DE2253015A1 - Breitbanddiskriminator - Google Patents

Description

Anmelder; Stuttgart, den 25. Oktober 1972

General DataCoram Ind., Inc. P 2575 S/kg 537 Newton Avenue
Norwalk, Conn., V.St.A.

Breitbanddiskriminator

Die Erfindung bezieht sich auf einen Breitbanddiskriminator. .

Es sind viele Diskriminatorschaltungen bekannt, jedoch haben die bekannten,Diskriminatoren gewöhnlich einen recht komplizierten Aufbau und sind nur zur Verarbeitung von Signalen in einem schmalen Frequenzband geeignet· Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Diskriminator mit einfachem Aufbau zu schaffen, der in einem relativ großen Frequenzbereich betrieben v/erden kann, beispielsweise im Bereich zwischen 70 Hz und 20 kHz.

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Diene Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß sich an den Eingang des Breitbanddinkriminators zwei parallele Zweite anschließen, die je einen RC-Kreis und einen Begrenzer umfasnen und deren RC-Kreise dan gleiche RC-Produkt aufweisen und in übrigen no ausgebildet sind, daß die Aungangssignale der Begrenzer eine Phasendifferenz von 90° aufweisen, daß an die

der beiden Zweige eine erste Schaltungsanordnung angeschlossen i3t, welche die Ausgangssignale der beiden Zweige zu einem Signal mit der doppelten Frequenz des Eingangssignales kombiniert, daß an die er3te üchaltun^sanordnunn eine zweite Schaltuncsanordnunf; mit einer monostabilen Kippstufe angeschlossen ist und sich an die zweite Schaltung3anordnung ein Tiefpaß anschließt, der Variationen der Frequenz dea Eingangsnißnales feststellt·

Der erste Teil des erfindungsgeinäßen Breitbanddiskriminators ist demgemäß ein Prequenzverdoppler, der von den beiden parallelen Zweigen nit den Begrenzern und der ersten Schaltungsanordnung gebildet wird. Diese erste Schaltungsanordnung kann zweckmäßig ein EXKLUSIVES-ODER-Glied sein. Die IiC-Kreise und die Begrenzer bewirken, daß das Eingangssignal des EXICLUSIVES-ODEIt-Gliedes zwei un 90° phasenverschobene Rechteckwellen sind, so daß das Ausgangssignal des EXKIUSIVES-ODER-Gliedos eine Rechteckwelle mit der doppelten Frequenz der Eingangsnignale ist. Die zweite Schaltungsanordnung kann dann vorteilhaft ein Differenzierglied enthalten, welches das Ausgangssignal des EXKLUSIVES-OüER-Gliedes differenziert und der monostabilon Kippstufe zuführt, so daß ein Ausgangssignal

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gebildet wird, dessen Frequenz das Vierfache de3 Eingangssignales ist. Die Frequenz den Eingangssignales kann dann festgestellt werden, indem das ' Ausgangssignal der monostabilen Kippstufe durch den Tiefpaß geleitet wird.

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles. Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden Merkmale können bei anderen Ausführungsforraen der Erfindung einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden. Es zeigen

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Fig. 1 das Schaltbild eines Breitbanddx3kriminators nach der Erfindung und

Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise des Breitbanddiskriminators nach Fig.

Der in Fig. 1 dargestellte Breitbanddiskriminator nach der Erfindung umfaßt einen Koppelkondensator 11, einen ersten, der Phasenverschiebung und Begrenzung dienenden Zweig 21, einen zweiten, der Phasenverschiebung und Begrenzung dienenden Zweig 31» der zum. ersten Zweig 21 parallel geschaltet ist, eine erste Schaltungsanordnung 4-1, welche zur Kombination der Aus gangs signale der Zweige 21 und 31 dient, ein Differenzierglied 51» eine monostabile Kippstufe 71 und einen Tiefpaß 81. Der erste Zweig 21 umfaßt Widerstände 23» 26 und 28, einen Kondensator 24, einen Verstärker 25 mit hoher Verstärkung und eine Zener-Diode 29· Wie ersichtlich, bilden der Widerstand· 23 und

