DE3790072C2 - Verfahren und Schaltung zur automatischen Verstärkungssteuerung eines elektrischen analogen Signals - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Verstärkungssteuerung eines elektrischen analogen Signals nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, und eine Schaltung nach Anspruch 2.

Bei der Verstärkungssteuerung im Stande der Technik wird die Verstärkungssteuerung in Abhängigkeit von beispielsweise dem Mittelwert, dem quadratischen Mittelwert oder Spitzenwert des Eingangssignals durchgeführt. Die Verstärkungssteuerung im Stande der Technik kann durch Schaltungen verwirklicht sein, die ausschließlich bestehen aus Analogschaltungs- Vorrichtungen, aus Schaltungen, die sowohl Analogschaltungs- Vorrichtungen als auch Digitalschaltungs-Vorrichtungen enthalten, oder aus Schaltungen, die nur Digitalschaltungs- Vorrichtungen enthalten. Aber unbeachtet des Typs der Schal­ tung enthält sie Schaltungsvorrichtungen, die einen einzelnen Kennlinienparameter des einzustellenden Eingangssignals erfassen, beispielsweise wie erwähnt den Mittelwert, den quadratischen Mittelwert, oder Spitzenwert des Signals.

Bei Anwendungen, in denen die weitere Verarbeitung des verstärkungsgesteuerten Signals in digitaler Art erfolgt, z. B. in einem Mikroprozessor-System, ist es ein Problem, ein analoges Signal zu verarbeiten, das einen großen Dynamikbe­ reich durch eine vorherbestimmte Digitalwort-Länge besitzt. Das analoge Signal, das in irgendeiner Weise zu verarbeiten ist, z. B. in einem Mikroprozessor-System, kann beispielsweise innerhalb eines engen geforderten Frequenzbereichs liegen und eine geforderte Kurvenform haben, deren Dynamikbereich sich verändert. In bestimmten Situationen kann dieses Signal darüber hinaus ein unerwünschtes überlagertes Signal haben, das aus Störungsquellen (interference sources) entstehen kann, und dessen Amplitude höher ist als das geforderte Signal. Dieses unerwünschte Signal ist daher in der Lage, die Empfindlichkeit der automatischen Verstärkungssteuerung zu vermindern, und daher ist es ratsam, das unerwünschte Signal zu entfernen, bevor die automatische Verstärkungssteuerung durchgeführt wird.

Aus der GB 2048621 A ist ein Audioverstärker bekannt, dessen Verstärkungs­ faktor von einem Mikrocomputer gesteuert wird. Dazu wird an der Eingangsseite des Audioverstärkers ein Signal abgegriffen und einem steuerbaren Vorverstärker zugeführt. Das Ausgangssignal des Vorverstärkers wird einem A/D-Wandler zu­ geführt, dessen Ausgangssignal in den Mikrocomputer eingegeben wird. In Ab­ hängigkeit der angegebenen Daten steuert der Mikrocomputer sowohl den Ver­ stärkungsfaktor des Audioverstärkers als auch den Verstärkungsfaktor des für die Steuerung erforderlichen Vorverstärkers. Dabei wird jeder einzelne Amplitudenwert des Digitalsignals mit einem oberen Grenzwert verglichen. Bei Überschreiten dieses oberen Grenzwertes wird ein Steuersignal gebildet, das bewirkt, daß die Signal­ amplitude im wesentlichen unter dem oberen Grenzwert liegt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Schaltung der eingangs genannten Art zu schaffen, wobei ein verstärktes digitales Signal aus einem Analogsignal mit einem erhöhten Dynamikbereich bei einer vorbestimmten Digitalwort-Länge erzeugt wird.

Die angegebene Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und durch eine Schaltung nach Anspruch 2 gelöst.

