DE2305198A1 - Breitbandiger fm-demodulator - Google Patents

Description

74-86 - 73 Ks/Sö

Brit. Ser. No: 5030/72
Filed: February 3, 1972

RGA Gorporation New York, N. Y., V. St. A.

Breitbandiger FM - Demodulator

In der US-Patentanmeldung Nr. 257,5^2 mit dem Titel "Telephone Image Transmission System" ist eine Einrichtung beschrieben, mit welcher stehende Fernsehbilder dreidimensionaler Objekte über Nachrichtenkanäle wie z. B. für Sprechverkehr ausgelegte nichtentzerrte Telefonfernleitungen übertragen werden können. Dabei liefert eine Fernsehkamera fortlaufend ein Videosignal an eine Speicherröhre, in v/elcher jedes einzelne Fernsehvollbild "eingefroren" v/erden kann. Das einzelne gespeicherte Vollbild, d.h, das zu übertragende Bild, wird dann in ein nieder- oder tonfrequentes Signal umgesetzt, um es über einen Fernsprechkanal zu einer entfernten Empfangsstation zu senden, wo zur Speicherung der im Tonfrequenzbereich übertragenen Information eine zweite

Speicherröhre vorhanden ist. Wenn die Übertragung beendet ist, ν

dann wird die beim Empfänger gespeicherte Information zurück in ein Videosignal umgesetzt, um sie auf einem Monitor darzustellen. Das übertragene Signal ist im wesentlichen frequenzmoduliert, wobei seine Augenblicksfrequenz dem Helligkeitswert des gespeicherten und dann übertragenen Bildpunkts direkt proportional ist.

Eine solche übertragungseinrichtung arbeitet im Einwegverkehr oder sogenannten "Simplexbetrieb", d.h. über den Fernsprechkanal werden Nachrichten stets in nur ein- und derselben Richtung übertragen. Bei einem System mit bedingtem Gegensprechen oder sogenanntem "Halbduplexbetrieb" können Übertragungen in jeder

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Richtung erfolgen, jedoch nicht gleichzeitig. Versuche haben gezeigt, daß wegen der Bandbreite und der Laufzeiteigenschaften des Fernsprechkanals hohe Anforderungen an den Demodulator im Empfänger zu stellen sind, wenn ein vollständiges Bild in angemessener Zeit übertragen werden soll. Bei einer Anordnung nach der oben genannten US-Patentanmeldung wurde von einer Frequenzverdopplung des Trägers Gebrauch gemacht, um den Modulationsinhalt vom frequenzmodulierten Träger besser trennen zu können. Dabei betrug die Zeit für eine vollständige Übertragung eines Bildes etwa 60 Seknnden, und nach dieser Zeitspanne enthielt die Speicherröhre beim Empfänger ein Bild, welches mit dem beim Sender gespeicherten Bild praktisch identisch war.

V/ie es im einzelnen später noch erläutert werden wird, erfolgt bei dem Demodulator gemäss der vorliegenden Erfindung ebenfalls eine Vervielfachung der FM-Trägerfrequenz, um die Trennung von Träger und Modulationsinhalt zu erleichtern. Während jedoch der weiter oben behandelte Demodulator durch Ansprechen auf die iTulldurchgänge des- sinusförmigen Trägers eine Frequenzverdopplung herbeiführt, wird bei dem erfindungsgemässen Demodulator die Trägerfrequenz unter Verwendung eines 90 °-Phasenspalters vervierfacht. Hierdurch erfolgt eine bessere Trennung des FM-Modulationsinhalts vom FM-Trägersignal, und ausserdem kann der Modulationsinhalt mittels eines einfach aufgebauten Tiefpaßfilters wiedergewonnen werden. Diese'Vervierfachung-des Trägers hat zusammen mit den weniger strengen Anforderungen an das Tiefpaßfilter die Folge, daß mit der erfindungsgemässen Einrichtung ein vollständiges Bild in kürzerer Zeit (30 Sekunden statt 60 Sekunden) und ohne merkliche Verschlechterung der Auflösung über den Fernsprechkanal übertragen werden kann.

Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus nachstehender Beschreibung hervor, in welche ein Ausführungsbeispiel anhand von Zeichnungen erläutert wird. .