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der Kondensator 24 einen Tiefpaß, der mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers 25 verbunden int·· Der nichtinvertierende Eingang den Verstärkers 25 ist über den V/iderntand 26 mit Masse verbunden. Die Zener-Diode 29 begrenzt die Ausgangsspannung den Verstärkern 25» während der Widerstand 28 die Diode 29 gegen überlastung schützt. Die gleichen Elemente sind axich in den zweiten Zweig 31 enthalten, jedoch bilden der Kondensator 34 und der Widerstand 33 einen Ilochpaß, der nit den invertierenden Eingang des Verstärkern y¹} verbunden ist. Die liC-Zeitkonstanten des von den Widerstand 23 und den Kondensator P¹Y gebildeten "ief])asser. sowie des von dem Kondensator 54- und dem \/iderstand gebildeten Hochpasses sind gleich. Es kann leiclit f*ezeißt werden, daß infolgedessen die Phasendifferenz zwischen den Einfyin^ssißnalen für die invertierenden Eini;än[;e der Verstärker 25 und 35 in einem extreia f^roüe Bereich von Ein{;an[^nfrequenzen 90 beträft. Die Verstär ker 25 und 35 haben vorzugsweise eine hohe Verstärkung und flehen bei ihren Betriebsspannungen +V und -V in

Die AiiGf^ancssifgiale der Zweite 21 und 31 werden von der ernten Schaltungsanordnung 41 nach den liebeln einer E::OjU:jITCü~0DEIi-Verknüpfung konbiniert· Den^enäß v/ii'd die erste üchaltuncsanordnunc 41 zwecknäßig von einen

gebildet.

Das Aus^an^ssignal der erst'en Schaltungsanordnung v/ird von dem Differenzierglied 51 weiter vorarbeitet. Dienes.

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Differenzierglied hat einen üblichen Aufbau und diff expliziert das Ausgangssignal der Schaltungsanordnung ^l\A und dessen Kehrwert. Das Ausgangssignal wird von einen RC-Hochpaß differenziert, der einen Kondensator 55 und einen Widerstand 56 umfaßt· Das Ausgangssignal der Schaltungsanordnung 4-1 wird außerdem von einem Inverter oder IIICHT-Glied 63 invertiert oder negiert und dann mit Hilfe einen zweiten RC-Hochpasses differenziert, der einen Kondensator 65 und einen Widerstand 66 umfaßt. Dioden 57 und 67 übertrafen nur die positiven Impulse der von den RG-Hochpässen gelieferten Signale. Diese Dioden und ein Widerstand 59 bilden demnach ein ODER-Glied, das die positiven Ableitungen des Ausgangssignales der Schaltungsanordnung 4-1 und des invertierten Ausgangssignales bildet·

Dieses kombinierte Signal, das aus einer Impulsfolge besteht, v/ird dann der nonostabilen Kippstufe 71 zugeführt. Diese Kippstufe 7% üie einen üblichen Aufbau hat, umfaßt V/iderstände 72 und 77j einen Verstärker 75» einen Kondensator 76, eine Diode 73 und Zenor-Diodori 78 und 79· Das Ausgangssignal des Differenziorci'f.'isGS 51 wird dem invertierenden Eingang des Verstärkers 75 zugeführt. Der niclitinvertiorende Eingang . des Verstärkers isb übcsr die Diode 73 nit Masse verbunden. Die Kippstufe 71 befindet sich normalerweise in einem Ruhezustand, bei dem die Spannung an dom nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers 75 positiv ist. Bei diesem Zustand liegt der Ausgang des Verstärkers 75 hoch. Wenn dem invertierenden Eingang

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des Verstärker:; 75 von Differenziercliod 51 ein positiver Impuls zugeführt v/ird, schaltGt der Verstärker schnell in den Zustand um, in dem sein Ausßanß niedrig int. Danach wächst din Ladung an Kondensator 76 mit einer Geschwindigkeit an, die durch die Zeitkonstante des aus dem'Widerstund 72 und dein Kondensator 76 gebildeten Kreises bestimmt ist. Wenn die Spannung an dem Knoten zwischen Widerstand 72 und Kondensator 76 den Wert O V überschreitet, v/ird der Verstärker sofort in seinen Ruhezustand zurückgeschaltet.

