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Schaltmodulator
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Schaltmodulator, der ein Eingangssignal
mit einem binären Trägersignal moduliert und der ein moduliertes Ausgangssignal
erzeugt, der einen mit einem nichtinvertierenden und einem invertierenden Eingang
versehenen Differenzverstärker enthält, an dessen nichtinvertierendem Eingang über
einen Abgriff eines Spannungsteilers das Eingangssignal anliegt, an dessen invertierendem
Eingang über einen Vorwiderstand das Eingangssignal und über einen Gegenkopplungswiderstand
das Ausgangssignal anliegt und der einen durch das Trägersignal gesteuerten ersten
Schalter enthält, der in Abhängigkeit von den Binärwerten des Trägersignals das
Eingangssignal oder das invertierte Eingangssignal als Ausgangssignal abgibt.
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Schaltmodulatoren, die ein Eingangssignal mit einem binären Trägersignal
modulieren, sind bereits allgemein bekannt. Aus der DT-OS 2 002 387 ist beispielsweise
ein Schaltmodulator bekannt, der in Abhängigkeit vom Binärwert des Trägersignals
an seinem Ausgang das Eingangssignal oder das invertierte Eingangssignal abgibt.
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Dieser Schaltmodulator enthält einen mit Hilfe eines Gegenkopplungswiderstandes
gegengekoppelten Differenzverstärker, dessen invertierendem Eingang über einen Vorwiderstand
das Eingangssignal zugeführt wird. Uber einen durch das Trägersignal gesteuerten
Schalter und über einen Abgriff eines Spannungsteilers wird das Eingangssignal außerdem
dem nicinvertierenden Eingang des Differenzverstärkers zugeführt. Wenn das Trägersignal
einen ersten Binärwert, beispielsweise den Binärwert 0 annimmt und der Schalter
geöffnet
ist, liegt das Eingangssignal nur am invertierenden Eingang
des Differenzverstärkers an und das Ausgangssignal ist dem invertierten Eingangssignal
zugeordnet. Wenn das Trägersignal den zweiten Binärwert, beispielsweise den Binärwert
1 annimmt, ist der Schalter geschlossen. Das Eingangssignal wird dem nichtinvertierenden
Eingang ebenfalls zugeführt und das Ausgangssignal ist dem nichtinvertiereten Eingangssignal
zugeordnet. Die Widerstandswerte der Widerstände werden zweckmäßigerweise derart
gewählt, daß die den Eingangssignalen und den invertierten Eingangssignalen zugeordneten
Ausgangssignale jeweils gleiche Amplitudenwerte haben. Bei diesem bekannten Schaltmodulator
ist jedoch infolge einer unzureichenden Kompensation der Schaltspitzen die Trägerunterdrückung
wesentlich schlechter als die Signalunterdrückung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schaltmodulator anzugeben,
der eine große Signal- und Trägerunterdrückung aufweist.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Schaltmodulator der eingangs
genannten Art dadurch gelöst, daß im Verbindungsweg zwischen dem Vorwiderstand und
dem invertierenden Eingang des Differenzverstärkers der erste Schalter angeordnet
ist, der geöffnet bzw. geschlossen ist, wenn das Trägersignal einen ersten bzw.
zweiten Binärwert hat und daß ein Widerstand vorgesehen ist, dessen erster Anschluß
mit einem Punkt verbunden ist, an dem ein Bezugspotential anliegt und daß ein durch
das Trägersignal gesteuerter zweiter Schalter vorgesehen ist, der im Verbindungsweg
zwischen dem zwei ten Anschluß des Widerstandes und dem invertierenden Eingang angeordnet
ist und der gegenphasig zum ersten Schalter geschlossen bzw. geöffnet ist, wenn
das Trägersignal den ersten bzw. zweiten Binärwert hat.
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Der Schaltmodulator gemäß der Erfindung hat den Vorteil, daß durch
eine geeignete Wahl der Widerstände ein Abgleich der Trägerunterdrückung nicht erforderlich
ist. Bei der Zuordnung des Ausgangsslgnals zum Eingangssignal bzw. zum invertierten
Eingangssignal treten nur sehr kleine Phasenfehler auf und es können daher preiswerte
Differenzverstärker, beispielsweise integrierte Operationsverstärker verwendet werden.
