DE2342053B2 - FM-Demodulator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Demodulator für frequenzmodulierte Signale, mit einem Begrenzer und einem ersten Signalverarbeitiingskanal, in dem die begrenzten Signale auf zwei Signalwege mit unterschiedlicher Verzögerung aufgeteilt und anschließend einem Koinzidenzdetektor zugeführt weiden, der eine erste Folge phasenmodulierter Impulse mit durch den Verzögeriingsunterschied bestimmter Breite liefert, die mit Hilfe eines nachgeschalteten Tiefpasses zu dem demodulierten Signal integriert werden.

Die FM-Demodulation nach der Impulszählmethode hat in den letzten Jahren in zunehmendem Maße Anwendung gefunden, besonders iti Breitband-FM-Systemen. Man hat sie auch angewendet, um die Nachteile der früheren bekannten FM-Demodulatoren mit abgestimmten Kreisen, die Transformatoren oder Schwingkreise, bei denen möglicherweise eine Frequenzabwanderung auftreten kann, erfordern, zu vermeiden.

Bei einem FM-Demodulator vom Impulszählertyp werden typischerweise die frequenzmodulierten Signale verstärkt und begrenzt, so daß sogenannte »Rechteckschwingungen« erzeugt werden, deren Nullachsendurchgänge in der gleichen Weise voneinander beab standet sind wie bei den FM-Schwingungen. Diese Rechteckschwingungen werden dann in Impulse umgewandelt, deren Amplitude und Breite (Dauer) unabhängig von der Frequenz des zugeleiteten FM Signals konstant ist. Allgemein wird ein Impuls konstanter Breite bei jedem Nulldurchgang des modulierten Eingangssignals eri.eug(. Das resultierende Signal ir Form einer Reihe oder Folge von Impulsen konstanter Breite wird dann integriert (oder gefiltert), um den Modulationssi gnalinhalt wiederzugewinnen.

Bekannte Impulszähler-Demodulatoren der genannten Art arbeiten mit verschiedenen Formen von Frequenzverdopplung, um die Güte der nach der Integra tion wiedergewonnenen Signalinformation zu verbes sern und einen vergrößerten Abstand oder eine bessere Trennung zwischen dem wiedergewonnenen Impulssignal und der Frequenz des Mudulationssignals herzustellen. Letzteres ist besonders wichtig bei Breitband-FM-Demodulatoren. die in Videosyslemen verwendet werden.

Bei einer bekannten Art von Impulszähler-Demodulatoren werden zwei aus der FM-Schwingung abgeleitete gegenphasige und begrenzte Rechteckschwingungen einzelnen astabilen Multivibratoren zugeleitet. Die von jedem dieser astabilen Multivibiatoren bei den Nulldurchgangsstellen des FM Signals erzeugten Impulse werden dann in einer Addierstufe summiert, um eine Reihe oder Folge von Impjlsen mit der doppelten Folgefrequenz der frequenzmodulierten Trägerschwingung zu gewinnen. Ein Tiefpaßfilter integriert diese Impulsfolge, wodurch das Modu ationssignal wiedergewonnen wird.

Dieser bekannte Impulszähler-Demodulator hat jedoch betriebliche Nachteile. Es ist schwierig, identische astabile Multivibratoren herzustellen. Diese Symmetrieschwierigkeit vergrößert sich in dem Maße, wie der Betriebstemperaturbereich sich ändert, so daß sich Temperaturgleichlaufprobleme ergeben. Wenn die astabilen Multivibratoren nicht genau gleichartig sind, sind die bei den einzelnen Nulldurchgängen erzeugten Impulse voneinander verschieden, indem sie unterschiedliche Energiebeträge enthalten oder unterschiedliche Breite haben.

Dieser durch Unterschiede zwischen den Bauelementen sowie durch Temperaturschwankungen bedingte unvollkommene Gleichlauf ruft unerwünschte Oberwellen hervor, die in den demodulierten Signalen erscheinen. Ebenso rufen Gleichlaufschwankungen in der

