DE19821290B4

DE19821290B4 - Demodulator für ein frequenzmoduliertes Signal

Info

Publication number: DE19821290B4
Application number: DE1998121290
Authority: DE
Inventors: Meinolf Dipl.-Ing. Arens; Johann Dipl.-Ing. Traub (Fh)
Original assignee: Atmel Germany GmbH
Current assignee: Microchip Technology Munich GmbH
Priority date: 1998-05-13
Filing date: 1998-05-13
Publication date: 2007-10-11
Anticipated expiration: 2018-05-14
Also published as: DE19821290A1

Abstract

Demodulator für ein um eine Mittenfrequenz (f_ZF) schwankendes frequenzmoduliertes Eingangssignal (S₁),
der einen auf die Mittenfrequenz (f_ZF) abgestimmten Schwingkreis (1) aufweist, der ein in Abhängigkeit von der Frequenz des Eingangssignals (S₁) phasenverschobenes Signal (S₂) erzeugt,
der einen Mischer zum Mischen dieses phasenverschobenen Signals (S₂) mit dem Eingangssignal (S₁) zu einem Mischersignal (S₃) und
eine Mittelwertbestimmung (3) aus dem Mischersignal (S₃) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß
als Mischer ein flankengetriggertes RS-Flip-Flop (4) vorgesehen ist, dem an einem Eingang (R/S) das Eingangssignal (S₁) sowie am anderen Eingang (S/R) das im Schwingkreis (1) phasenverschobene Signal (S₂) zugeführt werden,
wobei entweder das Eingangssignal (S₁) oder das phasenverschobene Signal (S₂) in einem Inverter (5) zusätzlich noch invertiert ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Demodulator für frequenzmodulierte Signale gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Derartige FM-Demodulatoren werden zur Demodulation frequenzmodulierter Signale, insbesondere auch digitaler FM-Signale eingesetzt. Ein Demodulator gemäß dem Stand der Technik wird in der 2 gezeigt. Er weist neben dem ExOR-Mischer (2) und dem auf die Mittenfrequenz abgestimmten Schwingkreis (1) eine Koppelkapazität (C) auf, die zu einer zusätzlichen, für die Demodulation erforderlichen Phasenverschiebung von ca. 90 Grad der dem Mischer (2) zugeführten Signale (S₁, S₂) führt. Der Schwingkreis (1) weist innerhalb eines Frequenzbereiches, der durch die gewählten Bauelementen bestimmt ist und um die Mittenfrequenz des Zwischenfrequenzbandes liegt, einen zumindest näherungsweise linearen Phasengang auf, was zu einer Phasenverschiebung führt, sofern die Frequenz des Eingangssignals (S₁) von der Mittenfrequenz abweicht. Da jedoch zusätzlich die Koppelkapazität (C) einen nicht konstanten und von den Bauelementeschwankungen abhängigen Phasengang aufweist, führt dies bei frequenzmodulierten Eingangssignalen (S₁) zu einer Verfälschung des Mischersignals (S₃) in Abhängigkeit von der Frequenz des Eingangssignals (S₁). Außerdem entstehen durch die Koppelkapazität Wirkungsgradverluste, was die Eingangsempfindlichkeit reduziert. Dem Mischer (2) nachgeschaltet ist eine Mittelwertbestimmung (3), die dann das eigentliche Basisbandsignal (S₄) erzeugt.
Die Phasendetektion frequenzmodulierter Signale auf Basis analoger Bauelemente und Röhren mit oben beschriebener Nachteile der unerwünschten zusätzlichen Frequenzabhängigkeit kann darüber hinaus beispielsweise Meinke/Gundlach: Taschenbuch der Hochfrequenztechnik, 3. Aufl. Berlin u.a., 1968, Springer Verl., S. 1388 oder Richter: UKW-FM, Radiotechnik für Alle, 2.Teil, 3.Aufl. Stuttgart, 1952, Francksche Verlagshandlung, 123 bis 127 entnommen werden.
Best, Roland: Theorie und Anwendungen des Phase-locked Loops. In: Elektroniker, 15. Jhg., 1976, Nr. 9, Seite EL20, EL21 sowie 14. Jhg., Nr. 12, S. EL6 bis EL8 beschreibt darüber hinaus die Realisierung von Phasen-Regelkreisen (PLLs) mittels digitaler Bauelemente und den Aufbau und Einfluß verschiedener digital realisierter Phasendetektoren, insbesondere auch eines Phasendetektors mit flankengetriggerten RS-Flip-Flops, auf das verhalten von PLLs. Die primäre Aufgabe der Phasendetektoren ist jedoch die Ansteuerung eines spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) zum Abgleich dessen Frequenz mit der eines Eingangssignals. Die Aufbau und Wirkungsweise eines FM-Demodulators mit PLL ist aufgrund des VCO abweichend und aufwendiger, wenngleich diese auch bekanntermaßen Vorteile gegenüber Demodulatoren auf Basis eines Schwingkreises aufweisen.
Aufgabe der Erfindung ist einen Demodulator frequenzmodulierter Signale anzugeben, bei dem die unerwünschte Frequenzabhängigkeit bei der Phasenverschiebung um 90 Grad auf einfache Weise entfällt.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Als Mischer sowie anstelle der Koppelkapazität wird ein flankengetriggertes RS-Flip-Flop vorgesehen, welches aufgrund seines digitalen Aufbaus keine Frequenzabhängigkeit aufweist und bei Zuführung des Eingangssignals sowie des durch den Schwingkreis phasenverschobenen Eingangssignals die gewünschte Mischung ausgangssseitig bei einem flankengetriggerten RS-Flip-Flop üblichen Exor-Mischer erzeugt. Eines der dem RS-Flip-Flop zugeführten Signale, also entweder das Eingangssignal oder das phasenverschobene Eingangssignal wird zuvor invertiert, also zusätzlich um 180 Grad phasenverschoben.
Welches Signal dabei an den R- und welches Signal an den S-Eingang des flankengetriggerten RS-Flip-Flops angeschaltet wird, ist nicht wesentlich, da letztlich nur die relative Phasenverschiebung der beiden Signale zur Wirkung kommt und maximal zu einer Veränderung des Vorzeichens des Mischersignals führt. Dies kann aber gegebenenfalls durch eine ausgangsseitige Invertierung jederzeit ausgeglichen oder bei einer Auswertung des Mittelwertsignals als Frequenzerhöhung oder -erniedrigung zu einem logischen Wert berücksichtigt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und der Figuren näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Figuren:
1 FM-Demodulator mit RS-Flip-Flop
2 FM-Demodulator gemäß dem Stand der Technik
3 Phasengang des Schwingkreises
4 Signalverläufe bei einem Eingangssignal genau mit Mittenfrequenz
5 Signalverläufe bei einem Eingangssignal mit einer Frequenzabweichung
Die 1 zeigt einen FM-Demodulator mit einem flankengetriggerten RS-Flip-Flop 4, deren Eingängen R und S jeweils ein Signal zugeführt wird. Da es jedoch für die Erfindung nicht entscheidend ist, an welchem der Eingänge R bzw. S welches Signal angelegt wird, wurden die Eingänge nicht unterschiedlich bezeichnet. Angelegt wird zum einen das Eingangssignal S₁, andererseits das im Schwingkreis 1 phasenverschobene Signal S₂, welches außerdem noch gegenüber dem Eingangssignal S₁ im Inverter 5 invertiert wurde. Es ist dabei nicht wesentlich, ob der Inverter 5 vor oder nach dem Schwingkreis 1 oder gar vor dem anderen Eingang des RS-Flip-Flops 4 geschaltet ist, da nur der relative Phasenunterschied zwischen den Signalen S₁ und S₂ bei der Mischung im RS-Flip-Flop 4 entscheidet. Gegebenenfalls muß das Vorzeichen des Ausgangssignals S4 angepaßt werden. Das RS-Flip-Flop 4 weist zwei miteinander in einer der verschiedenen bekannten Schaltungsmöglichkeiten verbundene Master-Slave-Flip-Flops 4.1 und 4.2 auf, die in einem internen Mischer 2.4 ausgangsseitig verbunden sind. Der interne Mischer 2.4 des RS-Flip-Flops 4, ausgeführt als EXOR-Verknüpfung, ersetzt dabei gleichzeitig den im Stand der Technik üblicherweise externen Mischer 2 (vgl. 2). Die 2 gemäß dem Stand der Technik wurde bereits in der Beschreibungseinleitung erläutert.
Die 3 zeigt nun den Phasengang φ(f) des Schwingkreises 1 unter Berücksichtigung der zusätzlichen Phasenverschiebung durch den in diesem Ausführungsbeispiel vorgeschalteten Inverter 5 um die Mittenfrequenz f_ZF. deutlich erkennbar ist der linear von 90 Grad auf 270 Grad abfallende Bereich des Phasengangs, der den Arbeitsbereich des Quadraturdemodulators kennzeichnet.
Die 4 und 5 ermöglichen nun den Vergleich der Signalverläufe bei einem Eingangssignal genau mit Mittenfrequenz f_ZF (4) mit denen bei einer Frequenzabweichung f_ZF + Δf.
Während in 4 das phasenverschobene Signal S₂ exakt invertiert zum Eingangssignal S₁ ist, tritt bei 5 aufgrund der Frequenzabweichung zusätzlich eine Phasenverschiebung auf. Das Mischersignal S₃ als Exor-Verknüpfung der Signale S₁ und S₂ ist demzufolge bei 4 gleichverteilt (Tastverhältnis = 50%), währenddessen sich bei 5 ein Ungleichverhältnis (Tastverhältnis < 50%) einstellt, welches bei der Mittelwertbestimmung 3 zu einem negativen Signal S₄ führt, währenddessen das Signal S₄ bei 4 den wert Null aufweist.
Die Zuordnung eines negativen Signals zu einer positiven oder negativen frequenzabweichung ist dabei von der Zuschaltung des Inverter 5 zum R- oder S-Eingang des RS-Flip-Flops 4 abhängig.