Da es dabei -nicht auf besonders schnelles
Schalten, sondern auf
gleiches Verhalten der Schalter ankommt, können als Schalter preiswerte Halbleiterschalter
verwendet werden.
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Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, daß als Schalter integrierte
Halbleiterschalter vorgesehen sind, die auf dem gleichen integrierten Schaltkreis
untergebracht sind.
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Falls durch den Schaltmodulator Eingangssignale mit großer Amplitude
verarbeitet werden sollen, ist es vorteilhaft, wenn ein durch das Trägersignal gesteuerter
dritter Schalter vorgesehen ist, der im Verbindungsweg zwischen dem dem Vorwiderstand
zugewandten kri schluß des ersten Schalters und dem Punkt angeordnet ist, an dem
das Bezugspotential anliegt und der gleichzeitig mit dem zweiten Schalter geöffnet
und geschlossen wird und wenn parallel zum Widerstand ein durch das Trägersignal
gesteuerter vierter Schalter angeordnet ist, der gleichzeitig mit dem ersten Schalter
geöffnet und geschlossen wird.
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Der Schaltmodulator erfordert einen besonders geringen Aufwand, wenn
als Schalter Feldeffektschalter vorgesehen sind.
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Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel des Schaltmodulators gemäß
der Erfindung anhand von Zeichnungen beschrieben.
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Es zeigen: Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Datensenders, Fig. 2 ein
Schaltbild eines ersten Schaltmodulators, an dem Eingangssignale mit kleiner Amplitude
anliegen, Fig. 3 ein Schaltbild eines zweiten Schaltmodulators, an dem Eingangssignale
mit großer Amplitude anliegen und Fig. 4 Zeitdiagramme von Signalen an verschiedenen
Punkten des Schaltmodulators.
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Dem in Fig. 1 dargestellten Datensender werden von einer nicht dargestellten
Datenquelle Daten in Form von Datensignalen D1 zugeführt. Falls der Datensender
phasenmodulierte Signale erzeugt, werden die Datensignale D1 einem Phasencodierer
PC zugeführt, der mit Hilfe von von einem Taktgeber TG abgegebenen Taktimpulsen
phasencodierte Signale erzeugt. Diese phasencodierten Signale werden über zwei Tiefpässe
T1 und T2, deren Grenzfrequenz dem Basisband der Datensignale D1 zugeordnet ist,
als Basisbandsigna).e B1 und
B2 jeweils einem ersten Eingang eines
Schaltmodulators SM1 bzw.
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SM2 zugeführt. An jeweils einem zweiten Eingang des Schaltmodulators
SM1 bzw. SM2 liegen im Taktgeber TG erzeugte Trägersignale TR1 bzw. TR2 an. Diese
Trägersignale sind Binärsignale, die mit 0 und 1 bezeichnete Binarwerte annehmen.
Die Trägersignale TR1 und TR2 haben die gleiche Folgefrequenz, sind jedoch um einen
Phasenwinkel von 900 gegeneinander phasenverschoben. Die Schaltmodulatoren SMl und
SM2 geben an ihren Ausgängen jeweils ein moduliertes Signal M1 bzw. M2 an einen
Summierer SU ab. Der Summierer SU addiert die mcdulierten Signale M1 und M2 und
gibt sie über ein Sendefilter SF als Datensignale D2 ab. Diese Datensignale D2 werden
über einen Übertragungskanal zu einem nicht dargestellten Datenempfänger übertragen.
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Das in Fig. 2 dargestellte erste Ausführungsbeispiel eines ersten
Schaltmodulators SMA ist für ein Eingangssignal mit kleiner Amplitude ausgelegt.
Als Eingangssignal wird dem Schaltmodulator SM das Basisbandsignal B an einem ersten
Eingang zugeführt. An einem zweiten Eingang liegt das binäre Trägersignal TR an.
An seinem Ausgang gibt der Schaltmodulator SM als Ausgangssignal das modulierte
Signal M ab. Das Eingangssignal B, das Trägersignal TR und das Ausgangssignal M
können entweder die Signale B1, TR1 und M1 oder B2, TR2 und M2 sein, da der Schaltmodulator
SM sowohl anstelle des Schaltmodulators SM1 als auch anstelle des Schaltmodulators
SM2 in Fig. 1 eingesetzt werden kann.
