DE2530725C3 - Frequenzdemodulator für ein System zur Datenübertragung mit Hilfe von Frequenzumtastung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Frequenzdemodulator für ein System zur Datenübertragung mit Hilfe von Frequenzumtastung, wobei dieser Demodulator eine Kaskadenschaltung einer monostabilen Kippschaltung, die bei den Übergängen eines dem zu demodulierenden Signal entsprechenden Rechtecksignal betätigt wird, eines Tiefpaßfilters sowie einer Entscheidungsschaltung enthält, die das Ausgangssignal des Tiefpaßfilters mit einer Schwellenspannung vergleicht und das Datensignal regeneriert.

In einem derartigen Demodulator nimmt die Frequcnz des Signals am Eingang der monostabilen Kippschaltung die Werte /₀ oder /| an, anhängig vom Wert des binären Datensignals. Das Tiefpaßfilter liefert ein Signal, dessen Wert dem mittleren Wert des Ausgangsimpulssignals der monostabilen Kippschaltung entspricht und auf diese Weise minimale und maximale Pegel annimmt, abhängig von der Frequenz Z₀ oder f\ am Eingang des Demodulators. Dieses Signal, das bei den Übergängen zwischen den minimalen und maximalen Pegeln mehr oder weniger abgerundete Flanken aufweist, wird in der Entscheidungsschaltung durch Vergleich mit einer Schwellenspannung regeneriert. Diese Entscheidungsschaltung stellt das Rechteck-Datensignal wieder her, in dem die Dauer der Binärelemente »1« und »0« einander gleich sein müssen, unter der Voraussetzung, wie dies nachstehend gemacht wird, daß die Dauer der gesendeten Binärelemente »0« und »1« einander gleich sind. Wenn diese Dauer am Ausgang der Entscheidungsschaltung nicht gleich ist, weist das wiedergegebene Datensignal eine als einseitige Verzerrung bekannte Verzerrung auf. Diese einseitige Verzerrung kann u. a. durch die Verzerrungen des Übertragungsmediums verursacht sein.

Damit das Datensignal auf richtige Weise benutzt werden kann, muß die einseitige Verzerrung vermieden werden, und dazu wird in den bekannten Frequenzdemodulatoren die der Entscheidungsschaltung zugeführte Schwellenspannung eingestellt, bis die Dauer der Binärelemente »0« und »1« einander gleich sind. Aber die auf diese Weise erhaltene Einstellung ist nicht sehr stabil, denn sie hängt einerseits von der Speisespannung ab, aus der die Schwellenspannung abgeleitet ist, und andererseits von den logischen Ausgangspegeln der monostabiler. Kippschaltung, die nicht genau definiert und stabil sind.

Aus der DT-AS 14 37 173 ist ferner ein Frequenzdemodulator bekannt, der eine Anzahl hintereinandergeschalteter monostabiler Kippstufen sowie 2 Gatter und eine bistabile Kippstufe verwendet. Die monostabilen Kippstufen werden jeweils mit der Rückflanke der vorhergehenden Kippstufe gestartet, und ihre Impulsdauern sind so eingestellt, daß die Rückflanke des Eingangssignals bei der höheren Frequenz während der Impulsdauer der einen monostabilen Kippstufe und bei der anderen Frequenz während der Impulsdauer der nächstfolgenden Kippstufe empfangen wird. Die Ausgangssignale dieser Kippstufen bereiten jeweils ein Gatter vor, so daß abhängig von der empfangenen Frequenz ein von der Rückflanke des Eingangssignals abgeleitetes Signal von einem der beiden Gatter durchgelassen wird und eine daran angeschlossene bistabile Kippstufe in die eine der beiden Stellungen schaltet. Mit dieser bekannten Anordnung ist zwar eine weitgehend sichere Trennung der beiden Frequenzen möglich, jedoch ist die Anordnung durch die große Anzahl von monostabilen Kippstufen und weiteren Bauelementen sehr aufwendig.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Frequenzdemodulator der eingangs genannten Art anzugeben, der auch bei einfachem Aufbau eine gute Trennung der Frequenzen gewährleistet und einseitige Verzerrungen vermeidet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein von dem Ausgang der monostabilen Kippschaltung gesteuerter Schalter die eine oder die andere von 2 aus derselben Spannung abgeleiteten Spannungen unterschiedlicher Polarität dem Tiefpaßfilter zuführt, von denen zum Ausgleich der einseitigen Verzerrung mindestens die eine Spannung einstellbar ist, wobei die Schwellenspannung der Entscheidungsschaltung das Nullpotential ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden nähet beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines bekannten Frequenzdemodulator,

F i g. 2 Diagramme, die die Wirkungsweise de: Entscheidungsschaltung erläutern,

Fig.3 den erfindungsgemäßen Frequenzdemodula tor, dessen Wirkungsweise durch die Diagramme nacl F i g. 4 erläutert wird,

F i g. 5 eine andere Ausführungsfcrm des erfindungs gemäßen Demodulators.

