.
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Die Justierung der Frequenz und die Dämpfung der
benachbarten Pole des Nyquist-Bandes ermöglicht es, die
Symmetrie des Filters herzustellen.
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Je größer die Anzahl n der Modulationszustände ist,
die das empfangene Signal betreffen, um so vorteilhafter ist
die Vorrichtung gemäß der Erfindung: man kann beispielsweise n
≥ 4 ansetzen.
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Das in Fig. 1 dargestellte Filter wurde in einem
digitalen QPSK-Modulator mit 49.152 Mbits verwandt. Es handelt
sich um ein CAUER-Filter mit π-Struktur und 7 Polen. Es ist
auf eine Zwischenfrequenz von 45 MHz eingestellt und weist den
Grad n = 7 auf. Seine intrinsische Impedanz beträgt 500 X, die
ein kapazitiver Transformator auf 50 X herabsetzt. Das Filter
ist von monolithischen 50 X-Verstärkern (Typ AVANTAK oder MCL)
10 und 11 umrahmt, die eine Gesamtverstärkung von 0
ermöglichen. Die verwendeten Induktivitäten sind bewickelte Chips vom
Typ CMS (TDK). Der Überspannungskoeffizient Q liegt für F = 45
MHz zwischen 30 und 50.
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Das Filter enthält beispielsweise:
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- sechs Zellen 12, 13, 14, 15, 16, 17, die in Reihe zwischen
die beiden Verstärker 10 und 11 geschaltet sind;
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- vier Zellen 18, 19, 20, 21, die parallel zwischen die
entsprechenden Eingänge der jeweils in Reihe geschalteten ersten
(12), dritten (14), fünften (16) Zelle und Masse sowie
zwischen den Ausgang der sechsten Zelle (17) und Masse geschaltet
sind.
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Die verschiedenen Zellen bestehen aus Elementen, die
untereinander parallelgeschaltet sind und folgende Werte
besitzen:
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. in Bezug auf die in Reihe geschalteten Zellen:
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- R1 = 4,7 kX; L1 = 820 nH ; C1 = 0 - 10 pF;
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- R2 = 3,9 kX; L2 = 3,9 pH ; C2 = 10 pF; C2' = 0 - 10 pF;
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- L3 = 470 nH; C3 = 0 - 10 pF;
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- L4 = 1,2 µH; C4 = 33 µF; C4' = 0 - 10 pF;
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- L5 = 220 nH; C5 = 33 pF; C5' = 0 - 10 pF;
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- L6 = 680 nH; C6 = 68 pF; C6' = 0 - 10 pF;
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. in Bezug auf die parallelgeschalteten Zellen:
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- L8 = 330 nH; C8 = 33 pF; C8' = 0 - 10 pF;
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- L9 = 390 nH; C9 = 47 pF; C9' = 0 - 10 pF;
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- L10 = 330 nH; C10 = 0 - 10 pF.
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Vor die erste Reihenzelle und nach der letzten
Reihenzelle sind jeweils zwei parallelgeschaltete Kondensatoren
angeordnet, nämlich:
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- C11 = 33 pF; C11' = 0 - 10 pF;
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- C12 = 56 pF; C12' = 0 - 10 pF.
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Die Leistungsdaten eines solchen Filters liegen in der
Nähe der "Roll-off"-Wurzel: r = 0.4 bei weniger als 5% des
theoretischen Werts. Weiter liegen für F ≥ 2F Nyquist die
Sperrwirkungen außerhalb des Bandes für hohe Frequenzen über
50 dB, und für niedrige Frequenzen über 65 dB. Dementsprechend
ist die in Fig. 2 dargestellte Kurve 20 die Kennlinie des
Filters der Fig. 1 in Modulfrequenz. Die Kurven 21, 22 stellen
die Durchlaßkurven bei ± 5% des theoretischen "Roll-off" dar:
r = 0,4.
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Die Abmessungen des Filters sind auf 8 x 3 cm²
reduziert (ohne Gruppenlauf zeitkorrektur). Die Komponenten können
durch automatisches Bestücken und durch Verlöten über der
Lötwelle befestigt werden.
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Natürlich wurde die vorliegende Erfindung nur anhand
eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben und
dargestellt und ihre Bauelemente können durch äquivalente Elemente
ersetzt werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu
überschreiten.