Figur 1 zeigt ein Blockschaltbild eines erfindungsgemässen FM-Demodulators;

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Figur 2 zeigt eine Reihe von Signalformen zur Erläuterung der Schaltung nach Figur 1.

Der in Figur 1 gezeigte FM-Demodulator enthält zwei Begrenzerstufen 10 und 12, deren Eingangskreise mit den beiden Ausgängen 14 bzw. 16 eines 90 °-Phasenschalters 18 gekoppelt sind. Der Eingangsklemme 20 des Phasenspalters 18 wird ein frequenzmoduliertes Signal "g" zugeführt, dessen Augenblicksfrequenz charakteristisch für die Helligkeit des gerade über den F_ernsprechkanal gesendeten und empfangenen Bildpunkts ist. Von den Ausgangskreisen der Begrenzer 10 und 12 gelangen dann Signale von im wesentlichen rechteckiger Form an zwei Eingänge "a" und "b" einer Stufe 22, welche empfangene Impulse in bestimmter Weise formt und miteinander kombiniert. Zwei v/eitere Eingänge "c" und "d" der Stufe 22 empfangen die beiden von den Begrenzern gelieferten Signale nach jeweils ihrer Phasenumkehr in den Umkehrschaltungen 24 und 26, die zwischen den Begrenzern 10 und 12 und der Stufe 22 liegen.

Das am Eingang zugeführte FM-Signal wird also durch Wirkung des Phasenspalters 18 und der Begrenzer 10 und 12 in zwei Rechteckwellen umgesetzt, die eine gleichbleibende Phasendifferenz van 90° haben. Bei den vier der Stufe 22zugeführten Signalen handelt es sich um diese beiden Rechteckwellen und um zwei v/eitere Rechteckwellen entgegengesetzter Polarität. Die Phasenbeziehungen dieser vier Signale (a?"t>,c,d) sind in Figur 2 gemeinsam mit dem Ausgangssignal (e) der Stufe 22 gezeigt. Die Stufe 22 ist so ausgelegt, daß sie als Antwort auf jede positiv ansteigende Flanke, die in ihren EingangsSignalen vorkommt, einen Ausgangsimpuls erzeugt.

Der in Figur 1 gezeigte Demodulator enthält ferner einen Impulsgenerator 30 und ein Tiefpaßfilter 32. Genauer gesagt gelangt das Augangssignal der Stufe 22 (Signal "e" in Figur 2) zu einem Impulsgenerator 30, der auf jeden von der Stufe 22

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empfangenen Impuls hin einen Normalimpuls konstanten Energieinhalts liefert. In der'beschriebenen Ausführungsform des Demodulators wurde für den Impulsgenerator 30 ein monostabiler Multivibrator gewählt,, dessen erzeugte Impulsbreite kleiner als ein Viertel der Periode des FM-Eingangssignals ist. Die auf diese Weise erzeugten gleichförmigen Impulse (Signal "f" in Figur 2) werden über das Tiefpaßfilter 32 auf eine Ausgangsklemme 34 für das demodulierte Signal gegeben, von wo aus sie über einen Ab-

frageschalter 36 zur Intensitätsmodulation der Empfänger-Speicherröhre gelangen. Der Abfrageschalter 36 wird so gesteuert, daß die Intensitätsmodulation im wesentlichen synchron mit der entsprechenden Information erfolgt, die über den Fernsprechkanal an der Eingangsklemme 20 empfangen wird. In. den durch das Tiefpaßfilter 32 gelangten Impulsen sind die Grundwelle und auch die Oberwellen der V/iederholfrequenz nicht mehr enthalten, während der Kittelwert der'Reihe der gleichförmigen Impulse durchkommt. Dieser Mittelwert stellt somit den Modulationsinhalt zu jeder beliebigen Zeit dar, d.h. die Bildhelligkeitsinformation wird insgesamt durch eine sich ändernde Gleichspannung wiedergegeben.

