DE2153244C3 - Empfangssystem - Google Patents

Description

Stand der Technik

Ein im Rauschen liegendes Signal kann man bekanntlich dadurch aus dem Rauschen »herausheben«, daß man das Empfangssystem extrem schmalbandig ausbildet. Dem sind jedoch dadurch Grenzen gesetzt, daß man das Signal derart übertragen muß, daß es nicht durch eine zu geringe Bandbreite verzerrt wird.

Ferner ist es bekannt, zur Verbesserung der Rauscheigenschaften eines Empfangssystems eine aus dem Mischvorgang hervorgegangene Zwischenfrequenz auf einen Mischereingang zurückzukoppeln (DT-OS 19 13 158).

Aufbau und Empfindlichkeit des konventionellen
AM- oder FM-Empfängers

Entsprechend der Anordnung nach F i g. 1 besteht ein konventioneller AM- bzw. FM-Empfänger im allgemei Vorverstärker VV, Mischer M mit zugehörigem Oszillator O, ZF-Verstärker Kund je nach Modulationsart aus einem Demodulator D für Amplituden- bzw. Frequenzmodulation.

Die Empfindlichkeit des Empfängers

Die Empfindlichkeit eines Empfängers wird durch die

Rauschzahl F bestimmt, welche sich nach Gl. (1) berechnet und damit durch die Rauschzahlen Fi^₃ der 1.,

ίο 2. und 3. Empfängerstufe und die verfügbaren Gewinne

Vs,\2 der beiden ersten Stufen bestimmt wird:

F = F₁ +

F, -1

' s.i

F₃-I

S.l

Bei genügend hoher Verstärkung der ersten Empfängerstufe ist dabei für F im wesentlichen nur das Rauschen der ersten Empfängerstufe maßgebend.

Mit der allgemeinen Definition der Rauschzahl

F =

1_ A

ist damit bei gegebenem Signal-Rauschabstand am Eingang (S/N)e der Signal-Rauschabstand (S/N)_A am Ausgang des linearen aktiven Empfängerteiles, also vor dem Demodulator, festgelegt.

Bei rauscharmen Vorverstärkern, wie z. B. gekühlten, parametrischen Verstärkern, ist Fi «1 und damit bei genügend hoher Vor verstärkung G\

d. h. der Signal-Rauschabstand wird unter diesen Voraussetzungen durch den rauscharmen linearen aktiven Teil des Empfängers praktisch nicht verändert.

Durch die Modulationsart des Empfangssignals wird uann der niederfrequente Signal-Rauschabstand (SZN)Nr festgelegt. So wird z. B. bei Einseitenband-AM mit unterdrücktem Träger der niederfrequente Signal-Rauschabstand (S/W^wi-m den Faktor 2 gegenüber dem horhfrequenten Signal-Rauschabstand (SZN)_A vor dem Demodulator verbessert. Es gilt damit zwischen (SZN)nf undfS/TVy/jdie Beziehung:

4A = 2 ■

und bei einer rausc'narmen Vorstufe (Fi «1) mit hoher Verstärkung:

Bei FM-Signalen wird bekanntlich bei der Demodulation mit idealer Amplitudenbegrenzung eine Verbesse-

rung des niederfrequenten Signal-Rauschabstandes nach der Beziehung:

erreicht, dabei bedeutet η den Modulationsindex des FM-Signals. Für den Zusammenhang zwischen hochfrequentem Signal-Rauschabstand am Eingang (S/N)_E und niederfrequentem Signal-Rauschabstand (S/N)_NF gilt damit die Beziehung:

N~Je

(6)

und bei rauscharmer Vorverstärkung mit genügend hoher verfügbarer Leistungsverstärkung:

Zur Definition der Rauschzahl
linearer aktiver Vierpole

Die Rauschzahl F, wie sie im vorhergehenden Abschnitt zur Berechnung der Empfänger-Empfindlichkeit verwendet wurde, ist für die einzelnen linearen aktiven rauschenden Verstärker-Vierpole entsprechend F i ·». 2 durch die Beziehung:

F =

S₁

N₂

_ S₁-N₂

S₂ ■ N₁

(8)

definiert, wobei mit

N₂ = V_s ■ N, +

und S₂ = V_s ■ S₁ (9)

diese Beziehung in der Form

F = --^η^τψ—¹- = ' ⁺ -_N-~.'

dargestellt werden kann. Dabei ist

/V,

(10)

(Ii

die zusätzliche Rauschzahl des linearen aktiven Vierpols, und N/Ni ■ Kystellt darin die auf den Eingang des Vierpols bezogene innere Rauschleistung des Vierpols dar.

