DE19921805A1 - FM/FSK-Demodulator mit automatischer Frequenzabstimmung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen FM/FSK-Demodulator mit automatischer Frequenzabstimmung (AFC - automatic frequency control) zum Empfang allgemein frequenzmodulierter (FM) und frequenzgetasteter (FSK - frequency shift keying) Signale. Die Demodulation erfolgt mit einem Koinzidenzdemodulator, bestehend aus einem Kondensator (1), einem Multiplizierer (2), einem Tiefpaßfilter (3) und einem Schwingkreis (4-9) zur Erzeugung einer Phasenverschiebung von 90 DEG beim Sollwert der Zwischenfrequenz (IF) des zu demodulierenden Signals. Die Erfindung besteht darin, daß durch die Rückkoppelschaltung (10-16) der Gleichanteil des Demodulatorausgangssignals (v¶o¶) zur Regelung einer Varaktordiode (8) verwendet wird. Damit erfolgt bei Abweichungen der Zwischenfrequenz (IF - intermediate frequency) vom Sollwert eine Nachstimmung der Resonanzfrequenz des Schwingkreises auf den Istwert, wodurch eine gleichbleibende Phasenverschiebung von 90 DEG und damit eine konstant gute Demodulationsfähigkeit auch bei großen Zwischenfrequenzschwankungen gewährleistet wird. Für die optimale Detektion von FSK-Signalen ist dem Demodulator ein Komparator (17) nachgeschaltet.

Description

Die Erfindung betrifft einen FM/FSK-Demodulator mit automatischer Frequenzabstimmung zum Empfang allgemein frequenzmodulierter (FM) und frequenzgetasteter (FSK - frequency shift keying) Signale. Der beschriebene Demodulator gehört dem Prinzip nach zur Kategorie der Koinzidenzdemodulatoren (mit unter auch Quadraturdemodulatoren genannt), welche die gemeinsame Eigenschaft besitzen, das zu demodulierende Zwischenfrequenzsignal den beiden Eingängen eines Multiplizierer zuzuführen. Dabei ist entscheidend, daß durch eine Schaltung zur Phasenverschiebung die beiden Eingänge des Multiplizierers mit einem Phasenunterschied von 90° (also in Quadratur) angesteuert werden. Um das FM oder FSK- Signal mit geringsten Verzerrungen und höchster Empfindlichkeit demodulieren zu können, muß die Phasenverschiebung von 90° beim Sollwert der Zwischenfrequenz möglichst exakt eingehalten werden. Am Ausgang des Multiplizierers erscheint zum einen ein Signalanteil mit der doppelten Frequenz des Zwischenfrequenzsignals, der durch ein nachgeschaltetes Tiefpaßfilter unterdrückt wird. Außerdem liefert der Multipliziererausgang das gewünschte demodulierte Nutzsignal, das im Falle einer analogen FM z. B. ein Sprach- oder auch Videosignal sein kann und im Falle einer Frequenztastung (FSK) digitale Daten beinhaltet. Das Prinzip des hier beschriebenen Koinzidenzdemodulators mit einem Parallelschwingkreis zur Phasenverschiebung (allerdings ohne den erfindungsgemäßen Zusatz zur Frequenz­ abstimmung) ist anschaulich in dem Fachbuch von Rudolf Mäusl "Analoge Modulations­ verfahren", Hüthig Buch Verlag, 2. Auflage, Heidelberg, 1988, Seiten 121 bis 123, beschrieben.

Für den Einsatz eines FM- oder FSK-Demodulators in einem Empfänger ist es in sehr vielen Fällen erforderlich, eine Frequenzabstimmung mittels AFC-Schaltung (AFC - automatic frequency control) vorzunehmen. Da sowohl die Trägerfrequenz des Senders als auch die Frequenz des Lokaloszillators im Empfänger, welcher das hochfrequente Eingangs­ signal auf die Zwischenfrequenz umsetzt, von den Nominalwerten abweichen können, wird mit den bekannten AFC-Schaltungen i. a. auf einen Sollwert der Zwischenfrequenz geregelt, wodurch der Demodulator eine konstante Eingangsfrequenz erhält. Bei Verwendung eines Koinzidenzdemodulators wird häufig das Regelkriterium, wie auch im vorliegenden Fall, aus dem Gleichwert des Demodulatorausgangssignals abgeleitet. Die Regelgröße wird dann jedoch entweder direkt dem Lokaloszillator oder einem Referenzoszillator (der i. a. als Quarz­ oszillator ausgeführt ist) zugeführt, um dort eine Frequenznachführung vorzunehmen. Beispielhaft hierfür sei die Offenlegungsschrift DE 33 04 181 A1 genannt.