Der bekannte Demodulator nach F i g. 1 und de Demodulator nach der Erfindung nach F i g. 3 bezwek ken, die Daten in einem Datenübertragungssystem mi Hilfe von Frequenzumtastung wiederherzustellen, wc

i.

bei die Binärelemente »0« und »1« der Daten mittels der Frequenzen k und (\ übertragen werden.

Bevor das empfangene Signal dem Eingang dieser Demodulatoren zugeführt wird, ist es zunächst im Übertragungssystem in die geeignete Form gebracht, damit ein rechteckiger Verlauf erhalten wird, und dieses Rechtecksignal, dessen Frequenz dem Wert /Ό bzw. /i entspricht, wird dem Eingang der monostabilen Kippschaltung 2 zugeführt. Diese letztere liefert einen Impuls mit der Dauer τ bei jedem Übergang des Rechtecksignair au ihrem Eingang (oder bei den gleichsinnigen Übergängen), und das auf diese Weise gebildete Impulssignal nimmt die Pegel Sb oder ß, an. Damit eine genaue geeichte Dauer τ erhalten wird, ist es beispielsweise möglich, diese monostabile Kippschaltung in einer bekannten digitalen Form zu realisieren, indem ein Zähler verwendet wird, der die Taktimpulse mit sehr stabiler Frequenz zwischen zwei vorbestimmten Positionen zählt, wobei das Zählen bei jedem Übergang des Rechtecksignals anfängt.

Im bekannten Demodulator nach F i g. 1 wird das Ausgangsimpulssignal der monostabilen Kippschaltung

2 dem Tiefpaßfilter 3 zugeführt, das den Mittelwert desselben liefert. Das Ausgangssignal des Tiefpaßfilters, das im Diagramm 2a nach F i g. 2 dargestellt ist, nimmt den niedrigen Pegel A₀ an, wenn die Frequenz am Eingang 1 des Demodulators den Wert A₀ hat, der dem Übertragen eines Binärelementes »0« entspricht, und den hohen Pegel Ai, wenn diese Frequenz den Wert /Ί hat, der dem Übertragen eines Binärelementes »1« entspricht. Aus mehreren Gründen, u..a. die Beschränkung der Bandbreite des Übertragungskanals, weist das Ausgangssignal des Filters 3 bei den Übergängen zwischen den Werten A₀ und A₁ mehr oder weniger abgerundete Flanken auf. Damit ein Rechteck-Daten- y_. signal erhalten wird, wird das Ausgangssignal des Filters

3 einem Eingang einer Entscheidungsschaltung zugeführt, die durch eine Spannungsvergleichsschaltung 4 gebildet wird, die an einem anderen Eingang eine Schwellenspannung Vs zugeführt bekommt, die aus einer Gleichstromspeisequelle mittels einer Brücke mit den Widerständen 5,6 erhalten wird, deren Enden durch die genannte Quelle an die Spannungen + V und - V gelegt werden.

Am Ausgang der Vergleichsschaltung 4 wird das wiederhergestellte Datensignal, das im Diagramm 26 dargestellt ist und die gewünschte Rechteckform hat, erhalten, wobei die Übergänge in den Zeitpunkten erscheinen, in denen das veränderliche Signal des Diagramms 2a der Schwellenspannung Vs entspricht.

Beim Fehlen von. Verzerrungen im Übertragungskanal wird die Schwellenspannung Vs in die Mitte zwischen den Pegeln A₀ und Ai gelegt, und auf diese Weise ist die Dauer der Elemente »0« im wiederhergestellten Datensignal nach dem Diagramm 26 gleich der Dauer der Elemente »1«.