Bei der beschriebenen Ausführungsform der Erfindung werden also in Abständen von einem Phasenwinkel τ/2 des zugeführten Eingangssignals vier Ausgangsimpulse erzeugt. Der an der Ausgangsklemme. 34-erscheinende Impulszug (Signal "f" in Figur 2) enthält weder die Grundwelle noch die zweite oder dritte Harmonische des Eingangssignals. Die im Spektrum des Impulszuges vorkommende niedrigste trägerbezogene Frequenz ist das Vierfache der Eingangsfrequenz. Ein Tiefpaßfilter vermag somit nicht nur als Integrator zur Bildung des Mittelwerts der Impulse zu wirken,' sondern es dient auch zur Unterdrückung derjenigen Frequenzen, die viermal so hoch wie die zugeführte Eingangsfrequenz und höher sind. Der Modulationsihhalt, der als zeitlicher Mittelwert der Impulse vorliegt, ist somit· nach Durchlaufen des Filters 32 als demoduliertes Signal vorhanden.

*) engl.: "sampling gate circuit" - 5 -

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Bei der Auswahl des Filters $2. sollte darauf geachtet v/erden, daß seine Grenzfrequenz nicht so hoch ist, damit die Einzelimpulse (Signal "f" in Figur 2) durchgelassen v/erden können. Diese Impulse würden eine Verzerrung der vom Filter erhaltenen durchschnittlichen Gleichstromkomponente bedeuten, die proportional dem Modulationsinhaltssignal ist. Andererseits solle die Grenzfrequenz des Filters nicht unnötig tief gewählt werden, damit die Übertragungsbandbreite und somit die Übertragungsgeschwindigkeit nicht zu klein ist.

Die Wahl einer solchen Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters ist im allgemeinen schon dann wichtig, wenn der Unterschied zwischen der Trägerfrequenz und den Modulationsfrequenzen nicht sehr groß ist. Von besonderer Bedeutung ist diese Wahl jedoch bei der Bildübertragungseinrichtung nach der eingangs erwähnten US-Patentanmeldung, v/o zur Übertragung von Fernsehbildern ein Fernsprechkanal verwendet wird. Die verhältnismässig schmale Bandbreite einer Telefonleitung und die durch Sie hervorgerufenen Phasenverzerrungen sind nämlich so, daß für eine optimale Datenübertragung Signalfrequenzen zwischen 1,5 und 2,5 KHz am günstigsten sind. Wenn man einen Frequenzdemodulator verwenden würde, der Impulse der hier beschriebenen Art beispielsweise als Antwort auf die Nulldurehgänge des zugeführten sinusförmigen Signals erzeugen würde, dä)nn wären sehr aufwendige Filter mit hoher Trennschärfe und guter Phasenlinearität notwendig, um eine Trennung zwischen dem Informationsinhalt und dem Träger herbeizuführen. Man könnte andererseits auch veniger komplizierte Filter verwenden, jedoch müßte man dann die Modulationsfrequenzen im Vergleich zum Träger niedriger machen, um eine wirksame Trennung zu erreichen. In diesem Fall würde jedoch die Verringerung der Signalbandbreite eine Verminderung der Übertragungsgeschwindigkeit bedeuten. Mit einer Bildübertragungseinrichtung gemäss der genannten US-Patentanmeldung benötigt man ohne den erfindungsgemässen Demodulator etwa 60 Sekunden, um ein gespeichertes Fernsehbild über Fernsprechleitnngen zu übertragen.

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Wenn andererseits das trägerfrequentefechtecksignal in der hier beschriebenen Weise in verschiedenphasige Signale aufgespalten wird, kann man (wegen des Fehlens der Grundfrequenz und ihrer zweiten und dritten. Harmonischen am Ausgang des Impulsgenerators 30) ein einfacheres Filter mit höherer Grenzfrequenz verwenden, um die Signalbandbreifce vollständiger ausnutzen zu können. Durch Verwendung des erfindungsgemässen Demodulators konnte die Übertragungszeit bei der genannten Bildübertragungseinrichtung um 50 ζ», nämlich auf 30 Sekunden, ohne einen merklichen Verlust der Auflösung verkürzt werden. Wegen der höheren Grenzfrequenz können mehr Informationseinheiten je Sekunde gesendet und somit mehr Bildpunkte ge Sekunde übertragen werden. Vorstehend wurde nur ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben, d.h. es sind auch andere Ausgestaltungen der Erfindung möglich. Beispielsweise kann statt eines 90°-Phasenspalters auch ein 4-5°-Phasenspalter verwendet werden, um Informationsimpulse mit dem Achtfachen der Trägerfrequenz zu erzeugen. Man könnte dann zwar ein noch einfacheres Tiefpaßfilter nehmen, jedoch könnte dieser Vorteil durch den komplizierteren Aufbau des Phasenspalters wieder etwas geschmälert werden.

