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Frequenzdemodulator für frequenzmodulierte Wellen
Die Erfindung betrifft einen Frequenzdemodulator, der sich insbesondere zur Modulation der Unterträgerwelle eines Multiplexsignals eignet und in dieser Anwendung beschrieben wird.
Das frequenzmodulierte Multiplexsignal kann vom bekannten Typ sein, bei dem ein Unterträger von etwa 50 kHz mit einerModulationsschwingung frequenzmoduliert ist. DerHauptträger kann etwa 100 MHz betragen und somit in dem FM-Rundfunkfrequenzbereich liegen und sowohl mit einer Hauptmodulationsschwingung wie mit dem frequenzmodulierten Unterträger frequenzmoduliert sein. Es werden somit in einem Rundfunkkanal auf dessen Trägerfrequenz zwei Modulationsschwingungen übertragen. Empfangsseitig werden sowohl dieHauptschwingung wie derunterträger durchdemodulation gewonnen und sie werden danach voneinander getrennt. Die Modulationsschwingung des Unterträgers wird durch eine nochmalige Demodulation gewonnen.
Die Modulationsschwingung des Hauptträgers kann das gewöhnliche Rundfunkprogramm sein. und die des Unterträgers ein an Teilnehmer übertragenes Programm, z. B. Hintergrundmusik für Speise-, Geschärft$- oder Verkaufslokale. Das Multiplexsignal kann auch zur stereophonischen Übertragung benutzt werden.
Das herkömmliche Verfahren zur Modulation einer frequenzmodulierten Schwingung mittels eines integrierenden Demodulators umfasst die Verstärkung und Begrenzung mit nachfolgender Differenzierung des begrenzten Signals. Danach werden entweder die positiven oder die negativen differenzierten Impulse zur Ableitung der Tonfrequenz integriert. Die Amplitude der gewonnenen tonfrequenten Schwingung gibt die Impulsfrequenz und dadurch die Modulation des frequenzmodulierten Signals wieder. DieseAmplitude wird selbstverständlich von dem Flächen- oder Energieinhalt der differenzierten Impulse abhängig.
Der Versuch, einestärkereAusgangsschwingungdurcheinehöhere Zeitkonstante des Differenzierkreises, durch die eine längere Dauer der differenzierten Impulse und eine höhere mittlere Amplitude herbeigeführt werden, zu erzeugen, führt zu einer Herabsetzung der Linearität des Detektors, weil bei hohen Frequenzen die differenzierten Impulse nicht genügend Zeit haben, um bis auf den Nullwert abzusinken, ehe der nächste differenzierte Impuls einsetzt. Zur genauen Wiedergabe der Modulationsschwingung soll die Amplitude des Ausgangssignals nur von der Impulsfrequenz abhängig sein. Der Energieinhalt der Impulse muss daher konstant bleiben.
Die Erfindung betrifft einen Demodulator, bei dem die zu integrierenden Impulse einen grösseren Energieinhalt haben als bei den bisher üblichen Demodulatoren, wobei diese Impulse ohne Herabsetzung der Linearität des Demodulators integriert werden können. Hiedurch gewinnt man ein stärkeres Ausgangssignal des Demodulators im Vergleich zu den bisher üblichen Schaltungen.
Der erfindungsgemässeDemodulator für frequenzmodulierteWellen zur Erzeugung eines Impulses vorbestimmten hohen Energieinhaltes für jede Periode eines amplitudenbegrenzten Eingangssignals, wobei das Eingangssignal einer Röhre zugeführt wird, die dadurch abwechselnd durchlässig und undurchlässig gemacht wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass im Ausgangskreis der Röhre in an sich bekannter Weise ein gedämpfter Schwingkreis liegt, in welchem eine Gruppe gedämpfter Schwingungen aus jeder Periode des Eingangssignals entsteht, wobei durch die erste Halbperiode einer Gruppe ein Impuls hohen Energieinhaltes erzeugt wird, und dass an den Schwingkreis eine zusätzliche Röhre angeschlossen ist, in deren Eingangskreis in an sich bekannter Weise eine Vorspannung erzeugt wird,
durch die die Spitze der ersten Halbperiode einer Gruppe auf festem Potential gehalten wird, so dass nur der zwischen diesem Potential und der Sperrspannung der zusätzlichen Röhre liegende Teil der Schwingung übertragen wird.
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Die Erfindung wird an Hand einer in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsform erläutert. Es zeigen : Fig. l das Schaltbild eines FM-Empfängers und Fig. 2a und 2b Kurven zur Erläuterung der Wirkungsweise.
