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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. .
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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.
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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.
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- Die Weiterentwicklung führte zu aufwendigeren ZF-Verstärkern und
bezüglich Begrenzer- und linearen Demodulationseigenschaften optimierten Demadulatoren.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher
erläutert werden. Die Zeichnung zeigt ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung.
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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.
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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.
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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.
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. 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.
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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.