Addierschaltung unerwünschte Signale im demodulierten Ausgangssignal hervor, wenn die Addierschaltung nicht die beiden Ausgangsimpulsfolgen der Mulüvibratoren abgeglichen oder Symmetrien hält. Um die Schwierigkeiten der identischen Ausbildung der Schaluingselemente sowie des Temperaturgluchlaufs zu vermeiden, hat man Impulszähier-Demodulatoren mit nur einem einzigen astabilen Multivibrator, der Sei jedem Nulldurchgang getriggert wird, entwickelt. Jedoch wird bei diesen bekannten Demodulatcren mit einem einzigen astabilen Multivibrator der Einsatz bei hohen Frequenzen, für den die Impulszählmethode der FM-Demodulation am meisten erwünscht ist, durch die mit der Wuederherstell- oder Rückkippzeil des aslabilen Multivibrators (Univibrators) verbundenen Schwierigkeiten in Frage gestellt, indem die Laufzeit oder Kippdauer des Univibrators sich mit zunehmender Betriebsfrequenz mehr und mehr der Schwingungsperiodendauer der hochfrequenten Signale annähert.

Aus den US-PS 30 22 461, 30 54 064 und 28 35 803 sind Demodulatoren bekannt, die keine Multivibratoren verwenden, sondern das zu demodulierende Signal auf zwei Signalwege aufteilen, in denen das Signal in unterschiedlicher Weise verzögen wird. Die zu entsprechend dem Verzögerungsunterschied phasenverschobenen Rechteckschwingungen umgeformten Signale werden dann einer Koinzidenzschaltung zugeführt, welche Ausgangsimpulse konstanter Breite, nämlich entsprechend dem Verzögerungsunterschied, liefert. Diese Impulse treten jeweils bei Nulldurchgän^en des zu demodulierenden Eingangssignals auf, sind also entsprechend dessen Frequenzmodulation phasenmoduliert. Ein nachgeschalteter Tiefpaß filtert infolg? seiner Integrationswirkung aus der phasenmodulierten Impulsfolge das Modulationssignal heraus. Bei den bekannten Demodulatoren sind die Verzögerungsschaltungen mit Blindschaltelementen, also Spulen oder Kondensatoren, aufgebaut, die sich bekanntlich in integrierter Form nicht praktikabel realisieren lassen. Außerdem tritt die Trägerfrequenz in Form der Impulsfolgefrequenz mehr oder weniger stark im demoduücrten Signal auf, und dies kann zu Störungen bei der i- neren Verarbeitung führen.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der ! rfindung in der Angabe eines Demodulators, der die Mgnalverzögerung ohne di·; Notwendigkeit von Blindschaltelementen durchzuführen gestattet und ein unerwünschtes Auftreten von trägerfrequenten Resten im demodulierten Signal verhindert. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Hierbei sorgt der zweite Signalverarbf'tungskanal dafür, daß zwischen den Impulsen der ersten Impulsfolge Impulse einer in gleicher Weise phasenmodulierten zweiten Impulsfolge auftreten, so daß die beiden vereinigten Impulsfolgen eine Impulsfolge der doppelten Trägerfrequenz bilden, wobei praktisch keine störende Beeinflussung des demodulierten Signals mehr auftritt. Zwar wird auch gemäß der US-PS 30 22 461 eine Impulsfolge doppelter Trägerfrequenz erzeugt, jedoch werden hierzu nicht zwei getrennte Signalverarbeitungskanäle verwendet, und außerdem wird die Verzögerung im einen Signal\veg mit Hilfe einer Induktivität bewirkt, welche sich für integrierte Schaltungen nicht eignet. Demgegenüber verwendet die Erfindung überhaupt keine üblichen Verzögerungsglieder mit Blindschaltelementen, sondern sie nutzt die in Verstärkerstufen ohnehin auftretenden Signalverzögerungen aus, welche durch Hintereinanderschaltung mehrerer, in integrierter Form wesentlich einfacher und preiswerter als übliche Verzögerungsglieder auszubildender Verstärkerstufen zu der gewünschten Gesamtverzögerungszeit addiert werden. Auf diese Weise läßt sich eine preiswerte und im Betrieb äußerst zuverlässige Demodulatorschaltung mit optimalen Demodulatoreigenschaften herstellen.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung ist nachfolgend an Hand der Darstellungen eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Demodulators, und

F i g. 2 einige Signalverläufe zur Erläuterung der in F i g. 1 dargestellten Schaltung.

