DE2452487A1 - Phasendemodulator - Google Patents

Description

Dipl.-Ing. H. MITSCHERLICH D-8 MÖNCHEN 22

in· ι ι ι/ rriKic^uuAkiM SteinsdorfstraBe 10

D,pl.-Ing. K. GUNSCHMANN .

Dr. r.r. not. W. KORBER ^{W l} ' Dipl.-Ing. J. SCHMIDT-EVERS

Patentanwälte 5. November 1974

SOFT GORPOEATIOIT
7-35 Kitshinagawa
6-chome, Shinagawa-ku
Tokio, Japan

Patentanmeldung

Phasendemo äulator

Die Erfindung "bezieht sich auf Phasendemodulatoren und betrifft insbesondere Phasendemodulatoren, die geeignet sind, unter Einhaltung einer guten Linearität ein Signal zu demodulieren, dessen Phase über einen großen Winkelbereich variiert.

Es ist bereits ein Phasendemodulator bekannt, bei dem eine abgeglichene Schaltung vorhanden ist, die zwei Sätze von Eingangsklemmen aufweist, von denen der eine das modulierte Signal aufnimmt, während dem anderen ein Bezugsträgersignal zugeführt wird. Diese Signale stehen in einer solchen Beziehung zueinander, daß dann, wenn die Modulation des phasenmodulierten Signals gleich Null ist, der Phasenwinkel dieses Signals gegenüber dem Bezugsträgersignal um einen bestimmten Winkel θ phasenverschoben ist. Werden diese beiden Signale kombiniert, weist das resultierende Signal eine gewisse Überlappung auf, und es läßt sich durch ein Impulssignal darstellen, das ein bestimmtes Tastverhältnis aufweist. Bei einer Phasenmodulation des zu demodulierenden Signals wird die Überlappung vergrößert oder verkleinert, und hierdurch wird eine Änderung des T'astverhältnisses bewirkt. Diese Änderung des Oiastverhältnisses kann in eine Änderung der Amplitude umgesetzt werden, um die Demodulation zuendezuführen _β

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Ist die Phasenmodulation gegenüber einer bestimmten Phase zentriert, die sich um 90° von der Phase des Bezugsträgersignals unterscheidet, beträgt das Tastverhältnis des Uberlappungssignals bei dem unmodulierten Signal 50%» und das Tastverhältnis nimmt bis auf 100% zu, wenn der Modulationswinkel gleich '//"/2 ist, und auf 0% ab, wenn der Modulationswinkel gleich - Jf/2 ist. Der Mittelwert des "Überlappungssignals erreicht somit einen Spitzenwert bei einem Modulationswinkel von If/2 und einen Spitzenwert von entgegengesetzter Polarität bei einem Modulationswinkel von - ff/2. Eine Vergrößerung des Modulationswinkels über diese Grenzwerte hinaus führt zu einer unerwünschten Verkleinerung des Mittelwertes. Bei Modulationswinkeln von + ΊΓ ist der Mittelwert gleich Null.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Phasendemodulator zu schaffen, der einen großen Demodulationsbereich aufweist, der mit einer guten Linearität arbeitet, und der es ermöglicht, eine lineare Demodulation von Signalen zu bewirken, deren Modulationswinkel sich in der negativen Richtung über - Tf/2 und in der positiven Richtung über + T/2 hinaus erstrecken.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist durch die Erfindung ein Phasendemodulator geschaffen worden, bei dem ein zu demodulierendes phasenmoduliertes Signal einem Mischkreis zugeführt wird,· um mit einem Bezugssignal kombiniert zu werden, das in einer bestimmten Phasenbeziehung zu einem zweiten Bezugssignal steht„ Das kombinierte Signal wird bezüglich seiner Amplitude begrenzt, und seine Phase wird mit der Phase des zweiten Bezugssignals verglichen, um ein demoduliertes Signal zu erzeugen, dessen Amplitude entsprechend dem Phasenunterschied zwischen dem kombinierten Signal und dem zweiten Trägersignal variiert.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:

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Fig. 1 die Schaltung eines abgeglichenen Demodulators bekannter Art, wie er als Phasendetektor oder Demodulator verwendet wird;

