DE19821291C1

DE19821291C1 - Demodulator für ein frequenzmoduliertes Signal

Info

Publication number: DE19821291C1
Application number: DE1998121291
Authority: DE
Inventors: Meinolf Dipl Ing Arens; Juergen Dipl Ing Zieschang; Michael Dipl Ing Kocks
Original assignee: Temic Semiconductor GmbH
Current assignee: Microchip Technology Munich GmbH
Priority date: 1998-05-13
Filing date: 1998-05-13
Publication date: 1999-02-11
Anticipated expiration: 2018-05-14

Description

Die Erfindung betrifft einen Demodulator für frequenzmodulierte Signale gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige FM-Demodulatoren werden zur Demodulation frequenzmodu lierter Signale, insbesondere auch digitaler FM-Signale eingesetzt. Ein Qua draturdemodulator gemäß dem Stand der Technik wird in der Fig. 2 ge zeigt. Er weist neben dem EXOR-Mischer (2) und dem auf die Mittenfre quenz abgestimmten Schwingkreis (1) eine Koppelkapazität (C) auf, die zu einer zusätzlichen, für die Demodulation erforderlichen Phasenverschie bung 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 Zwi schenfrequenzbandes liegt, einen zumindest näherungsweise linearen Pha sengang auf, was zu einer Phasenverschiebung führt, sofern die Frequenz des Eingangssignals (S₁) von der Mittenfrequenz abweicht. Da jedoch zusätz lich die Koppelkapazität (C) einen nicht konstanten und von Bauelemente schwankungen zusätzlich abhängigen Phasengang aufweist, führt dies bei frequenzmodulierten Eingangssignalen (S₁) zu einer Verfälschung des Mi schersignals (S₃) in Abhängigkeit von der Frequenz des Eingangssignals (S₁). Außerdem entstehen Verluste durch die Koppelkapazität, die zusammen mit dem Schwingkreis einen Hochpaß bildet, 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 Bau elemente und Röhren mit oben beschriebener Nachteile der unerwünsch ten 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 ent nommen werden.

Best, Roland: Theorie und Anwendungen des Phase-Iocked Loops. In: Elek troniker, 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 verschie dener digital realisierter Phasendetektoren, insbesondere auch eines Pha sendetektors 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 Demodulato ren auf Basis eines Schwingkreises aufweisen.

Aufgabe der Erfindung ist einen Demodulator frequenzmodulierter Signale anzugeben, bei dem die unerwünschte Frequenzabhängigkeit bei der Pha senverschiebung um 90 Grad auf einfache Weise entfällt.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentan spruchs 1 gelöst.

Durch die Frequenzteiler-Flip-Flop-Schaltung werden am Ausgang des Ma sters und des Slaves zwei in ihrer Frequenz halbierte, jedoch zueinander um exakt gleich bleibend 90 Grad phasenverschobene Signale erzeugt. Da durch die Frequenzteilung jedoch auch die aufmodulierte Frequenzabweichung halbiert wird, verändert sich zwar die Frequenz des Mischersignals, nicht je doch das ausgangsseitig mittels der Mittelwertbestimmung bestimmte Gleichanteilssignal. Die Demodulation ist somit weiterhin möglich, weist je doch außerhalb des Schwingkreises keine Frequenzabhängigkeit mehr auf. Zusätzlich wird die Eingangsempfindlichkeit verbessert.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und der Figuren näher erläutert. Kurze Beschreibung der Figuren:

Fig. 1 FM-Demodulator mit D-Flip-Flops als Master und Slave des Frequenzteilers,

Fig. 2 FM-Demodulator gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 3 Phasengang des Schwingkreises,

Fig. 4 Signalverläufe bei einem Eingangssignal genau mit Mittenfre quenz,

Fig. 5 Signalverläufe bei einem Eingangssignal mit einer Frequenz abweichung,

Fig. 6 weiteres Ausführungsbeispiel mit JK-Flip-Flops.

Die Fig. 1 zeigt einen FM-Demodulator mit einer Frequenzteiler-Flip-Flop- Schaltung 4, bestehend aus einem Master 4.1 und einem Slave 4.2, bei der insbesondere ein Eingang des Slaves 4.2 über die Verbindung 4.3 mit einem Ausgang des Masters 4.1 verbunden ist.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 wird eine Realisierung mit D-Flip-Flops als Master 4.1 und Slave 4.2 gezeigt. Master 4.1 und Slave 4.2 sind dabei wie für Frequenzteiler auf Basis von D-Flip-Flops üblich miteinander verschaltet, wobei der Slave 4.2 vom im Inverter 4.5 des Frequenzteilers 4 invertierten Eingangssignal (S₀) getaktet wird. Mit dem Mischer 2 sind ei nerseits der Aysgang (Q₂) des Slaves 4.2 und andererseits der Ausgang (Q₁) des Masters 4.1 verbunden, d. h. der Mischer greift zwischen Master 4.1 und Slave 4.2 ein um 90 Grad gegenüber dem Eingangssignal S₀ phasenverscho benes Signal halber Eingangsfrequenz ab. Dieses Signal wird dann noch im Schwingkreis 1 in Abhängigkeit von der Frequenzabweichung des Eingangs signals S₀ von der Mittenfrequenz f_ZF weiter phasenverschoben und so das phasenverschobene Signal S₂ gebildet. Die Signale S₁ und S₂ sind gegenüber dem Eingangssignal S₀ jeweils in ihrer Frequenz halbiert, wie dies für Fre quenzteiler charakteristisch ist. Beide Signale S₁ und S₂ werden nun im Mi scher 2 miteinander zu einem Mischersignal S₃ Exor-verknüpft und in der Mittelwertbestimmung 3 hieraus ein Gleichanteilssignal S₄ abgeleitet. Hin zuweisen ist, daß der Schwingkreis 1 sowohl dem Master 4.1 (vgl. Fig. 1) als auch dem Slave 4.2 (vgl. Fig. 6) nachgeschaltet werden kann, da für die Exor- Verknüpfung im Mischer 2 einzig deren relative Phasenabweichung zuein ander entscheidend ist. Die Fig. 2 gemäß dem Stand der Technik wurde bereits in der Beschreibungseinleitung erläutert.