Die Zeitkonstante des von dem Widerstand 72 und dem Kondensator 76 Gebildeten Kreises ist natürlich so Gewühlt, daß der Verstärker in seinen Huhezustand zurückkehrt, bevor seinem invertierenden EinpanG der nächste Impuls vom Differenziorplied 51 zugeführt wird. Infolgedessen ist das Ausgang;signal der monostabilen Kippstufe 71 eine FoI^e von Itecliteckimpulson, deren Breite durch die Zeitkonstante des von dem Widerstand 72 und.dem Kondensator 76 Gebildeten Kreises und deren Abstand durch die Frequenz der Impulse bestimmt ist, die von dem DifferenzierGlied 5I geliefert werden.

Die von der rnnnostabilen Kippstufe 71 Gelieferten Inpuliit! werden darin dein 'l'iofpaß 81 zur Frequenzbestim am[; 7,1 irreführt. Geiuuior Go.saGt mit belt dor Tiefpaß 81 die in den KinGanf.üxmpulsen enthaltone Gleichstroi-ikoilponent;o und stallt d-'iflurcli den Abstand zv;iriehen diesen Im]>ul:;en fefib. Je higher tlio Frequenz der Einpj'arifjr.impulse ist, um so hohor ist diii nittlfrre JLipnnnun₍G. Jn {jorinfjol' die Frequenz ist, umsomehr sinkt die Spannung ab. Demgemäß

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ermöglicht der Tiefpaß 81 eine Frequenzdiskrininier\uig.

Die Wirkungsweise des in Piß· 1 dargestellten Breitbanddiskriminators wird an leichtesten anhand -der in Pig. 2 veranschaTilichten Signale verständlich. Das in Punkt A augeführte und in Zeile A der Pig. 2 dargestellte Eingangssignal ist ein für digitale Daten charakteristisches frequenzmoduliertes Signal (P.Ü.K.Modulation). Das in der Zeile A der Pig, 2 dargestellte Eingangssignal hat einen sinusförnigen Verlauf nit der Frequenz f. Dieses Signal wird von dem Kondensator 11 in die parallelen Zweige 21 und 31 gekoppelt. Der aus den Widerstand 23 und dem Kondensator 24- bestehende Tiefpaß im Zweig 21 erteilt den Eingangssignal eine Phasenverschiebung O = von Seite 6, wenn R der Wert des Widerstandes 23 und G die Kapazität des Kondensators 24- ist. Gleichzeitig erteilt der aus den Kondensator 3^ "und dem Widerstand 33 bestehende Hochpaß im Zweig 31 dem Eingangssignal eine Phasenverschiebung © = von Seite 6,

wenn hier R der Wert des Widerstandes 33 und 0 die Kapazität des Kondensators 3^- ist. Da die Zeitkonstanten des Hochpasses und des Tiefpasses gleich gewählt sind, beträgt die Phasendifferenz zwischen den Signalen an den Eingängen der Verstärker 25 und 35 in einem weiten Bereich der Eingangsfrequenzen 90 ·

Die Verstärker 25 und 35 wandeln die sinusförmigen Eingangssignale an ihren invertierenden Eingängen in Rechtecksignale gleicher Amplituden um. Demgemäß ist

O 7 B O

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-H-

das Ausgangssignal dos Verstärkern 25 in Punkt B das in Zeile B der Fig. 2 wiedergegebene Rechtecksignal, während das Ausgangssignal dea Verstärkers 35 in Punkt C durch die Kurve in Zeile C der Fig. 2 wiedergegeben wird. Eg ist zu bemerken, daß das Sif^nal in Punkt B den Signal im Punkt C um 90° voreilt.