Fig. 2A bis 2G jeweils eine Wellenform zur Veranschaulichung verschiedener Phasenbeziehungen, die sich beim Betrieb der Schaltung nach Fig. 1 ergeben^

Fig. 3 ein Vektordiagramm von beim Betrieb der Schaltung nach Fig. 1. auftretenden Signalen;

Fig. 4 eine graphische Darstellung des durch die Schaltung nach Fig. 1 erzeugten demodulierten Signals;

Fig. 5 ein Blockschaltbild eines Phasendemodulators nach der Erfindung;

Fig. 6A und 6B jeweils ein Vektordiagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise der Schaltung nach Fig. 5;

Fig. 7 eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung der Amplitude des Ausgangssignals der Schaltung nach Fig. 5 als Funktion des Phasenwinkels; und

Fig. 8 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform des Phasendemodulators nach Fig. 5 zur Verwendung bei einem Bandaufnahmegerät für Fernsehsignale.

Der bekannte abgeglichene Demodulator nach Figo 1 weist zwei Eingangsklemmen 1a und 1b auf, über die ein unbekanntes phasenmoduliertes Signal Ea zugeführt wird, und es sind zwei weitere Eingangsklemmen 2a und 2b vorhanden, über die ein Bezugsträgersignal Eb zugeführt wird. Die Eingangsklemmen 2a und 2b sind an die Basiselektroden von eine Differentialschaltung bildenden Transistoren 3a und 3b angeschlossen. Ferner sind zwei weitere eine Differentialschaltung bildende Transistoren 4a und 4b vorhanden, die im Kollektorkreis des Transistors 3&vliegen, während der Kollektorkreis des Transistors 3b zwei eine Differentialschaltung bildende Transistoren f?a und 5b aufweist. Weiterhin ist eine mit einem konstanten Strom arbeitende Schaltung 6 vor-

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handen, die auf ihrer einen Seite mit den Emittern der beiden Transistoren'Ja und 3b verbunden ist und auf ihrer anderen Seite an eine Bezugsspannungsklemme, z.B. eine Erdungsklemme, angeschlossen ist. Die Schaltung wird durch eine Stromquelle gespeist, und sie weist zwei Ausgangsklemmen 8a und 8b auf, die an die Kollektoren der Transistoren 4a und 5b angeschlossen sind. Die Basiselektroden der Transistoren 4-a und 5b sind mit der Eingangsklemme 1a verbunden, während die Basiselektroden der Transistoren 4-b und 5a an die andere Eingangsklemme 1b angeschlossen sind« Die Ausgangsklemmen 8a und 8b sind mit einem Tiefpaßfilter 9 verbunden, das durch einen Ausgangs- bzw. Belastungswiderstand 10 überbrückt ist, an den die beiden Ausgangsklemmen 11a und 11b angeschlossen sind ο

Beim Betrieb der Schaltung nach J¹Xg₀ 1 wird mit einem ^ezugstragersignal Eb gearbeitet, bei dem es sich gemäß Figo 2A um ein Eechteckwellensignal handelt; das modulierte Signal ist in den weiteren Figuren für unterschiedliche Phasenbeziehungen dargestellt, und zwar in Pig« 2B als das Signal Ea1, in Fig. 2D als das Signal Ea2 und in Fig. 2F als das Signal EaJ. Werden die Signale Ea1 und Eb über die Eingangsklemmen 1a, 1b und 2a, 2b zugeführt, erscheint an den Klemmen 8a und 8b das in Fig. 2C dargestellte Eechteckwellensignal Ee1. Die Beziehung zwischen dem Signal Ea1 und dem Bezugsträgersignal Eb ist derart, daß zwischen ihnen ein Phasenunterschied von 90° bzw. It/2 vorhanden ist. Der Modulationswinkel ist in Fig. 2B mit θ bezeichnet, und bei dem Signal Ea1 ist er gleich KuIl.