Die Voraussetzung bei dieser Betrachtung der Rauschzahl des linearen aktiven rauschenden Vierpols ist, daß die Eingangs-Rauschleistung N₁ in gleicher Weise wie die Eingangs-Signalleistung S] durch die verfügbare Signalleistungsverstärkung V_s verstärkt wird. Wegen des unvermeidlichen Quantenrauschens ist die minimale Rauschzahl begrenzt, so daß stets gilt:

N, > 0, F, > 0 und damit F > 1 (12)

Durch die linearen aktiven Verstärkerteile wird damit der Signal-Rauschabstand stets verschlechtert; eine Verbesserung wird je nach Modulationsart bei der Demodulation erreicht, d. h., die notwendigen Nichtlinearitäten beim Demodulationsvorgang bewirken außer der Rückgewinnung der niederfrequenten Information eine Änderung des niederfrequenten Signal-Rauschabstandes.

Aufgabe

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Empfangssystem mit verringerter Rauschzahl zu erhalten.

Vorteile

Die erfindungsgemäße Ausbildung des Empfangssysterns ist von ganz besonderem Vorteil für Satelliten-Nachrichtensysteme. Die verbesserte Rauschzahl ermöglicht dabei kleinere Senderleistung bzw. größere Reichweite des Satelliten, was von ausschlaggebender Bedeutung ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Umeransprüchen beschrieben.

Darstellung der Erfindung

Anhand von Ausführungsbeispielen soll die Erfindung im folgenden näher erläutert werden.

Aufbau eines AM- oder FM-Empfängers mit parametrischer Eingangsstufe und AM- bzw. FM-modulierter
Signal- und Pumpquelle

Es soll zuerst der Aufbau eines AM- bzw. FM-Emptängers behandelt werden, der als Eingangsstufe einen

vs parametrischen Abwärtsmischer in Frequenzenkehrlage enthält und dessen Pumpquelle du.ch Rückkopplung des niederfrequenten Signals in der Amplitude bzw. Frequenz moduliert werden soll. Die Anordnung eines solchen Empfängers ist in F i g. 3 dargestellt. Sie enthält am Eingang zur Transponierung des Empfangssignals auf die Zwischenfrequenz einen parametrischen Abwärtsmischer M_Sb in Frequenzenkehrlage. Zur Erhöhung der Stabilität ist bei dieser Schaltung zwischen die Signalquelle und den parametrischen Abwärtsmischer ein Isolator /geschaltet. Schwankungen des Quellenleitwertes Gi- werden dadurch nicht auf den Eingang des parametrischen Abwärtsmischers M_ab übertragen und können dank infolge des bekanntlich negativen Eingangsleitwertes bei parametrischen Mischern in

so Frequenzenkehrlage nicht zu Instabilitäten führen. Weiterhin besteht die Schaltung nach F i g. 3 aus einem Zwischenfrequenz-Verstärker V und einem AM- bzw. FM-Demodulator sowie einer Pumpquelle P, die mit Hilfe der vom niederfrequenten Ausgang des Empfängers rückgekoppelten Niederfrequenzspannung S/vFJe nach Modulation des Eingangssignals in der Amplitude bzw. Frequenz moduliert werden soll.

Zur störungsfreien Erkennung der information soll der niederfrequente Signal-Rauschabstand möglichst

do groß sein, womit dann auch für die theoretische Betrachtung von einem rauschfreien amplituden- bzw. frequen^rr.oduliertcn Pumpsignal ausgegangen werden kann. Durch diese Festlegung des niederfrequenten Signal-Rauschabstandes (S/N)_Nf ist damit bei Kenntnis

d<; der erreichbaren Rauschzahl des hochfrequenten Empfangsteiles auch der hochfrequente Signal-Rauschabstand am Eingang des Empfängers vorgegeben, z. B. bei Einseitenband-AM durch Gl. (3) bzw. Gl. (4).

Die Rauschzahl parametrischer Mischer in F""equenzen-Kehrlage bei amplituden- oder frequenzmodulierter

Signal- und Pumpquelle

Durch Rückführung der niederfrequenten Spannung zwecks Amplituden- oder Frequenzmodulation der Pumpquelle des parametrischen Mischers kann eine Verbesserung des Signal-Rauschabstandes SiIN₂ am ZF-Ausgang des Mischers M»b erreicht werden.