Die Schaltungsanordnung 41 kombiniert die Signale in den Punkten B und C gemäß den Regeln einer EXKLUoIVEo-ODER-Verknüpfung· Infolgedessen ist das Ausgangnsignal der schaltungsanordnung 41 in Punkt D das in Zeile D der Fig. 2 gezeigte Signal, dessen Frequenz doppelt so groß ist wie die Frequenz des Eingangssignales. Das von der Schaltungsanordnung 41 gelieferte Signal und das dazu inverse Signal werden dann vom DifferenziorGlied 51 differenziert und wieder vereinigt. Das wieder vereinigte Signal, das im Punkt E beobachtet werden kann, ist in Zeile E der Fig. 2 dargestellt.

Dieses Signal wird dann der monostabilen Kippstufe 71 zugeführt, damit ein im wesentlichen rechteckfüriaiges Ausgangssignal erzeugt wird, dessen Impulsbreite-durch die RG-Zeitkonstante des Widerstandes 72 und des Kondensators 76 und dessen Impulsabstand durch die Frequenz der Impulse bestimmt ist, die von dem Differenzierglied 51 geliefert werden. Dieses Signal das an der Stelle F auftritt, ist in Zeile F der Fig. 2 dargestellt. Ee sei bemerkt, daß die Frequenz dieaes Recht· ecksignales das Vierfache der Frequenz des Eingangssignales beträgt.

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Dan Ausgangnsignal der monostabilen Kippstufe 71 wird dann dem Tiefpaß 81 zugeführt, der alg Diskriminator zur Feststellung der Frequenz des Eingangssignales dient· Da die Frequenz des frequenzmodulierten Eingangssignale3 vervierfacht worden int,* bevor sie dem Tiefpaß zugeführt wird, kann ein solch einfaches Filter benutzt werden, uia das frequenzmo— dulierte Eingangssignal zu' demodulieren, selbst wenn die Datenfolge größer ist als die Frequenz des Trägers des frequenzmodulierten Signales· Dagegen waren bisher komplizierte Einrichtungen erforderlich, um ein frequenzmoduliertes Signal zu demodulieren, wenn die Datenrate in Bit pro Sekunde die Trägerfrequenz in Hertz überschritt··

Digitale Daten können auch durch Phasenmodulation aufgeprägt sein (P.S.K.-Modulation). In diesem Fall kann der Teil des Breitbanddiskriminators zwischen dem Eingang und dem Punkt D dazu benutzt werden, ein Signal mit einer Frequenz zu bilden, die das Doppelte der Frequenz des Eingangssignales ist. Die durch Phasenmodulation aufgeprägte Information kann dann festgestellt werden, indem das Ausgangssignal der Schaltungsanordnung 4-1 einem, Phasendetektor zugeführt wird β

Wie leicht erkennbar, können bei Bedarf weitere Stufen, der Frequenzvervielfachung verwendet werden«, So kann beispielsweise das Ausgangssignal der Schaltungsanordnung 4-1 einem Tiefpaß zugeführt werden, um ein sinusförmiges Signal au erzeugen, das die doppelte

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Frequenz wie das Eingangssignal aufweint. Diesen Signal kann dann dem Eingang einer Schaltungsanordnung zugeführt werden, die dem Broitbanddiskriminator nach Fig. 1 gleich,ist. Dieser Vorgang kann so oft wiederholt werden, wie en erforderlich ist, um den gewünschten llultiplikationsfaktor zu erzielen.

Es ist weiterhin offensichtlich, daß die vorstehend behandelte Ausführungsform der Erfindung nur zur Erläuterung dient. So können für die der Signnlkonbination dienende Schaltungsanordnung 41_t das Differenzierglied 51 und die monoiitabile Kippstufe 71 zahlreiche andere Schaltungsanordnungen verwendet werden. Ka ist nur erforderlich, daß diese Schaltungsanordnungen die oben behandelten Funktionen haben. Weiterhin gibt es in dem großen Bereich von Einrichtungen, di© Begrenzer genannt werden, andere als die Verstärker 25 und 35 mit hohem Verstärkungsfaktor, die bei dem Ausführungsbeispiol dazu benutzt worden sind, um sinusförmige Eingangssignale in rechteckförmige Ausgangs3ignale umzuwandeln.