Die Fig. 3 zeigt nun den Phasengang ϕ(f) des Schwingkreises 1 unter Be rücksichtigung der zusätzlichen Phasenverschiebung von 90 Grad durch die Frequenzteiler-Flip-Flop-Schaltung 4 um die Mittenfrequenz f_ZF/2. Deutlich erkennbar ist der linear von 180 Grad auf 0 Grad abfallende Bereich des Pha sengangs, der den Arbeitsbereich des FM-Demodulators kennzeichnet.

Die Fig. 4 und 5 ermöglichen nun den Vergleich der Signalverläufe bei einem Eingangssignal genau mit Mittenfrequenz f_ZF (Fig. 4) mit denen bei einer Frequenzabweichung f_ZF + Δf (Fig. 5). Während in Fig. 4 das phasen verschobene Signal S₂ exakt 90 Grad verschoben zum Ausgangssignal S₁ des Slaves 4.2 ist (vgl. auch Fig. 3), tritt bei Fig. 5 aufgrund der Frequenzabwei chung zusätzlich im Schwingkreis 1 eine Phasenverschiebung des Signals S₂ auf. Das Mischersignal S₃ als Exor-Verknüpfung der Signale S₁ und S₂ ist dem zufolge bei Fig. 4 gleichverteilt (Tastverhältnis = 50%), währenddessen sich bei Fig. 5 ein Ungleichverhältnis (Tastverhältnis < 50%) einstellt, welches bei der Mittelwertbestimmung 3 zu einem negativen Signal S₄ führt, während dessen das Signal S₄ bei Fig. 4 den Wert Null aufweist.

Fig. 6 zeigt noch ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die Frequenz teiler-Flip-Flop-Schaltung 4 aus JK-Flip-Flops aufgebaut ist. Wieder wird an der Verbindung 4.3 zwischen Master 4.1 und Slave 4.2 ein um 90 Grad pha senverschobenes und in seiner Frequenz halbiertes Signal abgegriffen, wel ches jedoch in diesem Ausführungsbeispiel direkt dem Mischer 2 zugeführt wird. Der Schwingkreis 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel nach dem Slave 4.2 angeordnet.

Claims

1. Demodulator für ein um eine Mittenfrequenz (f_ZF) schwankendes fre quenzmoduliertes Eingangssignal (S₀),
der einen auf die Mittenfrequenz (f_ZF/2) abgestimmten Schwingkreis (1) aufweist, der ein in Abhängigkeit von der Frequenz des Eingangssignals (S₁) phasenverschobenes Signal (S₂) erzeugt,
der einen Mischer (2) zum Mischen dieses phasenverschobenen Signals (S₂) mit einem aus dem Eingangssignal (S₀) abgeleiteten Signal (S₁) zu ei nem Mischersignal (S₃) und
eine Mittelwertbestimmung (3) aus dem Mischersignal (S₃) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß
eine Frequenzteiler-Flip-Flop-Schaltung (4) mit einem Flip-Flop als Master (4.1) und einem als Slave (4.2) vorgesehen ist, wobei

a1) der Master (4.1) vom Eingangssignal (S₀) und der Slave (4.2) vom inver tierten Eingangssignal oder
a2) der Master (4.1) vom invertierten Eingangssignal und der Slave (4.2) vom Eingangssignal (S₀) getaktet wird, und
b) mit einem nichtinvertierten Ausgang (Q₁) des Masters (4.1) ein Eingang (D₂) des Slaves (4.2) und mit einem invertierten Ausgang des Slaves (4.2) ein Eingang des Masters (4.1) verbunden ist,
c) einer der Eingänge des Mischers (2) mit einem der Ausgänge (Q₁, Q₁) des Masters (4.1) verbunden ist, während der andere Eingang des Mischers (2) mit einem der Ausgänge (Q₂, Q₂) des Slaves (4.2) verbunden ist,
d) wobei einem der Eingänge des Mischers (2) der Schwingkreis (1) vorge schaltet ist.