Wenn der Signalpegel des Signals seinen oberen Grenzwert G₂ während seines Wachstums überschreitet, wird das Signal in Schritten gedämpft bzw. geschwächt bis sein höchster Amplitudenwert unterhalb von G₂ liegt. Wenn der Signalpegel des Signals beim Abnehmen unter den unteren Grenzwert G₁ geht, wird das Signal verstärkt (ebenso in Schritten) bis sein höchster Amplitudenwert G₁ überschreitet. Dadurch ist erreicht, daß der Dynamikbereich des verstär­ kungsgesteuerten Signals immer einer vorherbestimmten Digitalwort-Länge angepaßt werden kann, so daß es weder Über­ lastung verursacht, noch in anderer Weise Unregelmäßigkeiten im Betrieb der nachfolgenden Verarbeitungsschaltung erzeugt.

Durch den angegebenen Aufbau der automatischen verstärkungsgesteuerten Schaltung kann der Mikroprozessor daher die Verstärkung des analogen Eingangssignals in Abhängigkeit von einer vorherbestimmten Erwartung für die zeitliche Sequenz des Eingangssignals einstellen, eine sogenannte "feste Intelligenz". Darüber hinaus kann der Mikroprozessor die Verstärkung in Abhängigkeit von seiner eigenen Erfahrung für die zeitliche Sequenz des Eingangs­ signals einstellen, eine sogenannte "adaptive Intelligenz".

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung, die eine Schaltung für die automatische Verstär­ kungssteuerung zur Verwirklichung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt. Wie in der Zeichnung gezeigt, wird ein analoges Signal v₁ einem analogen Verstärker 1 zugeführt, dessen Verstärkungsfaktor in Stufen durch ein digitales Steuerungssignal v_s eingestellt werden kann, das dem Verstärkungssteuerungs-Eingang des analogen Signalverstärkers 1 zugeführt wird. Ein verstärktes analoges Signal wird von dem Ausgang des analogen Verstärkers 1 an den Eingang eines Analog/Digital(A/D)-Wandlers 2 abgegeben. Der A/D-Wandler 2 tastet das verstärkte analoge Signal ab und erzeugt an seinem Ausgang eine Digitalsignal-Darstellung des Eingangssignals v₁, die die abgetasteten Amplitudenwerte des verstärkten analogen Signals zu aufeinander folgenden Abtastzeiten aufweist.

Das analoge Eingangssignal v₁ ist ein Signal mit einem sich verändernden Signalpegel, der nach der Verstärkung in der automatischen Verstärkungssteuerungs-Schaltung innerhalb einer bestimmten oberen bzw. unteren Grenze liegen muß, die bezüglich des Signaleingangs als G₂ bzw. G₁ bezeichnet werden. In einer großen Anzahl von Fällen liegt das Signal innerhalb eines vorbestimmten engen Frequenzintervalls, aber die Erfindung ist nicht auf ein enges Frequenzintervall beschränkt.

Die Digitalsignal-Darstellung wird dem Dateneingang einer herkömmlichen Mikroprozessor-Vorrichtung 3 zugeführt, und die Digitalsignal-Darstellung wird an Speicherstellen in einer Speichervorrichtung des Mikroprozessors 3 gespeichert. Das Abtasten und Speichern des Signals findet in einem sogenannten Messungs-Zeitabschnitt von einer Dauer statt, die einer gegebenen Anzahl von Signal-Zeitabschnitten entspricht. Ein Messungs-Zeitabschnitt wird von einem Einstellungs- Zeitabschnitt von fester Dauer gefolgt, in dem das Signal, falls notwendig verstärkungsgesteuert wird, ohne daß ein Abtasten und Speichern des Signals während dieses Zeitab­ schnitts stattfindet. Dem Einstellungs-Zeitabschnitt folgt ein Messungs-Zeitabschnitt, in dem das Signal abgetastet und wiederum gespeichert wird, und diesem Messungs-Zeitabschnitt folgt ein Einstellungs-Zeitabschnitt, etc. so daß sich ein Messungs-Zeitabschnitt und ein Einstellungs-Zeitabschnitt abwechseln. Diese Teilung kann beispielsweise durch ein Synchronisations-Signal getätigt werden, aber kann ebenso auf andere geeignete Weise durchgeführt werden. Eine kontinuier­ liche Einstellung der Signalamplitude ist somit nicht verwirklicht wie im Fall der herkömmlichen automatischen Verstärkungssteuerung mit analogen Schaltungs-Vorrichtungen, bei denen die Verstärkungskontrolle in Abhängigkeit von beispielsweise dem Mittelwert, dem quadratischen Mittelwert oder dem Spitzenwert des Eingangssignals verwirklicht ist, sondern die Einstellung ist begrenzt auf vorherbestimmte Zeitabschnitte, nämlich die Einstellungs-Zeitabschnitte.

