DE2153244C3 - Empfangssystem - Google Patents
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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
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
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 = Vs ■ N, +
und S2 = Vs ■ 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 Vs 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
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
MSb 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 Mab 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 = Bh 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 Dx 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 =jvs{f)si{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 — vR ebenfalls innerhalb der
idealen Filterkurven konstant ist, «,
> 0. Yx > 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, vs
n, > 0. Yy
> 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-
BA = Be, also tung möglich.
Die Gesamt-Rauschzahl der Kettenschaltung ist
P1 = 1 + '— durch die Beziehung
Vs ' "1 20
Sj ■ N2
wobc,
= F7 mit vs(f) = vs = Vs = Konst.
Vs · n, z 5W' "i - ' s - —· ^ gegeben. Mit
die spektrale zusätzliche Rauschzahl des Vierpols S2 ■= I s , Fx-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^rVs.BA = ߣ,
also 1 _|_ _U _. 4_ ...L.?...... 1
L 'RJ ' N1 'r.! ' 1 R.2 ' N1 J
F JiL . 1 + —I1· 45
Fx 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 Fges = -.-M-..-.-?^-.I 1 -„ ι/Λ .. /·: (24)
ten anzupassen und SI s-2 *- K1 -"
Die gesamte »zusätzliche Rauschzahl« der Ketten-
Fx = ■— (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 Fz,gcs = FZ-1 + r2 (25)
die Beziehung K '
--k -^-L1 +4
to undmit Vs.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:
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)
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.
Priority Applications (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19712153244 DE2153244C3 (de) | 1971-10-26 | Empfangssystem | |
FR7237705A FR2157933B1 (de) | 1971-10-26 | 1972-10-24 | |
JP47106586A JPS5230207B2 (de) | 1971-10-26 | 1972-10-24 | |
GB4951272A GB1404817A (en) | 1971-10-26 | 1972-10-26 | Transmitting and receiving system |
US301242A US3911365A (en) | 1971-10-26 | 1972-10-26 | Narrowband receiving system with improved signal to noise ratio |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19712153244 DE2153244C3 (de) | 1971-10-26 | Empfangssystem |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2153244A1 DE2153244A1 (de) | 1973-05-03 |
DE2153244B2 DE2153244B2 (de) | 1976-09-16 |
DE2153244C3 true DE2153244C3 (de) | 1977-05-05 |
Family
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