DE1288169B - Empfaenger fuer frequenzmodulierte elektrische Hochfrequenzschwingung - Google Patents

Empfaenger fuer frequenzmodulierte elektrische Hochfrequenzschwingung

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DE1288169B
DE1288169B DE1967Z0012636 DEZ0012636A DE1288169B DE 1288169 B DE1288169 B DE 1288169B DE 1967Z0012636 DE1967Z0012636 DE 1967Z0012636 DE Z0012636 A DEZ0012636 A DE Z0012636A DE 1288169 B DE1288169 B DE 1288169B
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Germany
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frequency
oscillator
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amplifier
phase comparison
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DE1967Z0012636
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Dipl-Ing Dietrich
Basner Hans-Karl
Neske
Irmler Rudolf
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03DDEMODULATION OR TRANSFERENCE OF MODULATION FROM ONE CARRIER TO ANOTHER
    • H03D3/00Demodulation of angle-, frequency- or phase- modulated oscillations
    • H03D3/02Demodulation of angle-, frequency- or phase- modulated oscillations by detecting phase difference between two signals obtained from input signal
    • H03D3/24Modifications of demodulators to reject or remove amplitude variations by means of locked-in oscillator circuits
    • H03D3/241Modifications of demodulators to reject or remove amplitude variations by means of locked-in oscillator circuits the oscillator being part of a phase locked loop

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Superheterodyne Receivers (AREA)

Description

  • Die Erfindungbetrifft einenEmpfänger für frequentmodulierte elektrischeHochfrequenzschwingungenmit einer Phasenvergleichseinrichtung, der-am ersten Eingang eine frequenzmodulierte höchfrequente Schwingung und am zweiten Eingang die Schwingung eines Oszillators zugeführt ist, welcher über einen Verstärker für Gleich- und Wechselspannungen durch die Ausgangsspannung. der Phasenvergleichseinrichtung in. Frequenz und Phase nachgesteuert ist und bei dem das Demodulationsprodukt an einer Stelle zwischen dem Ausgang der phasenvergleichseinrichtung und dem Eingang des Oszillators abgenommen ist. .
  • Derartige, Schaltungsanordnungen werden in kommerziellen Empfängern 'zur Demodulation von -frequenz- oder phasen`nddulierten elektrischen Hoch-, frequenzschwingungen verwendet, die trotz guter Be-' grenzung in einem hochverstärkenden, hochselektiven ZF-Verstärker an dessen Ausgang ein so geringes Signal-Rausch-Verhältnis besitzen, daß die üblichen Demodulatoren, wie z. B. Ratiodetektor oder Diskriminator, auf Grund ihres höheren Rausch-Schwellwertes versagen. In den letzten Jahren sind z. B. im Zusammenhang mit der Nachrichtenübertragung über Satelliten verschiedene Arbeiten zur weiteren Verbesserung der eingangs beschriebenen Demodulatoren, insbesondere bezüglich des Schwellwertes, durchgeführt worden. Die bekanntgewordenen Schaltungen sind jedoch sehr aufwendig, so daß ihre- Anwendung auf den kommerziellen Sektor beschränkt geblieben ist.
  • Zum Empfang vonfrequenzmodulierten elektrischen Hochfrequenzschwingungen mit größerem Signal-Rausch-Verhältnis würden die in der Röhrentechnik: bereits üblichen Schaltungsanordnungen äquivalent in die Transistortechnik übernommen. Bei diesen Anordnungen wird das Antennensignal nach einer Vorverstärkung und Vorselektion in eine Zwischenfrequenz umgesetzt, selektiv verstärkt und schließlich einem Demodulator zugeleitet, in dem die Phasenabhängigkeit einer Schwingkreisspannung als Funktion der Frequenz ausgenutzt wird (z. B. Ratiodetektor).-. -Die Grundschaltungen waren. den ständig steigenden Anforderungen, bei FM-Rundfunkempfängern z. B. bezüglich der gewachsenen Senderdichte und der Einführung der Stereotechnik; nicht mehr gewachsen.
  • - Die Weiterentwicklung führte zu aufwendigeren ZF-Verstärkern und bezüglich Begrenzer- und linearen Demodulationseigenschaften optimierten Demadulatoren.