Bei in der Frequenz moduliertem Empfangs- und Pumpsignal kann die Ausgangs-Bandbreite des Mischers unter Beibehaltung eines unverzerrten FM-Signals auf der ZF-Seite reduziert werden. Infolge dieser Bandbreiten-Kompression gegenüber der notwendigen Eingangsbandbreite liefert die Theorie für den parame trischen Mischer in Frequenzen-Kehrlage mit in der Frequenz modulierter Pumpquelle die Rauschzahl:

F - -^B"

„3,

wobei s die Signalfrequenz und ρ die Pumpfrequenz bedeutet.

Bei unmodulierter Pumpquelle (Modulationsindex t)p=O) ist zur Transponierung des unverzerrten zwischenfrequenten FM-Signals die Ausgangs-Bandbreite Ba = B_h gleich der Eingangsbandbreite Be= Bs zu machen, so daß aus Gl. (13)

F = F₀ = 1 +

p-s

(14)

1 +

p-s

JhI - "*_. F

(15)

die bekannte Rauschzahl des parametrischen Mischers in Frequenzen-Kehrlage folgt.

Infolge der Kompression der Ausgangs-Bandbreite Ba gegenüber der Eingangs-Bandbreite Sf-bei frequenzmodulierter Pumpquelle wird der zwischenfrequente Signal-Rauschabstand S2/N2 gegenüber dem hochfrequenten Signal-Rauschabstand Sj/Ni bzw. die Rauschzahl F wesentlich verbessert, und zwar besteht bei entsprechendem Modulationsindex %> die Möglichkeit, daß F< 1 wird.

Bei in der Amplitude moduliertem Empfangs- und Pumpsignal Hefen die Theorie für den parametrischen Mischer in Frequenzen-Kehrlage bei nicht zu großem Modulationsgrad mpder Pumpquelle die Rauschzahl:

Im Falle von Amplitudenmodulation treten damit unterschiedliche Verstärkungen Vsund Vrder Signalleistung Si bzw. der Rauschleistung Ni auf, und zwar wird nach der Theorie für mp >O, Vs > Vr, so daß auch in diesem Fall eine Verbesserung der Rauschzahl und damit des Ausgangs-Signal-Rauschabstandes S2/N2 durch Rückführung der NF-Spannung erreicht wird, wenn diese bei AM-Empfang zur Amplitudenmodulation der Pumpquelle ^verwendet wird.

Dieses Prinzip der Amplituden- bzw. Frequenzmodulation der Pumpquelle mit Hilfe der vom Empfängerausgang rückgekoppelten NF-Spannung läßt sich auch bei der nichtreziproken Mischerkette anwenden, wodurch sich damit auch im nichtdegenerierten Fall Geradeaus-Vorverstärker mit F < 1 realisieren lassen. Hierzu sei auf F i g. 4 verwiesen, in welcher das Prinzipschaltbild

einer solchen Mischerkette dargestellt ist. Sie besteht aus der Kettenschaltung eines Aufwärtsmischers Mi und eines Abwärtsmischers M₂. Die nichtlinearen Elemente der Mischer (gesteuerte Blindleitwerte, z. B. durch Kapazitätsdioden verwirklicht) werden von einer gemeinsamen Pumpquelle P verschiedenphasig (φ) durchgesteuert. Der Riickwirkungsleitwert ist durch einen zwischen Eingang und Ausgang eingefügten Zweipol V/v neutralisiert. Auf die Mischerkette folgt ein

ίο Demodulator D_x an dessen Ausgang ein Teil des NF-Signals abgegriffen und auf die Pumpquelle P zurückgekoppelt wird.

Eiine weitere Möglichkeit, die Erfindung anzuwenden, ist in der F i g. 5 gezeigt. Hier wird bei einem parametrischen Reflexionsverstärker Pr, der an einen Zirkulator Zi angeschlossen ist, ebenfalls eine wesentliche Verbesserung der Rauschzahl dadurch erzielt, daß man einen ,Teil des am Ausgang des Empfängers E entstehenden NF-Signals auf die Pumpquelle P des Reflexionsverstärkers Pr zurückkoppelt. Das gesamte Verstärkersystem ist im übrigen in an sich bekannter Weise aufgebaut.