In Fig. l ist mit 10 ein an eine Antenne 11 angeschlossener FM-Empfänger üblicher Art be- zeichnet. Er umfasst Hochfrequenzverstärker, Überlagerer, Zwischenfrequenzverstärker, Frequenzdemo- dulator und Tonfrequenzverstärker zur Ableitung einer Tonfrequenzschwingung entsprechend der Modulation des Trägers. Die tonfrequente Schwingung wird durch einen Lautsprecher 12 wiedergegeben.
Dem Empfänger 10 ist eine Unterträgereinheit nachgeschaltet, die einen Pufferverstärker 13, einen Bandpass 14, einen Unterträgerverstärker 15, einen Begrenzer 16, einen Unterträgerdemodulator 17, der nachstehend ausführlich beschrieben wird, sowie einen Tonfrequenzverstärker 18 und einen Lautsprecher 19 umfasst. Mit Ausnahme des Demodulators 17 sind die genannten Teile üblicher Ausführung und Wirkungsweise. Der Eingang des Verstärkers 13 liegt am Ausgang des Demodulators des Empfängers 10. Der Verstärker 13 dämpft den tonfrequenten Teil der Hauptmodulationsschwingung und setzt die Verzerrung herab, da Übertöne der Hauptschwingung sonst in den Frequenzbereich des Unterträgers fallen und ein Übersprechen verursachen können.
Der Bandpass 14 lässt den Un-
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Frequenzbereichen oberhalb und unterhalb des Bandpassbereiches. Der vom Bandpass 14 übertragene Unterträger wird im Verstärker 15 verstärkt und im Begrenzer 16 amplitudenbegrenzt und gelangt danach zum Demodulator 17.
Der Demodulator 17 umfasst eine Verstärkerstufe 20 mit einer Triode 21, deren Anode 21a an einer Spannungsquelle B liegt. Das Steuergitter 21b liegt über einen Widerstand 22 an Masse und die Kathode 21c über einen Widerstand 23 gleichfalls an Masse. Die begrenzte FM-Eingangs- schwingung, deren Form durch die Kurve links von der Rohre 21 angedeutet wird, gelangt zum Steuergitter. Der Verstärker 20 dient zur zusätzlichen Amplitudenbegrenzung des Signals und erzeugt seine Ausgangsspannung über den Widerstand 23.
Der Demodulator 17 umfasst auch eine Schaltung 24 zur Erzeugung einer Reihe von Impulsen hohen Energieinhaltes, die je einer Periode des FM-Unterträgersignals entsprechen. Diese Schaltung umfasst eine Triode 25 mitAnode 25a, geerdetemSteuergitter 25b und Kathode 25c, die über den Widerstand 23 anMasseligt. DieSpannung über den Widerstand 23 gelangt zur Kathode 25c und macht hiedurch die Röhre 25 abwechselnd durchlässig und undurchlässig. Die negativen Teile der am- plitudenbegrenzten Schwingung machen die Röhre durchlässig, da das Steuergitter 25b an Masse liegt, und die positiven Teile machen die Röhre undurchlässig.
Zwischen der Anode 25a und der Spannungsquelle +B liegt ein gedämpfter Schwingkreis 26, der aus der Parallelschaltung einer Spule 27 mit einem Widerstand 28 und einem Kondensator 29 besteht. Die Triode 25 erzeugt in dem Schwingkreis 26 gedämpfte Schwingungen. Während die Röhre undurchlässig ist, wird die vorher in der Spule 27 gespeicherte elektromagnetische Energie freigegeben und erzeugt eine gedämpfte Schwingung. Da die Triode 25 keine grosse Belastung des ge-
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Schwingungen auf. Während jedes durchlässigen Intervalls wird jedoch ein gewisser Energiebetrag in der Spule 27 gespeichert, der bei der Blockierung der Triode freigegeben wird.
Die an der Anode 25a gezeichnete Kurve veranschaulicht zwei Gruppen gedämpfter Schwingungen des Kreises 26, die zwei durchlässigen und zwei undurchlässigen Intervallen und zwei Perioden der amplitudenbegrenzten Schwingung an der Kathode 25c entsprechen. Jede Gruppe gedämpfter Schwingungen setzt sich aus mit x bezeichneten, während des undurchlässigen Intervalls erzeugten sowie aus mit y bezeichneten, während des durchlässigen Intervalls erzeugten Schwingungen zusammen.