  • Der Nachteil solcher Schaltungen, die einen hohen Abgleichaufwand z. B. bezüglich der Einhaltung eines geringen °Klirrfaktors sowie teilweise auch- das -Aussuchen von Bauelementen erforderlich machen, besteht vor allem darin, daß die sehr induktivitätsreichen Schaltungen mit den zunehmenden Integrationsbestrebungen nicht vereinbar sind: ; während sich nämlich Schwingkreise für Frequenzen zwischen 35 und 200 MHz in der Filmschaltungstechnik recht gut realisieren lassen, sind für niedrigere Frequenzen nur RC-Filter integrierbar. -Die schaltungstechnischen Voraussetzungen für die Einführung rationeller Herstellungsverfahren für FM-Empfänger bestehen deshalb in der Verringerung der Abglescharbeiten und der Vermeidung von induktivitätsbehafteten Schwingkreisen für Frequenzen unter 35 MHz.
  • Zur Lösung dieses Problems sind bereits induktivitätslose Schaltungen fürFM Demodulatoren bekannt, bei denen der frequenzmodulierte T`räger-in-eine Impulsreihe umgewandelt -und diese anschließend in verschiedenen Variationen von Impulszählschaltungen differenziert bzw: integriert wird. Der gewonnene mittlere Strom schwankt dann im Rhythmus der -Modulation. Zur Begrenzung des FM-Signals und zur Impulsformung werden häufig Schmitt-Trigger eingesetzt. Bei Anwendung einer solchen induktivitätslosen Schaltung kann deren sicheres Arbeiten und eine hohe -Linearität bei großer Ausgangsspannung nur: durch . die Wahl. einer möglichst tiefen .ZF gewährleistet werden. Diese ZF darf aber nicht so tief liegen, daß Anteile des FM-Spektrums in den NF-Bereich fallen, der ja bei Stereoempfang bis 53 kHz gerechnet werden muß. Es sind Ausführungsvarianten bekanntgeworden, bei denen die ZF zwischen 115 und 300 kHz liegt.
  • Bei niedrigen Zwischenfrequenzen bereitet besonders die zwecks Vermeidung von übersteuerungen des NF-Verstärkers notwendige Unterdrückung der bei der Differentiation der Impulsreihe entstehenden Spannungsspitzen am Ausgang des Demodulators Schwierigkeiten, da bekanntlich bei Stereoübertragungen für 53 kHz nur ganz geringe Amplituden- und Phasenfehler zulässig sind. Außerdem treten bei der Verwendung einer niedrigen Zwischenfrequenz während des Abstimmvorganges sehr störende lautstarke Krachgeräusche auf.
  • Beim beschriebenen Demodulatorprinzip ist es für niedrige Zwischenfrequenzen in der Empfangs--Schaltung bekannt; die ZF-Verstärkung-ohne-Induk tivitäten mit einem Breitbandverstärker durchzuführen -und für die Selektion RC-Tiefpässe zu benutzen.
  • Diese Lösung muß aber mit einigen Nachteilen erkauft werden. Da sich die Oszillatorfrequenz nur wenig von der Trägerfrequenz des zu empfangenden Senders unterscheidet, müß.-im Eingangsteil ein erhöhter Aufwand getrieben werden, -indem z. B. eine Kaskadenschaltung- eingesetzt wird; um die Abstrahlung der Oszillatorfrequenz und damit die Störung andererEmpfängerzu vermeiden,weil derHF-Sdhwingkreis. reicht mehr für die Rückwärtsdämpfung ausreicht.
  • Weiterhin ist eine herkömmliche Spiegelwellenunterdrückung mit dem Vorkreis nicht möglich. Neben zwei benachbarten Abstimrnpunkten für den zu empfangenden Sender treten Störungen durch die Modulationsspektren..der Nachbarkanäle auf: Auch bei einer ZF von 120 kHz reichen die Ausläufer der Nebenspektren in den 120-kHz-Bereich, weil der Frequenzabstand von 60 kHz zwischen Empfangssignal und.-Spiegelwelle des - Nachbarsenders zu klein ist.
  • Die weiterhin angewendeten Begrenzungsmaßnahmen; durch die- das jeweils schwächere Signal unterdrückt wird,, := versagen,- wenn zwei schwache Sender etwa gleich stärk einfallen oder wenn zwischen zwei starken Signalen in entsprechendem Frequenzabstand ein schwächeres Signal einfällt, welches dann unterdrückt wird.