In F i g. I wird ein zu demodulierendes FM-Signal von einer FM-Signalquelle 150 einem Begrenzer 152 und anschließend einem Phasenspalter 163 zugeleitet, der zwei gegenphasige Rechtecksignale erzeugt, deren Nullachsendurchgänge den Nulldurchgängen des FM-Signals entsprechen. Die Ausgangssignale des Phasenspalters werden in im wesentlichen identischen Signalkanälen wie folgt behandelt: Der eine Ausgang des Phasenspalters 163 (Signal A) ist an einen ersten Signalweg mit Invertersiufen 166, 167, 168 und einem NAND-Glied oder -Tor 172 angekoppelt. Die Eingänge des NAND-Gliedes 172 sind so eingerichtet, d.h. zusammengeschaltet, daß das NAND-Glied die gleiche Funktion erfüllt wie die Inverterstufen 166,167 und 168. Im vorliegenden Fall sind die Inverterstufen 166,167 und 168 in einer ersten integrierten Schaltung, angedeutet durch die gestrichelte Umrißlinie 164, untergebracht, während das NAND-Glied 172 in einer zweiten integrierten Schaltung 165 untergebracht ist. Das NAND-Glied 172 kann in der Praxis durch eine zusätzliche Inverterstufe auf dem integrierten Schaltungsplättchen 164 ersetzt werden. Der Ausgang dieses ersten Signalweges (166, 167, 168, 172) ist an den einen Eingang eines Koinzidenzdetektors 173 angeschaltet. Der Ausgang der Inverterstufe 166 ist ferner über eine Direktverbindung an den zweiten Eingang des Koinzidenzdetektors 173 angeschaltet, so daß die Inverterstufe 166 und diese Direktverbindung einen zweiten Sigp.alweg für das Signal A bilden. Der Koinzidenzdetektor 173 erzeugt immer dann ein Ausgangssignal, wenn seine beiden Eingangssignale den gleichen Zustand haben, d. h. der Koinzidenzdetektor 173 erzeugt ein Ausgangssignal »Niedrig«, wenn seine beiden Eingangssignale »Hoch« sind.

Das andere Ausgangssignal ßdes Fhasenspalters 163 wird in einem zweiten Signalkanal verarbeitet. In der gleichen Weise wie beim ersten Signalkanal wird das Signal S über eine Inverterstufe 169 direkt auf den einen Eingang eines zweiten Koinzidenzdetektors 175 sowie über einen Signalweg mit lnverterstufen 170,171 und einem NAND-Glied 174 auf den zweiten Eingang des Koinzidenzdetektors 175 gekoppelt. Die Ausgangssignale der Koinzidenzdetektoren 173 und 175 werden in einer Additionsstufe 176 summiert. Das Summenausgangssignal der Additionsstufe 176 wird in einem Tiefpaßfilter 177 zu einem Ausgangssignal integriert, das dem Modulationssignalinhalt des dem Impuiszähler-Demodulator zugeleiteten FM-Eingangssignals entspricht.

F i g. 2 zeigt Signalverläufe, welche die Wirkungsweise des lmpulszähler-Demodulators nach F i g. 1 veranschaulichen. Der Signalverlauf 25 gibt eine frequenz-

modulierte Schwingung wieder, bei der die Nullachsendurchgänge gegenüber denen des unmodulierten Trägers entsprechend dem Modulationsinhalt der Trägergrundschwingung verschoben sind. Der Signalverlauf 26 gibt das Ausgangssignal des Begrenzers 152 wieder und hat die Form einer Rechteckschwingung, deren Nulldurchgänge den Nulldurchgängen des Eingangssignals 25 des Begrenzers 152 entsprechen.

Das dem Signalverlauf 26 entsprechende Signal wird dem Phasenspalter 163 zugeleitet, der zwei Ausgangs- ]o signale liefert, deren eines (Signalverlauf 27) mit dem Eingangssignal in Phase und deren anderes (Signalverlauf 28) gegenphasig (um 180° phasenverschoben) zum Eingangssignal 26 ist. Das dem Signalverlauf 27 entsprechende Signal gelangt zur Umkehrstufe 166. die eine solche Laufzeitcharakteristik hat, daß die positiv gerichteten Flanken um ein erstes Intervall (von z. B. ungefähr 8 Nanosekunden) und die negativ gerichteten Flanken um ein zweites Intervall (von z. B. ungefähr 12 Nanosekunden) verzögert werden. Diese Verzögerungen sind durch die Zeitintervalle 73 und 74 im Signalverlauf 29, der das Ausgangssignal der Inverterstufe 166 wiedergibt, dargestellt. In entsprechender Weise verzögert die Inverlerstufe 169 das Signal 28, so daß ein Signal 30 entsteht, dessen abfallende Flanken um z. B. 12 Nanosekunden, und dessen ansteigende Flanken um z. B. 8 Nanosekunden, verzögert sind. Diese Verzögerungen sind durch die Zeitintervalle 75 und 76 dargestellt.