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Der Schaltmodulator S#enthält einen Differenzverstärker V, fünf Widerstände
R1 bis R5, zwei Schalter SW1 und SW2 sowie einen Inverter N und gegebenenfalls einen
Kondensator C. Der Differenzverstärker V besitzt einen einem invertierenden Eingang
EI zugeordneten invertierenden Kanal und einen einem nichtinvertierenden Eingang
E2 zugeordneter. nichtinvertierenden Kanal. Über einen Gegenkopplungswiderstand
R3 ist der Verstärker V gegengekoppelt. Beispielsweise kann als Verstärker V ein
allgemein bekannter Operationsverstärker verwendet werden, wie er als integrierter
Schaltkreis im Handel erhältlich ist. Die Schalter SW1 und SW2 werden durch das
Trägersignal TR gesteuert. Dem Schalter SW1 wird das Trägersignal TR unmittelbar
und dem Schalter SW2 wird das Trägcrsi-
gnal TR invertiert zugeführt.
Die Invertierung erfolgt beispielsweise mit Hilfe des Inverters N. Falls jedoch
in dem Taktgeber TG das invertierte Trägersignal zur Verfügung steht, kann dieses
dem Schalter SW2 unmittelbar zugeführt werden. Falls die Schalter SW1 und SW2 jeweils
dann geschlossen sind, wenn die steuernden Signale den Binärwert 1 haben, und immer
dann geöffnet sind, wenn die steuernden Signale den Binärwert Q haben, ist durch
die Verwendung des Trägersignals TR und des invertierten Trägersignals sichergestellt,
daß die Schalter jeweils gegenphasig geöffnet und geschlossen sind. Wenn das Trägersignal
TR den Binärwert 1 hat, ist der Schalter SW1 geschlossen. Gleichzeitig hat das invertierte
Trägersignal den Binärwert 0 und der Schalter S2 ist geöffnet.
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In ähnlicher Weise ist der Schalter SWl geöffnet, wenn das Trägersignal
TR den Binärwert 0 hat und gleichzeitig ist der Schalter SW2 geschlossen, da das
invertierte Trägersignal den Binärwert 1 hat. Als Schalter SW1 und SW2 werden in
vorteilhafter Weise Feldeffekt-Schalter eingesetzt, bei denen die Anschlüsse des
Schalters den Drain- und Source-Anschlüssen entsprechen und der Steuereingang dem
Gate-Anschluß entspricht.
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Wenn das Trägersignal TR den Binärwert 1 hat, der Schalter SW1 damit
geschlossen ist. und der Schalter SW2 geöffnet ist, liegt das Eingangssignal B über
den Widerstand R1 am invertierenden Eingang El des Verstärkers V an. Über einen
Abgriff eines aus den Widerständen R4 und R5 gebildeten Spannungsteilers liegt das
Eingangssignal B außerdem am nichtinvertierenden Eingang E2 des Verstärkers V an.
Die Widerstände R1 und R3 bis R5 werden so dimensioniert, daß der Verstärker V in
diesem Fall eine Verstärkung von -1 aufweist. Die Verstärkung v des Verstärkers
V errechnet sich nach der Beziehung V = R3 + R3 + R1 R4 = a R1 R1 ~ ' R4 + R5 Falls
das Trägersignal TR den Binärwert 0, der Schalter SW1 damit geöffnet ist und der
Schalter SW2 damit geschlossen ist, liegt das Eingangssignal B nur über den Spannungsteiler
an dem nichtinvertierenden Eingang E2 an. Über den Schalter SW2 wird gleichzeitig
der invertierende Eingang Ei über den Widerstand R2 mit einem
Punkt
verbunden, an dem ein Bezugspotential von beispielsweise O V anliegt. Die Widerstände
R2 bis R5 werden wiederum so dimensioniert, daß der Verstärker V in diesem Fall
eine Verstärkung von 1 aufweist. Die Verstärkung v des Verstärkers V errechnet sich
in diesem Fall nach der Beziehung v = R3 + R2 R4 =1 R2 R4 + R5 Eine optimale Unterdrückung
des Trägersignals wird erreicht, wenn durch die Schalter SW1 und SW2 ein Strom mit
gleichen Momentan'.#erten fließt. Dies wird erreicht, wenn die Werte der Widerstände
R1 und R2 gleich groß sind. Mit dieser Bedingung folgt aus der ersten Beziehung
R3 ~ R3 R2 - R1 = 2 und 2R4 = R5 sowie aus der zweiten Beziehung R3 4- R1 R4 R1
~ R4 + R5 = 1 Um einen besonders kleinen Offsetfehler des Verstärkers V zu erreichen,
muß weiterhin die Bedingung R3 . R1 ~ R4 . R5 R3 + R1 - R4 + R5 erfüllt sein. Daraus
folgt, daß der Wert des Widerstands R1 gleich dem des Wertes R4 sein muß.