  • Der Zweck der Erfindung ist es, die schaltungsmäßigen Voraussetzungen für die Einführung rationeller Herstellungsverfahren für FM-Empfänger zu schaffen und dabei zu gewährleisten, daß die Empfangseigenschaften zumindest nicht verschlechtert werden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde; eine induktivitätsarme Schaltungsanordnung zum Empfang von frequenzmodülierten Signalen anzugeben, bei der: die Umsetzung des zu empfangenden Signals in eine im Lang- oder Mittelwellenbereich liegende Zwischenfrequenz nicht erforderlich ist und bei der Mittel zur Spiegel- und Nachbarkanalselektion entfallen können.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein an sich bekannter Empfänger für frequenzmodulierte elektrische Hochfrequenzschwingungen mit einer Phasenvergleichseinrichtung, der am ersten Eingang eine frequenzmodulierte hochfrequente Schwingung und am zweiten Eingang die Schwingung eines Oszillators zugeführt ist, welcher über einen Verstärker für Gleich- und Wechselspannungen durch die Ausgangsspannung der Phasenvergleichseinrichtung in Frequenz und Phase nachgesteuert ist und bei dem das Demodulationsprodukt an einer Stelle zwischen dem Ausgang der Phasenvergleichseinrichtung und dem Eingang des Oszillators abgenommen ist, verwendet.
  • Erfindungsgemäß ist dabei die von der Antenne gelieferte Schwingung der Phasenyergleichseinrichtung in der ursprünglichen Frequenzlage zugeführt, und die Auswahl des gewünschten Senders wird durch Abstimmung des Oszillators bewirkt. Der Verstärker ist bei Abnahme des Demodulationsproduktes an seinem Ausgang so bemessen, daß die-erforderliche Gesamtverstärkung erreicht wird.
  • Da die Abstimmung auf den gewünschten Sender im Oszillator vorgenommen wird, ist es für das Prinzip gleichgültig, ob ein Vorverstärker für das von der Antenne gelieferte Signal schmal- oder breitbandig ausgelegt ist. Zur sicheren Vermeidung. von Beeinflussungen des Empfangs durch Nachbarkanalsender ist es vorgesehen, daß vor einem Verstärker für die zurückgewonnene Modulationsspannung ein nur das Frequenzband dieser Spannung durchlassender Tiefpaß geschaltet ist. Um die Oszillatorspannung am ersten Eingang der Phasenvergleichseinrichtung sehr klein zu halten und damit eine Oszillatorausstrahlung.über die Antenne zu verhindern, werden in der Phasenvergleichseinrichtung . symmetrische Schaltungen eingesetzt.
  • Es hat sich als vorteilhaft erwiesen,- auch folgende, an sich bekannte Maßnahmen bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Empfänger zu verwenden: Als Stellglied für die Phasenregelung wird zweckmäßig ein integral wirkendes Glied, z. B. eine Kapazitätsdiode; benutzt. Da beim erfindungsgemäßen Empfänger mit größeren Änderungen der Eingangsspannung zu rechnen ist, die sich in Änderungen der Kreisverstärkung. auswirken, ist es zur-Erhöhung der Stabilität des Regelkreises zweckmäßig, wie aus. der Regelungstechnik bekannt, den Verstärker für Gleich-und Wechselspannungen breitbi ndig auszubilden und mit einem den Amplituden- und Phasenfrequenzgang des Regelkreises korrigierenden Netzwerk zu kombinieren. Zum gleichen Zweck kann zusätzlich ein proportional für die Phasensteuerung bzw. -regelung der Oszillatorfrequenz wirkendes Glied in den Regelkreis eingeschaltet sein. Weiterhin kann eine vom HF-Eingangspegel abhängige Steuerung bzw. Regelung der Verstärkung des Verstärkers für Gleich- und Wechselspannungen vorgesehen werden. Da die Steuerung des Oszillators elektronisch erfolgt, ist es naheliegend, auch die Abstimmung des Empfängers auf den gewünschten Sender elektronisch vorzunehmen. Der erfindungsgemäße Empfänger besitzt folgende Vorteile: _ _ Die Filter können entweder mit Dünnfilminduktivitäten oder mit RC-Schaltungen aufgebaut werden Da sich auch der Verstärker für Gleich- und Wechsel-Spannungen und die Diodenschältungen der Phasenvergleichseinrichtungen- ,gut integrieren- lassen,. - sind die Voraussetzungen für die Verwendung integrierter Schaltungen gegeben. Da die zu -empfangende frequenzmodulierte elektrische Hochfrequenzschwingung selektiv demoduliert wird, können Mittel zur Spiegelwellen- und Nachbarkanalselektion entfallen. Infolge der Vermeidung einer Umsetzung in eine im Mittel-oder Langwellenbereich liegende ZF werden überhaupt Spiegelselektionsschwierigkeiten sowie Doppelempfang vermieden. -Untersuchungen äxri erfindungsgemäßen Empfänger haben ergeben, daß die-Empfangseigenschaften-nicht nur gleichwertig mit denen herkömmlicher Rundfunkempfänger sind, sondern sogar Verbesserungen hinsichtlich des Trequenzganges, .des Klirrfaktors, und der Begrenzung erreicht werden. können: .'" Im Gegensatz zum Ratiödetektor, bei dem der Frequenzgang durch schaltungstechnische Erfordernisse. prinzipiell eingeengt ist, kann beim erfindungsgemäßen Empfänger die obere Grenzfrequenz durch entsprechende Dimensionierung .des Regelkreises im Rahmen der auftretenden Erfordernisse- ohne prinzipbedingte Einschränkungen frei gewählt werden.