Die Gruppen gedämpfter Schwingungen gelangen zum Verstärker 31, der eine Triode 32 mit Anode 32a, die über einen Widerstand 33 an der Spannungsquelle B liegt, Steuergitter 32b und geerdeter Kathode 32c umfasst.
Der Eingangskreis 34 des Verstärkers 31 umfasst Widerstände 35 und 36 sowie einen Kondensator 30, wodurch das Steuergitter eine Vorspannung solcher Grösse erhält, dass die Spitzen der ersten Halbperioden der Schwingung jeder Gruppe auf Erdspannung, die in der Zeichnung mit Ov bezeichnet ist, festgelegt werden. Diese Arbeitsweise wird durch die am Steuergitter 32b gezeichnete Kurve veranschaulicht.
Der Verstärker 31 verstärkt den oberhalb des mit F bezeichneten Spannungspegels, an dem die Röhre 32 undurchlässig wird, liegenden Teil der ersten Halbperiode der Schwingung und erzeugt hie-
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durch an der Anode 32a eine Impulsreihe hohen Energieinhaltes, die den ersten Halbperioden ent- spricht. Diese durch die Verstärkerstufe übertragenen Teile entsprechendenschraffierten Teilender Kur- ve. Etwaige Nachschwingungen mit kleinerer Amplitude als die erste Halbperiode liegen unterhalb des Spannungspegels F und werden unterdrückt. Die erzeugten Impulse hohen Energieinhaltes sind durch die an der Anode 32a gezeichnete Kurve veranschaulicht.
Da für jede Periode der frequenzmodulierten Eingangsschwingung eine Gruppe gedämpfter Schwingungen erzeugt wird, entsteht ein Impuls hohen Energieinhaltes für jede Periode.
Es ist angebracht, die Eigenschaften der an der Anode 32a erzeugten Impulse mit denen der in üblichenschaltungen erzeugten differenzierten Impulse zu vergleichen. Zu diesem Zweck wird auf Fig. 2a
Bezug genommen, in der die voll ausgezogene Kurve A eine typische Wellenform für zwei im Schwing- kreis 26 erzeugte Gruppen gedämpfter Schwingungen zeigt, die zwei Perioden der der Kathode 25c zugeführten amplitudenbegrenzten Schwingung entsprechen. Die gestrichelte Kurve B zeigt das typischeAussehen der in üblicher Art und Weise hergeleiteten differenzierten Impulse. In diesem Zusammenhang kann von den negativen Teilen der gezeichneten Schwingungen abgesehen werden.
Ein Vergleich an Hand der Fig. 2a ergibt, dass mit gleicher Amplitude der beiden Impulsarten der Flächen- und somit auch der Energieinhalt del ersten Halbperiode für die Kurve A wesentlich grösser als für die Kurve B ist.
Der Unterschied an Energieinhalt entspricht dem vertikal schraffierten Flächeninhalt abzüglich des horizontal schraffierten Flächeninhaltes der Fig. 2a.
Der Verstärker 31 hat zweiAufgaben. Er verstärkt teils einen wesentlichen Anteil der ersten Halbperiode der Schwingungen, wodurch Impulse noch höheren Energieinhaltes entstehen, und er unterdrückt zweitens etwaige nachschwingende Halbperioden kleinerer Amplitude. Die letztgenannte Funktion ergibt sich infolge der Ausbildung des Eingangkreises 34, wo der Spannungspegel, an dem die Triode 32 undurchlässig wird, festgelegt wird. Alle Schwingungen, die zu unterdrücken sind, müssen unterhalb dieses Spannungspegels liegen. Der Energieinhalt der an der Anode 32a entstehenden Impulse richtet sich nach dem Verstärkungsmass des Verstärkers 31 und der Dauer der Durchlässigkeit der Triode 32.
DieseDauer ist ihrerseits von der Amplitude der ersten Halbperiode der Schwingung und von dem Spannungspegel F, bei dem die Triode 32 undurchlässig wird, abhängig. Bei gegebenem Spannungspegel F kann es vorteilhaft sein, wenn die erste Halbperiode eine etwas kleinere Amplitude hat, damit die Triode 32 während einer längeren Zeitspanne durchlässig wird, so dass sich Impulse grösserer Dauer an der Anode 32a ergeben. Ein passender Kompromiss muss zwischen der Festlegung des Spannungspegels F und der Amplitude der ersten Halbperiode getroffen werden, durch den die maximale Dauer der Durchlässigkeit erreicht wird.