Eine Schaltungsanordnung, die Schwankungen der Zwischenfrequenz akzeptiert und bei der, wie in der erfindungsgemäßen Schaltung, die Abstimmung auf den Istwert der Zwischenfrequenz im FM-Demodulator selbst erfolgt, ist in der Patentschrift EP 0 604 735 A1 beschrieben. Diese Schaltungsanordnung hat jedoch den Nachteil, daß eine aufwendige Elektronik erforderlich ist, um den gewünschten Effekt zu erzielen. Diese Realisierung kann deshalb nur sinnvoll in voll integierter Form erfolgen, setzt keine Varaktordiode ein und ist daher weniger flexibel verwendbar als die erfindungsgemäßen Schaltung.

Die Beschreibung der Funktionsweise des FM/FSK-Demodulators mit automatischer Frequenzabstimmung (AFC) erfolgt anhand von Fig. 1. Das am Demodulatoreingang (IF) anliegende frequenzmodulierte Signal mit der Zwischenfrequenz f und dem Frequenzhub Δf steuert einerseits direkt den einen Eingang des Multiplizierers (2), welcher zweckmäßiger­ weise als Vierquadranten-Multiplizierer ausgeführt ist, und wird andererseits über einen Kondensator (1) an den zweiten Eingang des Multiplizierers geführt. Der Parallel­ schwingkreis (4-9) liegt zwischen dem zweiten Eingang des Multiplizierers und dem Massepotential der Schaltung (das i. a. 0 V beträgt). Die Resonanzfrequenz des Parallel­ schwingkreises (4-9) einschließlich des Kondensators (1) beträgt f₀, und ist so zu dimensionieren, daß diese zunächst mit dem Sollwert der Zwischenfrequenz f_nom übereinstimmt, d. h. f₀ = f_nom. Dadurch beträgt die Phasenverschiebung zwischen den beiden Eingängen des Multiplizierers (2) beim Sollwert der Zwischenfrequenz 90°.

Die Dimensionierung der Schaltung kann in der Weise erfolgen, daß bei Anliegen eines FM-Testsignals mit f_nom und Δf der Gleichanteil der Demodulatorausgangsspannung v_o genau in der Mitte zwischen Betriebsspannung und Massepotential liegt und eine sym­ metrische Aussteuerung von v_o bei positiven und negativen Werten von Δf erfolgt. Dies wird dadurch erreicht, daß die Verstärkung des Operationsverstärkers (12) durch die Wahl der Gegenkopplungswiderstände (11, 13) so festgelegt wird, daß die Kapazität der Varaktordiode (infolge ihrer Sperrspannung, die praktisch der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers entspricht) den Schwingkreis genau auf f₀ abstimmt. Optional kann am Eingang REF eine Referenzspannung zur manuellen Abstimmung von f₀ angelegt werden, um den nutzbaren AFC-Bereich noch weiter nach oben oder unten zu verschieben. Der RC-Tiefpaß (15, 16) dient der Abtrennung des Gleichanteils von v_o. Für eine gute Filterwirkung sollte die Zeitkonstante dieses Tiefpasses ca. 20- bis 50mal größer als die größte mögliche Zeit­ constante des Modulationssignals sein. Der Widerstand (10) trennt den niederohmigen Ausgang des Operationsverstärkers von der Varaktordiode, um deren Güte nicht zu beein­ flussen. Der Kondensator (4) dient lediglich als Trennkondensator und verhindert, daß der Gleichspannungswert am zweiten Multiplizierereingang durch die Induktivität (5) nicht auf 0 V gezogen wird; sein Kapazitätswert sollte also groß genug sein, um die Resonanzfrequenz des Schwingkreises (4-9) nicht zu beeinflussen. Die Resonanzfrequenz f₀ des Schwingkreises (4-9) berechnet sich wie folgt:

mit C_x = C₉.C₈/(C₉+C₈) und für C₄ » C₆; alle Indizes entsprechend den Bezugszeichen. Der Widerstand (14) sollte etwa den gleichen Wert des Widerstandes (16) haben, um über den Operationsverstärker eine Spannungsaddition von v_o und REF zu ermöglichen.