  • Beim erfindungsgemäßen Empfänger ergibt sich auf Grund der starken Gegenkopplung ein außerordentlich niedriger Klirrfaktor. Messungen an einem Modell ergaben Werte unter 0,5 %. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Empfängers, wonach der Phasenvergleichseinrichtung die von der Antenne gelieferte Schwingung in der ursprünglichen Frequenzlage zugeführt ist, werden die sonst häufig im ZF-Verstärker. entstehenden Phasen- und Amplitudenverfälschungen und die damit zusammenhängenden linearen und nichtlinearen Verzerrungen 'vermieden.
  • Der Proportionalitätsfaktorzwischen- Frequenzhub und Regelspannung, der eine Schaltungskonstanteist, läßt im frequenzlinearen Arbeitsbereich-des Demodu-. lators . für einen diskreten Frequenzhub nur eine diskrete Amplitude der Regelspannung zu.. Hieraus ergeben sich hervorragende Begrenzungseigenschaften.
  • Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
  • Der dort gezeigte Empfänger besteht aus einem in Frequenz und/oder Phase steuerbaren Oszillator 1,= einer daran angeschlossenen Phasenvergleichseinrichtung.2, die die Phase der Oszillatorschwingung und. die Phase des zu empfangenden HF-Signals ver-' gleicht, und einem breitbandigen Verstärker für Gleich- und Wechselspannungen 3, dessen Eingang mit der Phasenvergleichseinrichtung 2 und dessen Ausgang mit dem Oszillator 1 verbunden ist. An den Verstärker für Gleich- und Wechselspannungen 3 ist außerdem ein Verstärker 4 für die zurückzugewinnende NF-Spannung angeschlossen.
  • Der Phasenvergleichseinrichtung 2 wird am ersten Eingang das zu empfangende frequenzmodulierte HF-Signal in der ursprünglich an der Antenne anliegenden Frequenzlage-gegebenenfalls verstärkt -zugeführt. An den zweiten Eingang der Phasenvergleichseinrichtung 2 ist die- Spannung-des. in. Freqxenz -ünd@öder Phase steuerbaidn Oszillatörs 1 angelegt. Die Phasenvergleichseinrichtung 2 erzeugt eine Regelspaünung, .die der Phasendifferenz zwischen- den beiden., .Schwingungen entspricht: Diese Spannung wird: in dem breitbandigen Verstärker für Gleich- und. Wechselspannungen 3 verstärkt und dem steuerbaren, Oszillatör 1- zitgdleitet. Der Oszillätor 1 wird durch Abstimmittel auf- eine Frequenz eingestellt,. die etwa der Frequenz des zu empfangenden HF-Trägers. entsprielif,,-Da der Träger nur mit Wechselgrößen ohne Gleichanteil. in seiner Frequenz, moduliert ist, ergibt. sich im Fall der genauen Abstimmung, für die Größe der Regelspannung, der- zeitliche Mittelwert Null.. Bei: ungenauer Abstimmung sind dagegen die durch die Modulation hervorgerufenen Frequenzabweichungen. nach .der -einen. Seite größer als.-nach .der. anderen. Dadurch :entsteht nach der `Ü.berfagerung in- der Regel-. spännuüg eine Gleichspänriunggkomponente,. die dazu. ausgenutzt wird, den: Oszill'atör 1 in- die richtige Ab-$thnmlage zu schieben. Außerdem wird aber von der. Phäsenvergle'iclseiririchtung, Z eine Wechselspannungskompönentd mit derRegelspannung. abgegeben. Diese- entspricht der ursprünglichen und null zurückzugewinnenden NF Spannurig und wird im Ausfüfitungsbeispiel-hinter den: Verstärker 3 entnommen und-,auf den NF-Verstärker 4. gegeben.