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Da die Verstärkung des Verstärkers V bei geschlossenem Schalter SW1
-1 beträgt, ist in diesem Fall das Ausgangssignal M dem invertiertenEingangssignal
B zugeordnet. Bei geöffnetem Schalter SW1 hat der Verstärker V die Verstärkung +1
und das Ausgangssignal M ist dem nichtinvertierten Eingangssignal B zugeordnet.
In Abhängigkeit vom Binärwert des Trägersignals TR wird somit am Ausgang des Schaltrclodulators
SM das invertierte Eingangssignal B oder das nichtinvertierte Eingangs signal abgegeben.
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Da am nichtinvertierenden Eingang E2 des Verstärkers V das Eingangssignal
B über den aus den Widerständen R4 und R5 gebildeten Spannungsteiler anliegt, wird
der Einfluß des Eingangssignals B bei der Verwendung von Feldeffekt-Schaltern als
Schalter SW1 und SW2 auf die Gate-Source-Spannung des Schalters S1 entsprechend
dem Teilungsverhältnis R4 Pin R4 geringer.Damit verbessert sich + + R5 der Klirrfaktor
gegenüber dem bekannten Schaltmodulator. Ähnliches gilt für eine dem Eingangssignal
B überlagerte Gleichspannung, die bekanntlich einen Trägerrest im Ausgangssignal
M hervorruft.
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Für den Fall, daß der Verstärker V als invertierender Verstärker wirkt,
verkleinert sich der Einfluß der Gleichspannung auf den Trägerrest im Ausgangssignal
M wieder um das Teilungsverhältnis R4 R4 + R5 Der in Fig. 3 dargestellte Schaltmodulator
S## kann ebenfalls anstelle der Schaltmodulatoren SM1 und S2 in Fig. 1 eingesetzt
werden. Er unterscheidet sich von dem in Fig. 2 dargestellten Schaltmodulator SM
im wesentlichen dadurch, daß zur Verarbeitung von Eingangssignalen B mit größerer
Amplitude zwei weitere Schalter SW3 und SW4 vcrgesehen sind, die ebenfalls beispielsweise
aus Feldeffekt-Schaltern gebildet werden. Die Schalter SW1 und SW4 werden durch
das Trägersignal TR gesteuert und gleichphasig zueinander geöffnet und geschlossen.
Die Schalter SW2 und SW3 werden durch das invertierte Trägersignal gesteuert und
ebenfalls gleichphasig zueinander, jedoch gegenphasig zu den Schaltern SW1 und SW4
geöffnet und geschlossen. Die zusätzlichen Schalter SW3 und SW4 bilden zusammen
mit den Schaltern SW1 bzw. SW2 jeweils einen Spannungsteiler. Wenn der Schalter
SW1 geöffnet ist und über den Widerstand R1 ein großes Eingangssignal B anliegt,
wird bei der Verwendung von Feldeffekt-Schaltern als Schalter SW1 bis SW4 damit
eine einwandfreie Funktion dieser Schalter sichergestellt, wenn der dem Widerstand
R1 zugewandte Anschluß des Schalters SW1 über den Schalter SW3 mit einem Punkt verbunden
ist, an dem das Bezugspotential von 0 V anliegt. Aus Gründen der Symmetrie wird
zur Kompensation der Schaltspitzen der Schalter SW4 gegenphasig zum Schalter SW2
betätigt.
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Bei den in Fig. 4 dargestellten Zeitdiagrammen sind in Abszissenrichtung
die Zeit t und in Ordinatenrichtung die Momentanwerte des Eingangssignals B, des
Trägersignals TR und des Ausgangssignals M dargestellt. Wie zu erkennen ist, stimmt
das Ausgangssignal M immer dann mit dem Eingangssignal B überein, wenn das Trägersignal
TR den Binärwert 1 hat und es stimmt immer dann mit dem invertierten Eingangssignal
B überein, wenn das Trägersignal TR den Binärwert 0 hat.
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3 Patentansprüche 4 Figuren
L e e r s e i t e