Während des Messungs-Zeitabschnitts verarbeitet die Mikroprozessor-Vorrichtung 3 die Digitalsignal-Darstellung, die in der Speicher-Vorrichtung gemäß dem gespeicherten Programm gespeichert ist, und führt während eines nach­ folgenden Einstellungs-Zeitabschnitts, der nicht der Ein­ stellungs-Zeitabschnitt zu sein braucht, der unmittelbar nach dem Messungs-Zeitabschnitt folgt, sondern der ein beliebiger Einstellungs-Zeitabschnitt sein kann, welcher einem Messungs- Zeitabschnitt folgt, ein digitales Steuersignal v_s dem Ver­ stärkungssteuerungs-Eingang des digitalgesteuerten Verstär­ kers gemäß diesem Programm zu. Das digitale Steuersignal v_s steuert die Verstärkung des Verstärkers 1 in Schritten.

Die von der Mikroprozessor-Vorrichtung 3 durchgeführte Verarbeitung des empfangenen und gespeicherten Signals kann aus einem Vergleich der in der Speicher-Vorrichtung gespei­ cherten Digitalsignal-Darstellung mit einem oberen Grenzwert G₂ bzw. unterem Grenzwert G₁ bestehen, die in der Mikro­ prozessor-Vorrichtung 3 kodiert sind, wobei diese beiden Grenzwerte auf den Signaleingang bezogen sind.

Falls die Mikroprozessor-Vorrichtung 3 während des Messungs-Zeitabschnittes ermittelt, daß der Signalpegel des Signals steigt, dann werden die Amplitudenwerte der gespei­ cherten Digitalsignal-Darstellung mit dem oberen Grenzwert G₂ verglichen und wenn der größte Wert der Amplitudenwerte den oberen Grenzwert G₂ übersteigt, gibt die Mikroprozessor- Vorrichtung 3 ein digitales Steuersignal V_s an den Verstärkungssteuerungs-Eingang des digital gesteuerten Verstärkers 1 ab, der einen solchen Wert besitzt, daß die Verstärkung (in Schritten) in einer Richtung eingestellt wird, die das Signal v₂ dämpft bzw. schwächt. Diese stufen­ weise bzw. schrittweise Einstellung der Verstärkung des Verstärkers 1 setzt sich fort bis der größte Amplitudenwert des Signals kleiner als G₂ ist. Wenn während des Messungs- Zeitabschnittes die Mikroprozessor-Vorrichtung 3 ermittelt, daß der Signalpegel des Signals fällt, werden die Amplituden­ werte der gespeicherten Digitalsignal-Darstellung mit dem unteren Grenzwert G₁ verglichen und wenn der größte Wert der Amplitudenwerte unter den oberen Grenzwert G₁ fällt, gibt die Mikroprozessor-Vorrichtung 3 ein digitales Steuersignal v_s an den Verstärkungssteuerungs-Eingang des digital gesteuerten Verstärkers 1 ab, das einen so beschaffenen Wert hat, daß die Verstärkung schrittweise in einer Richtung eingestellt wird, die das Signal v₂ verstärkt. Diese schrittweise Einstellung der Verstärkung des Verstärkers 1 setzt sich fort bis der obere Amplitudenwert des Signals über G₁ liegt. Das heißt, eine Einstellung des Signals wird verwirklicht, entweder wenn der höchste Amplitudenwert eines steigenden Signalpegels den oberen Grenzwert G₂ übersteigt, oder wenn der höchste Amplitudenwert eines fallenden Signalpegels unterhalb des unteren Grenzwertes G₁ fällt. Beispielsweise, wenn der größte Amplitudenwert eines fallenden Signalpegels unterhalb des oberen Grenzwertes G₂ fällt, findet keine Einstellung statt. Durch das vorausgehend beschriebene Verfahren ist das Ergebnis, daß der größte Amplitudenwert des eingestellten Signals (Ausgangssignal v₂) immer zwischen dem unteren Grenzwert G₁ und dem oberen Grenzwert G₂ liegt, so daß der Dynamikbereich des Signals immer an eine feste Digitalwort- Länge angepaßt werden kann, so daß er keine Überlastung verursacht noch irgendeinen unregelmäßigen Betrieb in einem nachfolgenden Verarbeitungs-Schaltkreis erzeugt. Diese Art der Einstellung entspricht der oben genannten sogenannten "festen Intelligenz". Das eingestellte Ausgangssignal v₂ kann intern ebenso für andere Zwecke verwendet werden, z. B. als ein Steuersignal. Wenn die Verstärkung des digital gesteuer­ ten Verstärkers 1 in Schritten eingestellt wird während der Einstellungs-Zeitabschnitte, ist eine Verzerrung des Aus­ gangssignals v₂ in Verbindung mit der Einstellung auf diese Zeitabschnitte begrenzt, die bereits bekannt sind.