  • Anders formuliert beruht die Wirkungsweise daraixf; c(aß eine: konstante rrequenzdifferenz. gemäß grundsätzlicher Beziehungen. in der Wechselstromlehre als' linear ansteigender Phasenwinkel aufgefaßt werden 'kann; wobei die Anderungsgeschwindiigkeit des, Phäseriwiinkels (3°60° pro 1 Hz) der Frequenzdifferez proportional. ist-: Da aber die Regelabweicligng eines,, integral wirkenden Regelkreises,. ufre er Trier vorl'iegt,@ der Änderungsgeschwindigkeif der Führungsgröße (nämlich hier der Änderungsgeschwindigkeit der Phase) proportional ist,. ist es zu erklären, daß bei dieser Regelung. die Regelspannung der Anderungsgeschwindigkeltder Phase,. also der Frequenzänderung und damit dem Rhythmus der. Modulation folgt: -Deshalb - entspricht die Regelspannurig der zurückzugewinnenden NF Spannung. ü-nd kann beispielsweise hinter dem Verstärker für Gleich- und - Wechselspannungen- 3 dem Regelkreis entnommen werden,. während sie andererseits rin Regelkreis zur genauen Nachstimmung des Oszillätörs 1 auf die Eingangsfrequenz: dient.
  • . Da ein frequenzmoduliertes, Signal, im übertragenen Sinne einem Wobbelsignal -mit einer sehr kleinen-Wöbbelgeschwindigkeit; bezogen auf die Schwingungsdauer des HF-Trägers,. entspricht, kann bereits beim Abstimmvorgäng, leicht: eine kurzzeitige Frequenz= gleichheit zwischen HF und Oszillatorfrequenz erreicht werden; der Oszillator wird über den Frequenzhub des Trägers »erfaßt«,, und die Phasenregelung. rastet gewissermaßen ein: Durch das I-Verhälten, des Regelkreises: erweist-:es sieh ..als vorteilhaft, - die. Sfäbilität desselben zu er--. höhen, Dazu. wird z..B:. der-Verstärker für Gleich-und Wechselspannitngen:3#mit einem passiven Netzi werk kombiniert, welches den Frequenz- und Phasen-: gang des. Regelkreises' korrigiert. Als- weitere Maß-' nahme läßt sich eine zusätzliche, .. proportional. wirkende Phasensteuerung bzw: -regelurig der Oszillatorfreqüenz und bzw. oder eine vom= HF-Eingangspegel abhängige. Verstärkungsregelung: des Gleich= spannungsverstärkers verwirklichen: Dadurch werden, m " iche# Instabilitäten durch ein zusätzliches P-Ver-# Ögl.
  • halten- weitgehend. ausgeschlossen:: Damit die. Frequenzspektren von Nachbarkanal-: ;, sendern nicht irgendwelche Übersteuerungen der= nachfolgenden: Verstärker hervorrufen, werden: vor den NF-Verstärker zweckmäßig Siebmittel in Form. von RC-Gliedern geschaltete die funktionsmäßig Tiefpaßcharakter -haben;, so daß nur das NF-Fre-. quenzband. am Eingang des NF-Verstärkers zur Ver-; fügung steht.

Claims (1)

  1. Patentansprüche:, 1: Empfänger- für -freqaenzmodulierte .elektrische Hochfrequenzschwingungen mit einem Phasenvergleichseinrichtung,, der am= ersten Eingang die zu empfangende Schwingung;>am zweiten Eingang die Schwingung eines. Oszillatörs zugeführt ist,. welcher über einen Verstärker für Gleich- und. Wechselspannungen durch die Ausgangsspannung der Phasenvergleichseinrichtung in. Frequenz und Phase nachgesteuert ist und, bei dem, das. -Demodülatönsprodukt an einer Stelle' zwischen dem Ausgang- der. Phasenvergleichseinrichtung und: dem Eingang des Oszillatörs abgeno:st;,dädurch gekennzeichnet, daß die voll der Antenne gelieferte Schwingung: der Thasenvergleichseinrichtung (2), in der ursprünglichen Frequenzlage zugeführt ist, daß die Auswahl des gewünschten Senders durch Abstimmurig, des Oszillators (1). bewirkt wird und daß der Verstärker (3) bei Abnahme des De= modulationsproduktes, an seinem Ausgang so bemessen ist,. daß` die erforderliche Gesamtverstärkung, erreicht. wird. 2.-Empfänger nach Anspruch 1,. dadurch- gekennzeichnet, daß vor den Verstärker (4) zur Vermeidung vonübersteuerungen für. die zurückzugewinnende Modulätionsspanhung -ein.-.nur für das Frequenzband. dieser Spannung ausgelegter 'TiefpalS- geschaltet ist. 3'. Empfänger , nach Anspruch 1 und. 2, dadurch.. gekennzeichnet;, däß die. Phasenvergleichscinrichtung. (2): zur Vermeidung der Oszillatoraussträhfung auf die Antenne mit symmetrischen Schaltungen. aufgebaut ist.
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