Für den Fachmann sind zahlreiche Anwendungen des erfindungsgemäßen Breitbanddiskriminators erkennbar. ■■' Eine bevorzugte Anwendung findet der Breitbanddiskriminator als F.S.K.-Demodulator bei Eingangsfrequenzen im. Bereich, von 100 Kz bis 4 kHz. Für diesen Anwendung^zweck werden Widerstände 23 und 33 mit; einem Wert von 6,8 k-ft und Kondensatoren 2¹V und ~$^lv mit einem Wert von 0,01 u.F benutzt» Als Vorstärker diente das von der Firma National Semiconductor gelieferte Modell LM-709.

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Die Speisespannungen +V und -V betrugen +12 und -12V· Die Widerstände 28 und 38 hatten Wej?te von 5|6 k-TL während die Widerstände 26 und 36 Vierte-von."6_d8 kJI hatten, um die Impedanz der Signaleingänge auszugleichen. Als Zener-Üioden 29 und 39 wurden die Typen III750 der Firma Texas Instruments benutzt, die eine Zener-Durclibruchs spannung von etwa 4,9 V haben·

Die Schaltungsanordnung 41 wurde bei der beschriebenen Ausführungsform der Erfindung von einem TTL-EXKLUSIVES-ODER-Glied gebildet, das unter der Be- . zeichnung SN7486 von der Firma Texas Instruments geliefert wurde· Das Differenzierglied 51 war eine übliche Schaltungsanordnung mit einem Kondensator von 470 pF und Widerständen von 10 k-ft. in jeden der Ilochpaßfilter. Das ITIGHT-Glied 63 ist ein üblicher TTL-Inverter, wie beispielsweise der von der Firma Texas Instruments gelieferte Inverter vom Typ S1T7404. Die Dioden 57 und 67 sind Dioden vom Typ 111914, wie sie ebenfalls von der Firma Texas Instruments geliefert werden· Der Widerstand 59 hat einen Viert von 10 k4.

Der Verstärker 75 in der monostabilen Kippstufe 71 ist wieder ein Verstärker vom Typ LLI-709» während als Diode 73 eine 1N9 4 Verwendung fand» Die Widerstände 72 und 77 hatten einen Wert von 10 kJl bzw. 750 Jl · Die Kapazität des Kondensators 66 betrug 0,0068/U?«, Die Zener-Dioden 7B und 79 waren vom Typ 1N75O,

Für den Fachmann ist ersichtlich, daß an dem behandelten Ausführungsbeispiel zahlreiche weitere Abänderungen Ί vorgenommen werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   Breitbanddiskriiainator, dadurch gekennzeichnet| daß sich an dessen Eingang zwei parallele Zweige (21 und 3.1) anschließen, die je einen RC-Kreis (23, 24 bzw. 33t 3*0 und einen Begrenzer (25 bzw. 35) umfassen und deren RC-Kreise (23, 24 und 33t 34) das gleiche KC-Produkt aufweißen und im übrigen so ausgebildet sind, daß die Ausgangesignule der Begrenzer (25 und 35) eine Phasendifferenz von 90° aufweinen, daß an die Ausgänge der beiden Zweige (21 und 31) eine erste Schaltungsanordnung (41) angeschlossen ist, welche die Ausgangssignale der beiden Zweige zu einem Signal rait der doppelten Frequenz des Eingangssignalos kombiniert, daß an die erate Schaltungsanordnung (41) eine zweite Schaltungsanordnung mit einer nonostabilen Kippstufe (71) angeschlossen ist und sich an die zweite Schaltungsanordnung ein Tiefpaß (81) anschließt, der Variationen der Frequenz des Eingangssignales feststellt·

   Breitbanddifikriminator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ,erste Schaltungsanordnung (41) ein EXKLUSIVES-ODER-Glied ist.

   Breitbanddiskriminator nach Annpruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schaltungnanordnung ein Differenzierglied (51) enthält, dessen Aungangssignai der monostabilen Kippstufe (71) zugeführt wird.

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   Broitbanddiskrininator nach einem der vorher-" gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzer (25 und 35) ira wesentlichen identische Verstärker mit hohem Verstärkungngrad sind, die im Bereich der Sättigung betrieben werden·

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