Wird der Phasenwinkel des Signals Ea um den Betrag -ΔΘ geändert, wie es in Fig. 2D gezeigt ist, erscheint als resultierendes Ausgangssignal an den Klemmen 8a und 8b das Signal Ee2 nach Fig. 2E, bei dem es sich um ein Impulssignal handelt, dessen Tastverhältnis weniger als 50% beträgt. Wird die Phase des Signals Ea in,der entgegengesetzten Eichtung entsprechend dem Betrag Δ© moduliert, so daß man das Signal EaJ nach Fig. 2F erhält, erscheint als resultierendes Ausgangssignal an den Klemmen 8a und 8b das in Fig. 2G dar-

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gestellte Signal EeJ, bei dem das Tastverhältnis größer ist als 50%.

Die relativen Phasenwinkel zwischen dem Bezugsträgersignal Eb und dem unbekannten Signal Ea sind auch in Figo 3 dargestellt. In Fig. 3 erstreckt sich eine Bezugsachse B, an der die Phasenmodulation gleich UuIl ist, im rechten Winkel zur Achse des Bezugsträgersignals Eb. Dies ist gleichbedeutend mit der Feststellung, daß die Bezugsachse B dem Betriebszustand entspricht, bei dem der Phasenmodulationswinkel Q gleich Null ist. In diesem Fall hat das demodulierte Ausgangssignal Ee1 nach Fig. 2C nach dem Durchlaufen des Tiefpaßfilters 9 nach Fig. 1 die Amplitude Null, wie es in Fig. 4 dargestellt ist. Eine Änderung des Phasenwinkels Q gegenüber der Achse B bewirkt, daß sich die Amplitude des Signals Ee im positiven oder negativen Sinne gegenüber dem V/ert Null ändert und bei einem Phasenmodulationswinkel Q von + Ti/2 einen positiven Spitzenwert und bei einem Phasenmodulationswinkel Q von - 7Γ/2 einen negativen Spitzenwert erreicht. Innerhalb des Bereichs (- /7/2) ^ Q <* ( /Γ/2-) besteht zwar eine lineare Beziehung zwischen dem Winkel Q und der Amplitude des Ausgangssignals, doch außerhalb dieses Bereichs nimmt die Amplitude des Signals Ee ab, wenn sich der Winkel O vergrößert. Daher ist es schwierig, ein phasenmoduliertes Signal zu demodulieren, das einen großen Modulationswinkel aufweist.

Fig. 5 zeigt den grundsätzlichen Aufbau einer Phasendemodul at or schaltung nach der Erfindung. Diese Schaltung besitzt eine erste Eingangsklemme 9, der das unbekannte modulierte Signal Ea zugeführt wird, und eine zweite Eingangsklemme 10 zum Zuführen des Bezugsträgersignals Eb. An die Klemme 10 ist ein Phasenschieber bzw. eine Verzögerungsschaltung 14 angeschlossen, deren Ausgang mit einem Mischkreis 15 verbunden ist. Der andere Eingang des MiscHsreises 15 liegt an der Eingangsklemme 9, und der Ausgang des Mischkreises ist über eine Begrenzungsschaltung 16 mit einem Phasenkomparator 17 verbunden, der ebenso ausgebildet sein kann wie die Phasenkomparatorschaltung nach Fig. 1. Die Phasenkompa-

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ratorschaltung 17 ist ferner mit der Eingangsklemme 10 verbunden, damit ihr das Bezugsträgersignal Eb zugeführt werden kann, und er besitzt eine Ausgangsklemme 18.

Die Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 5 wird im folgenden anhand der in Fig. 6A und 6B dargestellten Vektordiagramme unter Benutzung der üblichen Vektorbezeichnungen näher erläuterte

Das Ausgangssignal des Phasenschiebers 14· ist mit Ec für einen Phasenwinkel von JT/2 gegenüber dem Bezugsträgersignal Eb dargestellte Somit befindet sich das Signal Ec in Phase mit der Bezugsachse B für den Modulationswert Null.