Wenn im Übertragungskanal Verzerrungen auftreten, wird das Signal nach Diagramm 2a auf eine derartige Weise verzerrt, daß, wenn die Schwellenspannung Vs in der Mitte zwischen den Pegeln A₀ und Ai bleibt, die Dauer der Elemente »1« und »0« im Signal nach Diagramm 26 verschieden ist. Diese einseitige Verzerrung, die durch die Verzerrungen im Übertragungskanal verursacht wird, kann dem Wert Null gleichgemacht werden, und zwar dadurch, daß die Schwellenspannung Vs bezüglich der Pegel A₀ und Ai gewählt wird, und diese Regelung wird im Demodulator nach F i g. 1 dadurch ausgeführt, daß die Schwellenspannung Vs auf eine geeignete Weise mittels eines veränderlichen Widerstandes 5 oder 6 eingestellt wird.

Die auf diese Weise erhaltene Regelung ist dennoch nicht sehr stabil, und die einseitige Verzerrung kann abermals erscheinen, was seine Ursache innerhalb des Demodulators findei. Einerseits kennen ja die Speisespannungen + V und - V, von denen die Schwellenspannung Vs abhängig ist, im Laufe der Zeit variieren; andererseits sind die Pegel A₀ und Ai des in der Vergleichsschaltung 4 mit Vs verglichenen Signals von den Pegeln ßb und Bi des von der monostabilen Kippschaltung 2 gelieferten Impulssignals abhängig. Diese Pegel Bb und ßi sind Ausgangspegel von logischen Schaltungen, die bekanntlich nicht genau definiert sind und im Laufe der Zeit variieren können.

Der in F i g. 3 dargestellte Demodulator nach der Erfindung enthält Mittel zum Regeln der einseitigen Verzerrung, wobei die genannten Nachteile vermieden sind. Der genannte Demodulator enthält Elemente, die Elementen des Demodulators nach F i g. 1 entsprechen und mit denselben Bezugszeichen angegeben sind.

Der in F i g. 3 dargestellte erfindungsgemäße Demodulator enthält einen Schalter 7 mit zwei Stellungen, der durch das von der monostabilen Kippschaltung 2 gelieferte Signal betätigt wird und der die eine oder die andere von zwei Spannungen λι V₀ und — .faVo, die aus derselben Speisespannungsquelle Vo abgeleitet werden, mit verschiedenen vom Wert Sb oder Bi des Ausgangssignals der monostabilen Kippschaltung 2 abhängigen Polaritäten dem Tiefpaßfilter 3 zuführt. In der Ausführungsform nach F i g. 3 werden die beiden Spannungen k\ V₀ und - ki V₀ aus dem nichtinvertierenden Verstärker 8 und aus dem invertierenden Verstärker 9 erhalten, der dieselbe Spannung V₀ verstärkt mit der positiven Verstärkung k\ bzw. der negativen Verstärkung -k₂. Zur Einstellung der einseitigen Verzerrung gibt es Mittel, um beispielsweise die Spannung - k₂ V₀ einzustellen (durch Einstellung der Verstärkung -k₂ des invertierenden Verstärkers 9), wobei die der Vergleichsschaltung 4 zugeführte Schwellenspannung Vs auf Massepotential gelegt wird (Vs = 0). In F i g. 3 hat der Schalter 7 die Form von Kontakten, und dieser Schalter kann selbstverständlich mit Hilfe statischer Mittel ausgebildet werden.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Demodulators ist im Diagramm 4a nach Fig.4 das von der monostabilen Kippschaltung 2 gelieferte Impulssignal dargestellt, das den Schalter 7 betätigt. Aus der obenstehenden Erläuterung läßt sich auf einfache Weise herleiten, daß das dem Tiefpaßfilter 3 vom Schalter 7 gelieferte Signal τ die im Diagramm 46 dargestellte Form hat. Während der von der monostabilen Kippschaltung 2 gelieferten Impulse, die eine Dauer τ haben, ist der Pegel des Signals des Filters 3 gleich k\ V₀, und während der restlichen Zeit ist dieser Pegel gleich -Jt₂V₀. Weiter wird vorausgesetzt, daß die monostabile Kippschaltung bei allen Übergängen der Signale mit der Frequenz /ό oder f\ an ihrem Eingang betätigt wird, so daß die Frequenz des Impulssignals am Ausgang 2 /Ό oder 2 /Ί ist.

Das Filter 3 liefert ein Signal, das den Mittelwert des Signals des Diagramms 46 hat. Dieses Signal hat den bereits im Diagramm 2a dargestellten Verlauf und weist einen niedrigen Pegel auf, wenn die Frequenz am Eingang des Demodulators f₀ ist, und einen hohen Pegel, wenn diese Frequenz /i ist. In der Spannungsvergleichsschaltung 4 ist das Signal im Diagramm 2a mit der Schwellenspannung Vs verglichen worden, die im

Demodulator nach der Erfindung auf Null festgelegt bleibt.