Anders ausgedrückt, muss der Spannungspegel F möglichst nahe an der Basislinie der Kurve A liegen, aber gleichzeitig auch hoch genug, damit die folgendenPerioden derSchwin- gung unterhalb dieses Spannungspegels zu liegen kommen. Unter diesen Voraussetzungen liegt es auf der Hand, dass der Energieinhalt der an der Anode 32a auftretenden Impulse wesentlich grösser als der der in üblicher Weise hergeleiteten differenzierten Impulse wird, da die durchschnittliche Breite der ersteren wesentlich grösser ist.
Der Demodulator 17 umfasst auch Schaltungselemente zur Erzeugung der Modulationsspannung.
Sie können einen üblichen Integrierkreis mit einem Kondensator 38 und einem Widerstand 39 umfassen, der die Impulse hohen Energieinhaltes integriert und über den Kondensator 38 eine tonfrequente Ausgangsspannung ergibt, deren Amplitude der Wiederholungsfrequenz der Impulse und somit der Modulation entspricht.
Es wurde schon erwähnt, dass der Versuch, die tonfrequente Ausgangsleistung der üblichen Demodulatoren durch eine Erhöhung der Zeitkonstante der differenzierten Impulse zu vergrössern, zu einer Herabsetzung der Linearität des Detektors führt. Dies erklärt sich am einfachsten an Hand der Fig. 2b, wo die voll ausgezogenen Kurven Al und A zwei typische Spannungskurven der ersten Halbperioden der vom Schwingkreis 26 erzeugten Schwingungsgruppen darstellen, während die gestrichelten Kurven B und B typische differenzierte Impulse sind, die zwei festen Frequenzen entsprechen.
Die Zeitkonstante der differenzierten Impulse der Fig. 2b ist grösser als die der Impulse derFig. 2a. Es ist aus der Fig. 2b ersichtlich, dass die differenzierten Impulse B, die einer höheren Frequenz des frequenzmodulierten Signals entsprechen als die Impulse B, nichtgenügend Zeit zurVerfügung haben, um bis auf den Nullwert herabzufallen, ehe der nächste differenzierte Impuls einsetzt. Des weiteren ergibt sich eine Herabsetzung der totalen Amplitude der Impulse höherer Frequenz. Die Neigung der Exponentialkurve wird dagegen in diesem Fall etwas kleiner.
Es entsteht eine Herabsetzung des Flächen- oder Energieinhaltes der differenzierten Impulse höherer Frequenz infolge der herabgesetzten Totalamplitude und der ungenügenden Zeit, die zur Erreichung des Nullwertes zur Verfügung steht, jedoch wird diesem Verlust in gewissem Masse
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durch den langsameren Abfall entgegengewirkt. Ein Teil dieses Verlustes ist durch die schrägschraffierte Fläche in Fig. 2b angedeutet. Damit das tonfrequente Ausgangssignal des integrierenden Demodulators mit der Modulation des Unterträgers genau übereinstimmt, soll die Amplitude ausschliesslich von der Wiederholungsfrequenz der frequenzmodulierten Schwingung abhängig sein. Der Flächen- oder Energieinhalt der zu integrierenden Impulse muss somit konstant sein.
Die Amplitude des tonfrequenten Ausgangssignals, das unter den durch dieFig. Zb veranschaulichten Verhältnissen erzeugt wird, wird selbstverständlich mitVari- ationen des Energieinhaltes der differenzierten Impulse veränderlich sein. Hiedurch wird die Linearität des Demodulators herabgesetzt. Die Frequenz des gedämpftenSchwingkreises 26 muss daherso gewählt werden, dass die Dauer der ersten Halbperiode der Schwingung den Mindestwert einer Halbperiode des frequenzmodulierten Unterträgers nicht übersteigt. Diese Bedingung entspricht dem höchsten vorkommenden Augenblickswert der Frequenz des Unterträgers.
Wenn die Bedingung erfüllt ist, ergibt sich keine Verschlechterung der Linearität bei demFrequenzdemodulator nach der Erfindung. weil die erste Halbperiode schon zu Ende ist, ehe die Triode 25 wieder durchlässig wird. Da der Energieinhalt der ersten Halbperioden der im Schwingkreis 26 entstehenden Schwingung konstant und durch die Bemessung des Schwingkreises bestimmt ist, haben alle an der Anode 32a auftretenden Impulse denselben Energieinhalt, wodurch ein verzerrungsfreies Demodulieren der Modulationsspannung möglich wird.