Die von der Mikroprozessor-Vorrichtung 3 durchgeführte Verarbeitung des empfangenen und gespeicherten Signals kann ebenso bestehen aus einer Berechnung z. B. der Frequenz des Eingangssignals v₁ und einer nachfolgenden Einstellung auf der Basis dieses Frequenzwertes, wie nachfolgend erläutert wird. Wenn beispielsweise ein unerwünschtes Signal (ein Störsignal) auftritt, das dem benötigten Eingangssignal überlagert ist, und dessen Amplitude größer als das benötigte Eingangssignal ist, vermindert das unerwünschte Signal die Empfindlichkeit der automatischen Verstärkungssteuerung, weil die Amplitude des unerwünschten Signals größer als die des gewünschten Eingangssignals ist, und die Einstellung findet daher in Abhängigkeit von der höheren Amplitude dieses unerwünschten Signals statt. Dies kann durch die Mikropro­ zessor-Vorrichtung 3 vermieden werden, welche während der Messungs-Zeitabschnitte die Digitalsignal-Darstellung des gesamten Signals analysiert, d. h. sowohl des unerwünschten Signals als auch des erwünschten Signals, das an den Speicherstellen der Speicher-Vorrichtung gespeichert ist, und bestimmt auf der Basis seiner Kenntnis der Eingangssignal- Frequenz, die auf die oben beschriebene Weise erhalten wird, d. h. gegründet auf seine eigene Erfahrung für die Entwick­ lung des Eingangssignals, die Frequenz des unerwünschten Signals, und wenn diese Frequenz von der des gewünschten Eingangssignals differiert, löscht es die Speicherstellen des unerwünschten Signals in der Speicher-Vorrichtung, worauf die Einstellung des Eingangssignals in der oben beschriebenen Weise stattfinden wird. Somit ist vermieden, daß die Empfind­ lichkeit der automatischen Verstärkungssteuerung als Ergebnis eines großen Störsignals vermindert ist. Diese Art der Ein­ stellung entspricht der oben genannten "adaptiven Intelli­ genz".

Diese Art der Einstellung kann so entwickelt werden, daß die Einstellung in Abhängigkeit von beispielsweise sowohl Amplitude, als auch Frequenz und Phase erfolgt, d. h. abhängig von beliebig komplizierten Funktionen des Eingangssignals.

Auch wenn dies in der Zeichnung nicht gezeigt ist, werden die Synchronisationssignale, die für den Betrieb der Schaltung erforderlich sind, ebenso wie Leistungs- und Spannungspegel jeder einzelnen Schaltungs-Vorrichtung der automatischen verstärkungsgesteuerten Schaltung zugeführt.