Man kann von den Diagrammen nach F i g. 4 mit Hilfe einer einfachen Berechnung herleiten, daß die niedrigen und hohen Pegel des vom Filter 3 gelieferten Signals gegenüber der Spannung Vs = 0 die Werte G bzw. Ci haben, so daß:

C₀ = -k₂V_Q + V₀ ■ τ ■ I/,, (fc, + Ic₂) C₁ = -Zc₂Ko + Vo ■ ' ■ 2/, (fc, + t,

(D

Beim Fehlen von durch die Übertragungskanäle verursachten Verzerrungen gibt es keine einseitige Verzerrung in dem von der Vergleichsanordnung 4 gelieferten Signal, wenn sich die Schwellenspannung V₅ = 0 in der Mitte zwischen den Pegeln Co und C, befindet. Mit anderen Worten, diese Pegel C₀ und Ci müssen dem nachfolgenden Ausdruck entsprechen:

Sl = 0.

(2)

(4)

werden die nachfolgenden Werte von τ aus dem Ausdruck(l) abgeleitet:

'-ϊτκ+ΰ-

Wenn Verzerrungen im Übertragungskanal auftreten, wird das Signal am Ausgang des Filters 3 verzerrt, und wenn man die vorhergehende Einstellung beibehält, wozu die Schwellenspannung Vs = 0 in der Mitte zwischen den niedrigen und hohen Pegeln Co und Ci liegt, weist das Datensignal am Ausgang der Vergleichsschaltung 4 eine einseitige Verzerrung auf. Damit diese Verzerrung behoben wird, muß die Schwellenspannung Vs = 0 sich auf einem Wert befinden, der vom Wert C 4- C

---^-—-abweicht, welcher Wert wie folgt geschrieben

werden kann

Durch Verwendung der Formeln (1) ist es leicht ersichtlich, daß der Ausdruck (2) der untenstehenden Gleichung entspricht:

Wenn die Frequenzen /ö und f\ am Eingang des Demodulators bestimmt sind, kann man dem Ausdruck (3) durch Einstellung der Parameter k\, k₂ oder τ gerecht werden. Es ist ersichtlich, daß die erhaltene Einstellung von der Spannung V₀ unabhängig ist.

Die leichteste Art und Weise, dies durchzuführen, ist, die Dauer τ der Impulse der monostabilen Kippschaltung und die Verstärkung eines Verstärkers konstant zu halten und die Verstärkung des anderen Verstärkers einzustellen. Dies ist im Demodulator nach Fig. 3 dargestellt, wobei der Verstärker 8 beispielsweise ein Verstärkerfolger mit Verstärkung k_t - 1 ist und der Verstärker 9 ein invertierender Verstärker mit einstellbarer Verstärkung -Jt₂. In diesem Fall wird der Wert der Verstärkung - Jt₂ aus dem Ausdruck (3) erhalten:

Es ist ersichtlich, daß in der Formel (4) die Verstärkung — fa immer negativ ist. Die Dauer τ der Impulse der monostabilen Kippschaltung ist ja so, daß

wobei f\ die höchste Frequenz ist, wodurch

und folglich - k₂ <Oist.

Eine andere mögliche Art und Weise, dem Ausdruck (3) gerecht zu werden, ist, die Verstärkungen k\ und - k_} der Verstärker 8 und 9 konstant zu halten und die Dauer r der Impulse der monostabilen Kippschaltung 2 C₀ + _Λ C

-wobei λ ein Parameter ist, der im

allgemeinen wenig von 1 abweicht. Damit die einseitige Verzerrung behoben wird, muß also in diesem Fall gelten:

C₀+ λ C₁

Dadurch, daß die Werte von Co und Ci der Formel (1) verwendet werden, ist leicht ersichtlich, daß die Gleichung (6) der nachfolgenden Gleichung genau entspricht:

einzustellen. Wenn beispielsweise k\

k₂ =

W₁) - --~^λΊ = 0. (7) 1

Die einseitige Verzerrung wird behoben wenn die Gleichung (7) erfüllt ist, und auf dieselbe Art und Weise wie obenstehend kann dies erhalten werden, entweder dadurch, daß die Verstärkung eines der Verstärker 8,9 oder die Dauer der Impulse der monostabilen Kippschalung 2 eingestellt wird.