Wenn die lnverterstufen im wesentlichen identisch in ihrem Aufbau sind, erfahren die Signale beim Durchlaufen der lnverterstufen 167, 168 und des NAND-Gliedes

172 sowie der lnverterstufen 170, 171 und des NAND-Gliedes 174 gleichartige Verzögerungen. Die entsprechenden Verzögerungen sind akkumulativ in den Signalverläufen 31,33,35,32, 34,36 dargestellt. Das durch den Signalverlauf 29 wiedergegebene Ausgangssignal der Inverterstufe 166 und das durch den verzögerten Signalverlauf 35 wiedergegebene Ausgangssignal des NAND-Gliedes 172 gelangen zum Koinzidenzdetektor 173. Das durch den Signalverlauf 37 wiedergegebene Ausgangssignal des Koinzidenzdetektors 173 hat die Form einer Reihe oder Folge von Impulsen mit im wesentlichen konstanter Breite. Der Signallaufzeitunterschied zwischen den beiden an den Koinzidenzdetektor

173 angekoppelten Signalen bestimmt die Dauer der einzelnen Ausgangsimpulse des Koinzidenzdetektors 173. Die Ausgangsimpulse des Koinzidenzdetektors i73 haben daher im wesentlichen konstante Breite und wurden an sich bei direkter Zuleitung an ein Tiefpaßfilter ein für die Demodulation geeignetes Signal ergeben.

Wie bereits erwähnt ist es jedoch erwünscht, bei einem Breitband-FM-System, wie es für die Videoaufzeichnung und -demodulation verwendet wird, den Abstand zwischen dem wiedergewonnenen Signal und der Frequenz des Modulationssignals zu vergrößern. Es werden daher das Ausgangssignal der Inverterstufe 169 (Signalverlauf 30) und das Ausgangssignal des NAND-Gliedes 174 (verzögertes Signal 36) dem Koinzidenzdetektor 175 zugeleitet. Das Ausgangssignal des Koinzidenzdetektors 175 (Signalverlauf 38) ist eine Folge von Impulsen, deren Breite im wesentlichen gleich der Breite der Ausgangsimpulse des Koinzidenzdetektors 173 ist, die jedoch auf Grund des 180°-Phasenunterschiedes zwischen den Ausgangssignalen 27 und 28 des Phasenspalters zeitlich verschoben sind. Der Signalverlauf 39 gibt das Ausgangssignal der Additionsstufe 176 wieder, der eingangsseitig die Signale 37 und 38 zugeleitet werden. Das resultierende Signal 39 ist eine Folge von Impulsen mit im wesentlichen konstanter Breite und konstanter Amplitude und mit der doppelten Eingangsfrequenz, d.h. mit je einem Impuls bei jedem Nulldurchgang des Eingangssignals 25.

Wie bereits erwähnt, betragen die typischen Laufzeiten (Signalver/ögerungen) für jec; der lnverterstufen 166 bis 172 z. B. 8 Nanosekunden für einen positiven und 12 Nanosekunden für einen negativen Pegelübergang. Wenn ein Signal eine Stufe oder eine ungerade Anzahl von Stufen durchläuft, ergibt dies, wie man sehen kann, eine gewisse Verzerrung der Signale (Signalverläufe 29 und 30). Dagegen wird bei zwei Stufen oder einer geraden Anzahl von Stufen die richtige zeitliche Beziehung zwischen den Vorder- und Hinterflanken des Signals wiederhergestellt (Signalverläufe 35 und 36). Bei Anwendung der Erfindung auf die Aufzeichnung von Fernsehsignalen (Videosignalen) ist es erwünscht, eine Trägerfrequenz von ungefähr 6,5 MHz zu verwenden. In diesem Fall sieht man drei Verzögerungsstufen mit einer zusätzlichen Logikstufe vor. Dies ergibt eine typische Verzögerung oder Laufzeit von 31 Nanosekunden und eine maximale Laufzeit von 59 Nanosekunden. Diese Laufzeiten ergeben geeignete Impulsbreiten am Ausgang der Additionsstufe 176 (Signalverlauf 39).