Wird das Signal Ec mit dem unbekannten Signal Ea in dem Mischkreis 15 kombiniert, werden diese Signale vektoriell addiert, und für diesen Fall ist der Modulationswinkel Q des unbekannten Signals Ea in Fig. 6A dargestellt. Die Vektorsumme der Signale Ec und Ea ist das Signal Ed, zu dem ein Winkel ψ gehört, der kleiner ist als der Winkel Θ. In der vektoriellen Schreibweise erhält man somit die Gleichung Ec + Ea = Ed₉ Das Bezugsträgersignal wird in der gewünschten Weise durch ein Bezugssignal Eb¹ ersetzt, das in Fig. 6A als zu dem ursprünglichen Bezugsträgersignal Eb paralleler Vektor dargestellt ist_o Nimmt man an, daß die Größe des unbekannten Signals Ea konstant ist, beschreibt der Vektor Ea einen Kreis um den Punkt (0, b), wenn der Winkel Q variiert. Der' Radius dieses Kreises ist gleich dem Betrag von Ea. Der Phasenwinkel *f des Vektors Ed gegenüber der Bezugsachse B läßt sich wie folgt ausdrücken:

Ψ- tansr"^{1 sin Q} „ T- ^tanS k + cos β

Hierin ist k = Ec/ f la/

Ist k gleich I₁ oder ist Ea gleich Ec, läßt sich der Phasenwinkel ψ wie folgt ausdrücken:

_m tang _TT-coTT5

tang"^{1 2 sin} (^@/g> ^cos W^- * Θ/2 2 eoB^d (β/2)

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Um eine Beeinflussung des Ausgangssignals des Phasenkomparators 17 durch die Amplitude des Signals E"d zu verhindern, wird dieses Signal durch einen Amplitudenbegrenzer 16 geleitet, der das Signal auf den Wert Ed^f "begrenzt, das einen Kreis L um den Ursprung der graphischen Darstellung des Phasenwinkels f in Figo 6A beschreibt.

Fig. 6B ähnelt Fig. 6A, veranschaulicht jedoch die Beziehungen, die für Phasenmodulationswinkel θ gelten, die größer sind als /'/2. Für den Fall, daß die Signale Ea und Ec die gleiche Größe haben, oder daß E/Iüc gleich k und ψ gleich Θ/2 ist, veranschaulicht Fig. 7 die Beziehung zwischen dem Phasenwinkel Q des der Eingangsklemme 9 nach Fig. 5 zugeführten Eingangssignals und der Amplitude des nachgewiesenen, an der Klemme 18 erscheinenden Ausgangssignals Ee. Wie erwähnt, ist ein solcher Nachweis bzw. eine Demodulation in dem Bereich von - JF/2 bis + &/2 möglich, doch da das in dem Phasenkomparator 17 verglichene Signal das Signal Ed¹ ist, ist der Phasenwinkel derjenige Winkel, welcher zwischen

- 7/2 und + Tf/2 variiert, während der Winkel Q zwischen

- T und + //"variiert, wenn k gleich 1 ist. Fig. 7 zeigt diese Beziehung auch für den Fall, daß k gleich Null ist (Stand der Technik) und daß k gleich 0,5 bzw» gleich 2 ist.

Fig. 8 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung bei einer phasenstarren Schleife, die als FM-Detektor arbeitet und bei einem Magnetband-Aufzeichnungsgerät für Fernsehsignale verwendet wird. Diejenigen Schaltungselemente nach Fig. 8, die in Figo 5 dargestellten Schaltungseiementen entsprechen, sind jeweils mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet. Das Ausgangssignal eines Oszillators 19» dessen Frequenz durch ein Signal des Phasenkomparators 17 über ein Tiefpaßfilter 20 geregelt wird, dient als Bezugssignal Eb. Zwischen dem Phasenschieber 14 und dem Mischkreis 15 liegt ein regelbares Dämpfungsglied.

Beim Betrieb einer Detektorschaltung in Form einer phasenstarren Schleife wird ein beim Abspielen eines Magnetbandes in einem Gerät zum Aufzeichnen von Fernsehsignalen