Liegt die Zwischenfrequenz (IF) beim Sollwert und damit auch bei der Resonanz­ frequenz des Demodulators, d. h. f = f_nom = f₀, dann erfolgt bei FM- oder FSK-Stimulierung, eine symmetrische Aussteuerung von v_o um den Gleichanteil, der etwa dem Mittelwert von Betriebsspannung (V_cc) und Massepotential (0 V) entspricht, also ca. V_cc/2 beträgt. Die Aus­ lenkung des Demodulatorausgangssignals v_o erfolgt gemäß der sogenannten S-Kurve des Demodulators. Unter Annahme einer positiven Polarität des Multiplizierers (2) erscheint bei positiven Werten des momentanen Spitzen-Frequenzhubs Δf eine positive Aussteuerung von v_o, d. h. die momentane Spannung am Ausgang (FMIAF) liegt über dem Gleichanteil, während bei negativen Werten von Δf die momentane Spannung am Ausgang (FM/AF) unter dem Gleichanteil liegt. Fig. 2 zeigt qualitativ für den Fall f = f₀ und bei einer Güte des Schwingkreises (4-9) von Q = 10, durch die fettgedruckten Pfeile dargestellt, die zugehörige S-Kurve und die Auslenkung von v_o bei +Δf mit +V bzw. bei -Δf mit -V. Die Güte des Schwingkreise ergibt sich zu Q = 2.π.f₀.(C₁+C₅+C_x).R₇; alle Indizes entsprechend den Bezugszeichen. Die Symmetrie der Ausgangsspannung kommt durch die nahezu identischen Beträge der Auslenkungen +V und -V zum Ausdruck. Wäre nun der Demodulator nicht AFC- fähig, würde sich seine Resonanzfrequenz f₀ nicht an eine Abweichung der Zwischenfrequenz E anpassen. Damit würde die S-Kurve unverändert ihren Umkehrpunkt bei f₀ beibehalten und eine Verstimmung von f um den Wert f_offs würde eine unsymmetrische Auslenkung von v_o bewirken. Dieser Fall ist in Fig. 2 durch die schwachgedruckten Pfeile dargestellt. Es ist ersichtlich, daß positive Werte von Δf eine deutlich kleinere Auslenkung +V* bewirken, als dies bei negativen Werte von Δf der Fall ist, die zu einer Auslenkung -V* führen.

Da bei Auftreten eines Frequenzoffsets f_offs erfindungsgemäß aber eine automatische Abstimmung des Schwingkreises (4-9) durch die Varaktordiode (8) in der Weise erfolgt, daß der Wendepunkt der S-Kurve hin zu f = f₀ + f_offs verschoben wird, bleibt die Symmetrie der Demodulatorausgangsspannung und damit die Aussteuerbarkeit erhalten. Ein positiver Wert von f_offs bewirkt eine Erhöhung des Gleichspannungsanteils von v_o, der durch das RC- Tiefpaßfllter (15, 16) vom Modulationssignal abgetrennt und dem Eingang des Operations­ verstärker (12) zugeführt wird. Dadurch erhöht sich, bewertet mit der Verstärkung des Operationsverstärkers (12), die Sperrspannung der Varaktordiode (8). Dies wiederum führt infolge der Kapazitätscharakteristik der Varaktordiode zu einer Verkleinerung ihrer Kapazität, was schließlich eine Erhöhung der Resonanzfrequenz f₀ um den Wert von f_offs bewirkt. Dieser Fall ist in Fig. 3 für einen positiven Frequenzversatz f_offs dargestellt. Es ist ersichtlich, daß jetzt die positiven und negativen Auslenkungen, +V* und -V*, unbeeinflußt von der Verstimmung bleiben. Die Wirkung erfolgt in analoger Weise bei Vorhandensein eines negativen Frequenzversatzes f_offs, indem der Wendepunkt der S-Kurve hin zu f = f₀ - f_offs verschoben wird.