Welchen Grad der Phasenaufspaltung man auch verwendet, das beschriebene Prinzip erlaubt eine Multiplikation der Frequenzen der vom Träger herrührenden Modulationsprodukte ohne eine Änderung der Frequenz des Modulationsinhalts, die den für die Bildhelligkeitsinformation charakteristischen Gleichstromwert beeinflussen würde. Selbst wenn das FrequenzSpektrum des Modulationssignals sich mit dem Spektrum des FM-Signals überlappt, macht es das beschriebene Prinzip der Phasenaufspaltung möglich, mittels einfacher Tiefpaßfilterung den Modulationsinhalt wieder zu gewinnen und ihn von den mit der Trägerfrequenz zusammenhängenden Modulationsprodukten zu trennen. Da das Filter als Integrator zur Bildung des zeitlichen Mittelwerts der zugeführten Impulse herangezogen wird, kann seine Grenzfrequenz so gewählt sein, daß es im vorliegenden Fall Frequenzen oberhalb des Vierfachen der niedrigstei Eingangsfrequenz ohne Störung des Modulationssignals unterdrückt.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   1. !FM-Demodulator mit einer ersten Einrichtung zur Zuführung eines frequenzmodulierten Eingangssignals, gekennzeichnet durch eine zweite Einrichtung (18, 10, 12, 24, 26) zur Umwandlung des Eingangssignals (g) in mehrere Rechteckwellen (a, b, c, d), die gegeneinander um einen im wesentlichen konstanten Phasenwinkel versetzt sind; eine dritte Einrichtung (22, 30) die als Antwort auf die Flanken der Rechteckxtfellen einen Zug von Impulsen (f) gleichförmiger Amplitude und Breite und einer Folgefrequenz erzeugt, die durch die !Frequenz der Rechteckwellen "bestimmt ist; und eine vierte Einrichtung (32), Vielehe aus dem Impulszug (f) die Gleichstromkomponente gewinnt, deren Mittelwert pro Zeiteinheit charakteristisch für die Augenblicksfrequenz des frequenzmodulierten Eingangssignals ist.

   2. FM-Demodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Einrichtung (22, 30) einen monostabilen Multivibrator (30) enthält.

   5. FM-Demodulator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Einrichtung ein Tiefpaßfilter (32) enthält.

   4. FM-Demodulator nach Anspruch 1, 2, oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einrichtung ein tonfrequentes Signal (g) zuführt, welches entsprechend einer Video-Helligkeitsinformation frequenzmoduliert ist, und daß die vierte Einrichtung (32) eine Gleichstromkomponente gewinnt, deren Mittelwert proportional dieser Helligkeitsinformation ist.

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   5-, FM-Demodulator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einrichtung einen Fernsprechkanal enthält.

   6. FM-Demodulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Einrichtung (18, 10, 12, 24, 26) das frequenzmodulierte Eingangssignal (g) in vier Rechteckwellen (a, b, c, d) umwandelt, die um im wesentlichen 90° zueinander phasenverschoben sind.

   7. FM-Demodulator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Einrichtung einen Phasenspalter (18) zur Umwandlung des frequenzmodulierten Eingangssignals (g) in zwei um im wesentlichen 90° zueinander phasenverschobene Zwischensignale enthält und zwei Begrenzer (10, 12,) aufweist, welche aus den beiden Zwischensignalen ein erstes Paar von um 90° zueinander phasenverschobenen Rechteckwellen (a, b) erzeugen, sowie zivei Umkehrstufen (24, 26), deren jede mit dem Ausgang eines der Begrenzer verbunden ist und die ein zweites Paar um 90° zueinander phasenverschobener Rechteckwellen (c, d) erzeugen, deren jede gegenüber einer Rechteckwelle des ersten Paars um 180° phasenverschoben ist.

   8. FM-Demodulator nach Anspruch 7? dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Einrichtung ein Tiefpaßfilter (32) enthält, dessen Grenzfrequenz niedriger ist als das Vierfache der Trägerfrequenz des frequenzmodulierten Eingangssignals.

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