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ein reproduziertes frequenzmoduliertes Signal der Eingangsklemme 12 zugeführt, und der Oszillator.16 erzeugt ein Bezugssignal Eb mit einer Frequenz₉ die gleich der Frequenz des Trägers des frequenzmodulierten Signals ist. Bei Detektoren bekannter Art für frequenzmodulierte Signale, bei denen phasenstarre Schleifen benutzt werden^ würde dem Phasenkomparator 17 das frequenzmodulierte Signal auf direktem Wege zugeführt und mit dem Ausgangssignal des Oszillators verglichen. Bei dieser Anordnung würden der Phasenschieber 14₉ das regelbare Dämpfungsglied 21₉ der Mischkreis 15 und die Begrenzungsschaltung nicht vorhanden sein₀ Bei diesen bekannten Schaltungen wird daher dann₉ wenn ein Signal über ein breites Band mit einem relativ niederfrequenten Träger übermittelt wird, wegen des Vorhandenseins des Tiefpaßfilters 20 oder einer mit einer Zeitkonstante arbeitenden Schaltung, die an die Steuerschaltung des spannungsgesteuerten Oszillators 19 angeschlossen ist, ein falsches Signal erzeugt, sobald die Frequenz über einen zulässigen Abweiehungsbereich abweicht₉ insbesondere dann_s wenn das ursprüngliche Signal übermäßig starke hochfrequente Komponenten enthält.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltung nach Fig. 8 wird dagegen der Demodulationsbereich im Vergleich zum Stand der Technik annähernd verdoppelt_s so daß selbst dann, wenn das ursprüngliche Signal zahlreiche hochfrequente Komponenten enthält, die Gefahr der Erzeugung falscher Signale erheblich verringert ist.

Bei der Schaltung nach Fig. 8 ist der Phasenschieber 14 zwischen dem Knotenpunkt 13 und dem Mischkreis 15 angeschlossen, doch ist es auch möglich,, den Phasenschieber in der in Fig. 8 mit gestrichelten Linien angedeuteten Weise zwischen dem Knotenpunkt 13 und dem Phasenkomparator 17 anzuschließen. Ferner ist es nicht unbedingt erforderlich, die Phasenverschiebung auf T/2 zu begrenzen; vielmehr ist es ausreichend, wenn das Bezugssignal Eb gegenüber dem Phasenwinkel des Bezugsträgersignals um einen vorbestimmten Betrag verschoben wird, so daß man das Phasenänderungssignal Ec erhält ο

Ansprüche; 509820/0774

Claims (3)

ANSPRÜCHE

1./ Phasendemodulator mit einer ersten Eingangsklemme zum Zuführen eines phasenmodulierten Signals, einer zweiten Eingangsklemme zum Zuführen eines ersten Bezugsträgersignals und einem Phasenkomparator, dadurch gekennzeichnet, daß an die zweite kingangsklemme (13) ein Phasenschieber (14-) angeschlossen ist, der dazu dient, die Phase des Bezugsträgersignals um einen vorbestimmten Winkelbetrag zu verschieben, um ein zweites Bezugsträgersignal zu erzeugen, daß an die erste Eingangsklemme (12) ein Mischkreis (15) angeschlossen ist, dem eines der Bezugsträgersignale zugeführt wird, um mit dem phasenmodulierten Signal kombiniert zu werden, und daß der Mischkreis und die Quelle für das andere Bezugsträgersignal an den Komparator (17) angeschlossen sind, so daß der Komparator die Phase des Ausgangssignals des Mischkreises mit der Phase des anderen Bezugsträgersignals vergleicht.

2. Phasendemodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenschieber (14·) zwischen der zweiten Eingangsklemme (13) und dem Mischkreis

(15) angeschlossen ist.

3. Phasendemodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Phasenschieber zwischen der zweiten Eingangsklemme (13) und dem Phasenkomparator (17) angeschlossen ist«,

4-. Phasendemodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine Begrenzungseinrichtung

(16) an den Ausgang des Mischkreises (15) angeschlossen ist und dazu dient, das dem Phasenkomparator (17) zuzuführende Ausgangssignal des Mischkreises zu begrenzen.,

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5« Phasendemodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Phasenschieber (14-) das erste Bezugsträgersignal um einen Winkel von T /2 verschiebt.

6_e Phasendemodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bezugsfrequenzoszillator (19) an die zweite Eingangskiemme (13) angeschlossen ist, so daß das Ausgangssignal dieses Oszillators das erste Bezugsträgersignal bildet»

7» Phasendemodulator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (19) ein spannungsgesteuerter Oszillator ist, und daß der Demodulator zusätzlich ein Tiefpaßfilter (20) aufweist, das den Phasenkomparator (17) mit dem Oszillator verbindet, so daß die Frequenz des Oszillators durch ein dem Phasenkomparator entnommenes gesiebtes Signal geregelt wird.

Der !Patentanwalt .·

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