Man sieht aus F i g. 1 und den dazugehörigen Signalverläufen nach F i g. 2, daß beide Signalphasen im wesentlichen gleichartig behandelt werden, um die gewünschten gleichen Impulsbreiten und den richtigen Zeitablauf zu erhalten. Zur Behebung der Signalverzerrung auf Grund der ungleichen Verzögerung für positive und negative Pegelübergänge ist eine gerade Anzahl von Logikstufen vorgesehen. Da die Verzögerungen oder Laufzeiten auf denselben integrierten Schaltungsplättchen 164. 165 erzielt werden, ergibt sich im wesentlichen die gleiche Temperatur- und Bauelementcharakteristik. Die Impulsbreite ist eine Funktion der Signallaufzeit der speziell verwendeten Bauelemente und kann den konstruktioneilen Gegebenheiten des Systems angepaßt werden. Da beide Signalphasen im wesentlichen gleichartig behandelt werden, werden die eingangs genannten Schwierigkeiten herkömmlicher Irnpulszähler-Demodulaloren vermieden, die sich aus der Verwendung von getrennten Univibratoren mit unterschiedlichen temperaturbedingten Abweichungen ergeben.

In der Schaltungsanordnung nach F i g. 1 kann man für die integrierte Schaltung 164 lnverterstufen vom Typ Signetics TTL type 7404 Hex und für die integrierte Schaltung 165 NAND-Glieder vom Typ Signetics TTL type 7400 quad verwenden. Die Systemgrenzen sind für den Betrieb bei einer Trägerfrequenz von ungefähr 6 MHz mit einem Frequenzhub von ; MHz gewählt. In der Praxis kann der Demodilator auch bei verschiedenen höheren oder niedrigeren Frequenzen betrieben werden. Es wird angenommen, daß die Schaltungsanordnung bei Bestückung mit den obengenannten Bauelementen mindestens bis zu einer Trägerfrequenz von ungefähr 9 MHz gut arbeitet.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Demodulator für frequenzmodulierte Signale, mit einem Begrenzer und einem ersten Signalverarbeitungskanal, in dem die begrenzten Signale auf zwei Signalwege mit unterschiedlicher Verzögerung aufgeteilt und anschließend einem Koinzidenzdetektor zugeführt werden, der eine erste Folge phasenmodulierter Impulse mit durch den Verzögerungsunterschied bestimmter Breite Hefen, die mit Hilfe eines nachgeschalteten Tiefpasses zu dem demodulierten Signal integriert werden, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiler Signalverarbeitungskanal (B) vorgesehen ist, dem zu den dem ersten Signalverarbeitungskanal (A) zugeführten Signalen (27) gegenphasige Signale (28) zugeführt werden und der ebenfalls zwei Signalwege (169,175 bzw. 169, 170, 171. 174. 175) unterschiedlicher Verzögerung und einen Koinzidenzdetektor (175) aufweist, und eine zweite Folge phasenmodulierter Impulse (38) liefert, die gegen die Impulse (37) der ersten Folge entsprechend dem Phasenunterschied zwischen den den beiden Signalverarbeitungskanälen (A, B) zugeführten Signalen verschoben sind, und daß die beiden Impulsfolgen einer dem Tiefpaß , (177) vorgeschalteten Summierschaltung (176) zugeführt werden.

2. Demodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils nur der eine Signalweg der beiden Signalverarbeitungskanäle (A, B) eine die Breite der Impulse (37, 38) der den Koinzidenzdetektoren (173, 175) zugeführten Impulsfolgen beistimmende Verzögerungsschaltung (167, 168, 172: 170, 171. 174) enthält, während der jeweils andere Signalweg durch eine direkte Signal verbindung gebildet wird.

3. Demodulator nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsschaltung (167, 168. 172; 170, 171, 174) mindestens ein Verzögerungselement enthält, welches die positiven und die negativen Flanken der zu Rechteckschwingungen begrenzten Signale um eine vorbestimmte Verzögerungszeit verzögen.

4. Demodulator nach Anspruch 'I, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verxögerungsschaltung (167. 168, 172; 170, 171, 174) mehrere Ver stärkerstufen enthält, deren Einzelverzögerungen die der gewünschten Impulsbreite entsprechende Gesamtverzögerung ergeben.

5. Demodulator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärker der Verzögerungsschaltung (167, 168, 172; 170, 1171, 174) gleichartig aufgebaut sind und sich in derselben thermischen Umgebung befinden.

6. Demodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalquelle (150) und dem Begrenzer (152) ein Phasenspalter (163) zur Liefe rung der gegenphasigen, rechteckförmigen Eingangssignale (37, 38) für die beiden Signalverarbeitungskanäle (A, B) nachgeschaltet ist.