Die in Fig. 1 dargestellte Blockstruktur des FM/FSK-Demodulators mit automatischer Frequenzabstimmung wurde als Ausführungsbeispiel in einem Superhet-Empfänger für das neue 868 MHz-ISM-Band technisch realisiert. Wie bei allen ISM (Industrial Science Medical)- Anwendungen spielt der Kostenfaktor hier eine entscheidende Rolle. Deshalb werden bei den 868 MHz-Sendern u. a. Schaltungen mit kostengünstigen SAW (Surface Accoustic Wave)- Resonatoren verwendet, deren Frequenztoleranz allerdings ca. ± 100 bis ± 200 MHz beträgt. Diese Frequenzabweichungen erfordern einen Empfänger mit AFC. Im Ausführungsbeispiel erfolgte die FM/FSK-Demodulation bei einer nominalen Zwischenfrequenz von 20 MHz. Es wurden die folgenden aktiven Bauelemente verwendet: (2) = Multiplizierer als Teil des Empfänger-Schaltkreises RF2917, (12) = Operationsverstärker LMC7111, (8) = Varaktor­ diode BB515. Auf den Einsatz einer Referenzspannung (REF) wurde hierbei verzichtet, da die Akzeptanz der hochfrequenten Trägerfrequenz (und damit auch der im Superhet erzeugten Zwischenfrequenz) durch die AFC-Fähigkeit des Demodulators mit ± 300 kHz vollkommen ausreichend war. Der Komparator (17) zur Verbesserung der Impulsform des Datensignals war Teil eines Decoderschaltkreises (MC145028).

Die erfindungsgemäße Schaltung des FM/FSK-Demodulators kann sehr gut auch in integrierter Form als Bestandteil eines Empfänger-Schaltkreises eingesetzt werden. Es können dabei sinnvollerweise der Kondensator (1), der Multiplizierer (2), das Tiefpaßfilter (3), der Operationsverstärker (12) und der Komparator (17) z. B. in Bipolar- oder CMOS-Technologie integriert werden. Je nach Fähigkeit der verwendeten Technologie, auch Varaktordioden gut integrieren zu können, kann ggf. auch die Varaktordiode (8) Bestandteil des Schaltkreises sein. Ist die Varaktordiode (8) jedoch extern, kann eine bessere Anpassung der Schaltung durch die Wahl einer für die vorgesehene Zwischenfrequenz geeigneten Varaktordiode vorgenommen werden. Die Schaltung kann erfindungsgemäß AFC-fähig betrieben werden, indem der Schwingkreis (4-9), ggf ausschließlich Varaktordiode (8), falls diese mit integriert ist, durch externe Elemente für die erforderliche Zwischenfrequenz dimensioniert wird. Außerdem kann für den Einsatz in sehr frequenzgenauen Systemen die Beschaltung auch ohne AFC-Fähigkeit vorgenommen werden, indem keine Rückkopplung vom Demodulatorausgang (FM/IF) auf den Schwingkreis erfolgt. In diesem Fall sollte aus Abgleichtoleranzgründen der Schwingkreis (4-7) durch einen Keramikresonator ersetzt werden; dieser besitzt ebenfalls eine Parallelresonanz und zeichnet sich durch gute Frequenztoleranz aus, liegt jedoch nicht für jede Frequenz als Standardbauteil vor. Der vorhandene Operationsverstärker kann dann für andere Zwecke (wie z. B. Signalkon­ ditionierung) verwendet werden.

Claims (5)

1. FM/FSK-Demodulator mit automatischer Frequenzabstimmung zum Empfang allgemein frequenzmodulierter (FM) und frequenzgetasteter (FSK) Signale, dadurch gekennzeichnet, daß ein Koinzidenzdemodulator, bestehend aus einem Kondensator (1), einem Multiplizierer (2), einem Tiefpaßfilter (3) und einem Schwingkreis (4-9), automatisch auf den Istwert der Zwischenfrequenz (IF) des zu demodulierenden Signals abgestimmt wird.

2. Demodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Rückkoppelschaltung (10-16) der Gleichanteil des Demodulator­ ausgangssignals (v_o) zur direkten Abstimmung der Varaktordiode (8) genutzt wird und damit eine Frequenzkompensation ohne Regelung externer Baugruppen erfolgt.

3. Demodulator nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkoppelschaltung aus einem Tiefpaßfilter (15, 16) zur Gewinnung des Gleichanteils des demodulierten Signals (FM/AF) und einem Operationsverstärker (12) mit einer Widerstandsbeschaltung (10, 11, 13) zur Einstellung der Regelsteilheit der Rückkoppelschaltung und Anpassung an die Kapazitätssteuerkennlinie der Varaktordiode (8) besteht.

4. Demodulator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an die Rückkoppelschaltung optional über einen Widerstand (14) eine externe Referenzspannung (REF) angelegt werden kann, die eine zusätzliche Abstimmung des Resonanzkreises (4-9) gestattet.

5. Demodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß hinter dem Ausgang für die analogen Signale (FM/AF) ein Komparator (17) geschaltet ist, der durch sein Schwellwertverhalten eine bessere Detektion von digitalen Daten erlaubt und diese an seinem Ausgang (FSK/DATA) zur Verfügung stellt.