Die auf diese Weise erhaltene Einstellung ist besonders stabil. Sie ist unabhängig von der Schwellenspannung Vs, die auf Null liegen bleibt, unabhängig von den logischen Ausgangspegeln der monostabilen Kippschaltung, die im Ausgangssignal des Filters 3 keine Rolle mehr spielen. Wenn die einseitige Verzerrung behoben worden ist, ist die Einstellung von der Speisespannung V₀ unabhängig. Die Stabilität der Einstellung hängt nur von der Dauer τ der Impulse der monostabilen Kippschaltung ab sowie von der Verstärkung der Verstärker. Es lassen sich numerische monostabile Kippschaltungen verwirklichen, deren Impulsdauer die Stabilität einer Taktfrequenz hat. Es lassen sich auch Schaltungsanordnungen verwirklichen die Operationsverstärker verwenden, mit denen seht stabile Verstärkungen erhalten werden, die ausschließ lieh von einem Widersiandsvcrhältnis abhängig sind.

Die zwei Verstärker 8 und 9 können selbstvcrständ lieh kombiniert und mittels bekannter Schaltungei ausgebildet werden, die nur einen Verstärker mi schaltbarcr Verstärkung enthalten. In Fig.5 ist cini derartige Schaltungsanordnung als Beispiel dargestelli In dieser Figur erhält der Verstärker 10 an seinei negativen und positiven Eingangsklemmcn 11 bzw. 1 die Spannung V₀ über die Widerstünde 13, 14, di denselben Wert R haben. Der Ausgang der monostabi lcn Kippschaltung 2 ist mit der Basis des Transistors 1 verbunden, dessen Kollektor-Emiuer-Streckc zwische

der positiven Eingangsklemme 12 des Verstärkers und Masse liegt. Ein Widerstand 16 mit dem Wert R\ lieg», zwischen dem Eingang des Verstärkers 10 und der negativen Eingangsklemme 11. Der Ausgang des Verstärkers 10 ist mit dem Filter 3 verbunden.

Der Transistor 15 spielt die Rolle des Schalters, der durch das von der monostabilen Kippschaltung gelieferte Impulssignal betätigt wird. Wenn dieses Impulssignal den Pegel B₀ nahe bei Null erreicht hat, hat die Verstärkungsschaltung die Verstärkung/ei = l.und wenn das Impulssignal den positiven Pegel B\ hat, hat

der Verstärker die Verstärkung - -J- die durch den

Widerstand /?i eingestellt werden kann. Das Signal am Eingang des Filters 3 weist den Verlauf nach dem Diagramm Ab auf mit einem konstant hohen Pege! entsprechend V₀ und mit einem einstellbaren niedriger Pegel entsprechend

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Frequenzdemodulator für ein System zur Datenübertragung mit Hilfe von Frequenzumtastung, wobei dieser Demodulator eine Kaskadenschaltung einer monostabilen Kippschaltung, die bei den Übergängen eines dem zu demodulierenden Signal entsprechenden Rechtecksignals betätigt wird, eines Tiefpaßfilters sowie einer Entscheidungsschaltung enthält, die das Ausgangssignal des Tiefpaßfilters mit einer Schwelltnspannung vergleicht und das Datensignal regeneriert, dadurch gekennzeichnet, daß ein von dem Ausgang der monostabilen Kippschaltung (2) gesteuerter Schalter (7) die eine oder die andere von 2 aus derselben Spannung (Vo) abgeleiteten Spannungen (k\ Vo, Aj Vo) unterschiedlicher Polarität dem Tiefpaßfilter (3) zuführt, von denen zum Ausgleich der einseitigen Verzerrung mindestens die eine Spannung einstellbar ist, wobei die Schwellenspannung (Vs) der Entscheidungsschaltung (4) das Nullpotential ist.

2. Frequenzdemodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein nichtinvertierender Verstärker (8) und ein invertierender Verstärker (9), die dieselbe Spannung (V₀) verstärken, die 2 Spannungen (k\ Vo, ^Vo) unterschiedlicher Polarität erzeugen, wobei die Verstärkung mindestens eines der Verstärker zum Ausgleich der einseitigen Verzerrung einstellbar ist.

3. Frequenzdemodulator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausgleich der einseitigen Verzerrung die Impulsdauer der monostabilen Kippschaltung (2) einstellbar ist.