Claims

Demodulator für ein um eine Mittenfrequenz (f_ZF) schwankendes frequenzmoduliertes Eingangssignal (S₁), der einen auf die Mittenfrequenz (f_ZF) abgestimmten Schwingkreis (1) aufweist, der ein in Abhängigkeit von der Frequenz des Eingangssignals (S₁) phasenverschobenes Signal (S₂) erzeugt, der einen Mischer zum Mischen dieses phasenverschobenen Signals (S₂) mit dem Eingangssignal (S₁) zu einem Mischersignal (S₃) und eine Mittelwertbestimmung (3) aus dem Mischersignal (S₃) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß als Mischer ein flankengetriggertes RS-Flip-Flop (4) vorgesehen ist, dem an einem Eingang (R/S) das Eingangssignal (S₁) sowie am anderen Eingang (S/R) das im Schwingkreis (1) phasenverschobene Signal (S₂) zugeführt werden, wobei entweder das Eingangssignal (S₁) oder das phasenverschobene Signal (S₂) in einem Inverter (5) zusätzlich noch invertiert ist.
Demodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polung des aus der Mittelwertbestimmung (3) resultierenden Gleichanteilssignals abhängig von der Lage des Inverters (5) und dessen Zuschaltung am R oder S-Eingang des RS-Flip-Flop (4) durch Invertierung oder logische Bewertung angepaßt wird.