Erweiterung des Begriffes der Rauschzahl

Gegenüber den Betrachtungen der Rauschzahl bei linearen aktiven Vierpolen ist auf Grund dieser Beispiele offenbar eine Erweiterung des Begriffes der Rauschzahl nötig. Aus den betrachteten Beispielen kann man entnehmen, daß es Vierpole gibt, welche Signaljo und Rauschleistung unterschiedlich verarbeiten. Um nun zu einer Erweiterung der Formulierung der Rauschzahl zu kommen, muß man diese Gegebenheiten bei der Ableitung der Rauschzahl berücksichtigen und den Vierpol entsprechend F i g. 6 darstellen.

Unter Beibehaltung der bekannten Definition der Rauschzahl

F =

S₂ ■

erhält man, wenn man die spektralen Signal- um Rausch-Leistungsdichten s(f)\ind n(f)und die spektralei Gewinne vs(f) und vp(f) (bei Mischern Konversionsge winne) einführt, sowie bei idealen Filtern:

0 0

S₂ =jv_s{f)s_i{f)df

= ^_xS, (16)

die Rauschzahl

ψ =

/·	ι (/)<*/·	V	J)	J η	X f) · »iVW+fn,if)df
0
		■s(f)df\fn{
		•Ι. ). JnAfWI

Wenn man ideale Filterkurven am Ein- und Ausgang Nach Gl. (12) gelten für den linearen aktiven Vierpol

und weißes Rauschen n\ = const., η, = const, voraus- stets die Bedingungen setzt, so gilt, wenn Vr(Q — v_R ebenfalls innerhalb der

idealen Filterkurven konstant ist, «, > 0. Y_x > 0 und Y > 1;

,. . „ . η 4. „ . R R ι ^m den oben untersuchten Fallen uilt

ρ _ ¹R"! °A ~i "i ^DA _ _"/! . R .

is · H₁ ~B,: B, v_s

n, > 0. Y_y > 0 und Y · 0. CD

Γ "f 1 ^l0

Il + — . (18) Kettenschaltung von Vierpolen mit Vr=*= Vs. Be-

*- RiJ trachtet man nun die Kettenschaltung von Vierpolen

entsprechend Fig.7, die eine unterschiedliche Signal-Die Rauschzahl nach Gl. (18) enthält damit die im und Rausch-Leistungsverstärkung aufweisen, bei denen vorhergehenden betrachteten Fälle, es gilt nämlich 15 also Vr φ Vs gilt, so ist eine weitere Verbesserung des

1) beim linearen aktiven Vierpol v« = Vr = Vs und Signal-Rauschabstandes am Ausgang der Kettenschal- B_A = Be, also tung möglich.

Die Gesamt-Rauschzahl der Kettenschaltung ist

P₁ = 1 + '— durch die Beziehung

Vs ' "1 20

Sj ■ N₂

wobc,

= F₇ mit v_s(f) = v_s = V_s = Konst.

V_s · n, ^{z 5W}' "i - ' s - —· ^ gegeben. Mit

die spektrale zusätzliche Rauschzahl des Vierpols S₂ ■= I _s , F_x-2 · S₁ (22)

ist,

2) beim parametrischen Mischer in Frequenzen-Kehr- ^und

lage mit in der Frequenz modulierter Pumpquelle 30 _N _ _N ., ,. ., ... .. _o,

Vr= Vs,also ² ~~ ' ^{R1 R1 +} '■' ^R-^{2 +} ' '-^{2 v}""'

π folgt daraus:

Fi = -ψ- ■ (1 + F₇) .

35 jy . ]/ y , + N- · V -, + N

3) beim parametrischen Mischer in Frequenzen-Kehr- ^s' ^N~ '"' lage mit in der Amplitude modulierter Pumpquelle

sowie im degenerierten Fall _ YraJ ¹^. 1

(p = 2s)i:_R^rV_s.B_A = ß_£,

also 1 _|_ _U _. 4_ ...L.?...... 1

L 'RJ ' N₁ 'r.! ' 1 R.2 ' N₁ J

_F JiL . 1 + —I¹· 45

F_x i's ' "1 Mit der neuen Definition der zusätzlichen Rauschzahl

nach Gl. (19) ergibt sich:

Wenn man also insbesondere die Fälle mit v«=t= Vs

betrachtet, so ist es sinnvoll, die Definition der y . y ρ Y. ,~\

zusätzlichen Rauschzahl den veränderten Gegebenheit 50 F_ges = -.-M-..-.-?^-.I 1 -„ ι_/Λ .. /·^: (24) ten anzupassen und ^{SI s}-² *- ^K1 -"