Claims (3)

1. Verfahren zur automatischen Verstärkungsssteuerung eines elektrischen analogen Signals (v₁), wobei das Verfahren folgende Schritte auf­ weist:

• - Verstärken des elektrischen analogen Signals (v₁) in Abhängig­ keit eines Verstärkungs-Steuersignals (v_s) und während eines Messungs-Zeitabschnittes, wobei das elektrische analoge Signal (v₁) ein erstes analoges Signal aufweist, das verstärkungszusteuern ist, und ein zweites unerwünschtes analoges Signal, dessen Amplitude größer als die des ersten analogen Signals ist,
• - Umwandeln des verstärkten analogen Signals (v₁) in eine Digi­ talsignal-Folge, die zu aufeinanderfolgenden Abtastzeiten abgeta­ stete Amplitudenwerte des verstärkten elektrischen analogen Signals (v₁) aufweist; und
• - Speichern der Digitalsignal-Folge,

dadurch gekennzeichnet,
daß die Digitalsignal-Folge auf steigende und fallende Signal­ pegel geprüft wird,
daß jeder einzelne zu den aufeinanderfolgenden Abtastzeiten abgetastete Amplitudenwert der Digitalsignal-Folge während des Messungs-Zeitabschnitts mit einem oberen Signalpegel-Grenzwert (G₂) verglichen wird, wenn der Signalpegel der Digitalsignal-Folge steigt, und mit einem unteren Signalpegel-Grenzwert (G₁), wenn der Signal­ pegel der Digitalsignal-Folge fällt, und
daß, sofern der Signalpegel der Digitalsignal-Folge den oberen Grenzwert überschreitet oder den unteren Grenzwert unterschreitet, das Verstärkungs-Steuersignal in einem Einstellungs-Zeitabschnitt erzeugt wird, der dem Messungs-Zeitabschnitt folgt, wobei das Ver­ stärkungs-Steuersignal einen solchen Wert hat, daß die Signal­ amplitude des eingestellten digitalen Signals im wesentlichen unter dem oberen Grenzwert und über dem unteren Grenzwert liegt,
daß die Frequenz des ersten analogen Signals auf der Basis vorübergehend gespeicherter Werte der Digitalsignal- Folge des ersten analogen Signals berechnet wird;
daß die Frequenz des zweiten analogen Signals auf der Basis gespeicherter Werte der gesamten Digitalsignal-Folge des ersten und zweiten analogen Signals bestimmt wird;
daß die gespeicherten Werte des zweiten analogen Signals gelöscht werden, wenn die Frequenz des zweiten analogen Signals sich von der Frequenz des ersten analogen Signals unterscheidet, und
daß die auf diese Weise gebildete Digitalsignal-Folge als Aus­ gangssignal (v₂) ausgegeben wird.

2. Schaltung mit einer automatischen Verstärkungssteuerung nach An­ spruch 1, die aufweist:

• a) einen Analogsignal-Verstärker (1) mit einem Eingang, der zum Empfangen des elektrischen analogen Signals (v₁) eingerichtet ist, einem Ausgang und einem digitalen Verstärkungssteuerungs- Eingang zum Empfangen des Verstärkungs-Steuersignals (v_S), das die Verstärkung des Analogsignal-Verstärkers in Schritten steuert;
• b) einen Analog/Digital-Wandler (2) mit einem Eingang, der mit dem Ausgang des Analogsignal-Verstärkers verbunden ist, und mit einem Ausgang, an dem die Digitalsignal-Folge des Analog­ signals ausgegeben wird;
• c) eine Mikroprozessor-Verarbeitungsvorrichtung (3) mit einem Dateneingang, der mit dem Ausgang des Analog/Digital-Wand­ lers verbunden ist, einem ersten Ausgang, der mit dem Ver­ stärkungssteuerungs-Eingang des Analogsignal-Verstärkers zur Erzeugung des Verstärkungs-Steuersignals (v_S) verbunden ist, und einem zweiten Ausgang, an dem das eingestellte Ausgangssignal (v₂) ausgegeben wird, wobei die Mikroprozessor-Verarbeitungs­ vorrichtung (3) die gespeicherten Werte des zweiten analogen Signals entsprechend löscht.