Die gesamte »zusätzliche Rauschzahl« der Ketten-

F_x = ■— (19) schaltung ergibt sich in bekannter Weise, wenn man nur

^rR ' "1 55 Vsdurch V« ersetzt, zu

zu definieren. Es gilt damit in den betrachteten Fällen F_z,_gcs = F_Z-1 + r² (25)

die Beziehung ^K '

--k -^-L^{1 +}4

^{to undmit} V_s._g,, = I χι · Ks.2 sowiL- I,;,,,, - I _R1 ■ I-„2

⁽²⁰⁾

Beim linearen aktiven Vierpol mit V« = Vs wird dann · *s.»«

wieder in bekannter Weise fts

Durch die Kettenschaltung von Vierpolen mil

f._f -- "'.._ Vr_-I < ν·*,], und Vrj < Vs_-2 ist somit eine weitere

Kv' "1 Verbesserung des Signal-Rauschabstandes möglich.

709 618/171

Das NF-Signa! wird man nur so stark auf den Pumposzillator zurückkoppeln, daß durch die Modulation der Pumpe keine Verzerrungen entstehen. Verarbeitet das Empfangssystem beispielsweise AM, so wird man nur so stark rückkoppeln, daß die Modulation am s Hilfskieis des parametrischen Verstärkers bzw. am Kreis vor dem Demodulator 100% nicht übersteigt.

Um bei in der Frequenz modulierten Signalen die Rauschzahl entsprechend zu verkleinern, ,värili man die rückgekoppelte NFso, daß die Ausgangsbandbreite des Empfangssystems vor dem Demodulator wesentlich kleiner ist als die Eingangsbandbreite.

Für die praktische Ausführung empfiehlt es sich daher, den Rückkopplungszweig für die NF variabel auszuführen.

Abschließend sei an Hand eines Aufwärtsmischers

gezeigt, wie sich die Rauschzahl verringern läßt.
Dabei sollen folgende Werte gegeben sein:

m„ =	0,4:
/Ji. =	-V4;
G,	0,376.

Das NF-Signal wird so stark rückgekoppelt, daß die Modulation am Hilfskreis 100% beträgt, d. h. rm = 1,0 Zwischen Pumpfrequenz ρ und Signalfrequen;: sbestehi die Beziehung ρ = 4s.

Mit diesen Werten erhält man eine Rauschzahl vor F = 0,83, was eine Verbesserung um den Faktor 2 bedeutet, gegenüber Fo bei unmodulierter Pumpquelle.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

nen aus einem Patentansprüche:

1. Empfangssystem mit mindestens einem Mischer und zugehörigem Misch- bzw. Pumposzillator, bei dem eine Rückkopplung auf den Pumposzillator vorgenommen wird, wobei die Eingangsbandbreite des Empfangssystems so klein gewählt ist, daß das empfangene HF-Signal gerade noch unverzerrt übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verringerung der Rauschzahl des Systems ein Teil des durch Demodulation des Eingangssignals entstandenen NF-Signals auf den Pumposzillator rückgekoppelt wird.

2. Empfangssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumposzillator zu einem Abwärtsmischer führt.

3. Empfangssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumposzillator zu einem parametrischen dem Mischer vorgeschalteten Vorverstärker führt.

4. Empfangssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der parametrische Vorverstärker als nichtreziproker Verstärker ausgebildet ist.

5. Empfangssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorverstärker ein parametrischer Reflexionsverstärker mit Zirkulator ist.

6. Empfangssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorverstärker durch eine nichtreziproke Mischerkette gebildet wird, die aus der Kettenschaltung eines Auf- und Abwärtsmischers mit gemeinsamem Pumposzillator besteht, welcher die gesteuerten Blindleitwerte der Mischer verschiedenphasig durchsteuert.

7. Empfangssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit Amplitudenmodulation, dadurch gekennzeichnet, daß das NF-Signal nur so stark auf den Pumposzillator rückgekoppelt wird, daß der Modulationsgrad am Hilfskreis des parametrischen Verstärkers oder am Kreis vor dem Demodulator 100% nicht übersteigt.

8. Empfangssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit Frequenzmodulation, dadurch gekennzeichnet, daß das NF-Signal dem Pumposzillator derart rückgekoppelt wird, daß die Ausgangsbandbreite des Verstärkers vor der Demodulationsstufe wesentlich kleiner ist als die Eingangsbandbreite des Empfangssystems.