DE2630665C2 - Verfahren und Anordnung zur Übertragung von Nachrichten durch Impulsfrequenzmodulation - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf eine Anordnung zur Übertragung von Nachrichten durch Impulsfrequenzmodulation.

Es ist bekannt, daß unter den Impulsmodulationen die Impulsfrequenzmodulation zu den besten Störabständen führt. Es hängt dies damit zusammen, daß insbesondere für tiefe Modulationsfrequenzen der Winkelhub sehr groß werden kann. Beträgt beispielsweise die höchste zu übertragende Tonfrequenz 10 kHz und wird mit einem Frequenzhub von ±20 kHz gearbeitet, so beträgt der Modulationsindex 2 und der Winkelhub etwa 120°. Bei einer zu übertragenden Tonfrequenz von 100 Hz beträgt der Modulationsindex und damit der Winkelhub 200x120° und ist deswegen sehr viel größer, als er bei einer Phasenmodulation sein könnte.

Bei bestimmten Arten der Demodulation, z. B. beim sogenannten Zähldiskriminator, kommt es nur darauf an, daß bestimmte Nulldurchgänge der Impulsflanken korrekt übertragen werden. Durch Störspannungen verschieben sich zwar diese Nulldurchgänge in gewissem Maße, so daß sich das sogenannte Jitter ergibt. Diese Verschiebungen sind jedoch um so kleiner, je steiler die Flanken der übertragenen Impulse sind. Sehr steile Flanken erhält man durch eine große Übertragungsbandbreite oder durch hohe Nutzenergie. Hat man also genügend Bandbreite zur Verfügung, so kann man zunächst diese ausnutzen, um steile Flanken zu erzeugen.

Bei Übertragungsverfahren, die beispielsweise mit

Infrarotstrahlung arbeiten, besteht bekanntlich die Schwierigkeit, daß man wegen des kleinen Wirkungsgrades der Sendedioden und wegen der geringen Empfangsfläche der Empfangsdiode verhältnismäßig viel Sendeenergie benötigt, um eine gewisse Entfernung zu überbrücken. Das führt bei beweglichen Sendern zu einem relativ hohen Batterievolumen und damit zu einem großen GewichL

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Übertragungsverfahren anzugeben, das bei geringstmöglichem Leistungsverbrauch möglichst große Entfernungen mit gutem Störabstand zu übertragen erlaubt. Es wird dabei von der bekannten Impulsfrequenzmodulation Gebrauch gemacht

Bei der Impulsfrequenzmodulation treten folgende Schwierigkeiten auf: Die Impulsfrequenz muß so hoch gelegt werden, daß bei Berücksichtigung des Frequenzhubes die tiefste vorkommende Momentanfrequenz immer noch mindestens das Doppelte der zu übertragenden Niederfrequenz beträgt. Will man also beispielsweise ein Nachrichtensignal bis 10 kHz übertragen und wählt man den Frequenzhub zu ±50 kHz, so isi die tiefstzulässige mittlere Impulsfolgefrequenz 70 kHz. Wird die Trägerschwingung in den infraroten Bereich gelegt, so ist wegen der Trägheit der in diesem Bereich allgemein eingesetzten Lumineszenzsendedioden nur eine begrenzte Hochtastung möglich. Außerdem werden im unmodulierten Zustand des Sender:, 70 000 Impulse pro Sekunde ausgesendet, die in diesen Zeiten eigentlich gar nicht benötigt werden.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß die mittlere Impulsfolgefrequenz der ausgesandten Impulse in Abhängigkeit vom Frequenzhub derart verändert wird, daß sie mit zunehmendem Frequenzhub zu höheren Frequenzwerten verschoben wird.

Eine besondere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß die modulationsabhängige Verschiebung der mittleren Impulsfrequenz derart erfolgt, daß der modulationsabhängige Momentan wert der Impulsfolgefrequenz stets höher als die Impulsfolgefrequenz im unmodulierten Zustand ist. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Impulsfrequenz wird demgemäß im Zustand ohne Modulation so niedrig wie möglich gewählt, beispielsweise 20 kHz, und bei Modulation wird die Mittenfrequenz stets so weit nach oben verschoben, daß die Impulsfrequenz, in diesem Beispiel 20 kHz, auch bei großen Frequenzhüben nicht unterschritten wird.

Im folgenden wird die Erfindung beim Einsatz im optischen Bereich der elektromagnetischen Strahlung, vorzugsweise im infraroten Bereich, anhand der Zeichnungen beispielsweise erläutert.

In F i g. I ist die Aufbereitung der zu übertragenden Niederfrequenzspannung zur Steuerung des Frequenzhubes des Senders dargestellt. In der grafischen Darstellung ist waagerecht die Zeit fund senkrecht die Momentanfrequenz / der ausgesendeten Impulsfolge aufgetragen. Durch eine geeignete Regelschaltung wird erfindungsgemäß dafür gesorgt, daß die mittlere Impulsfolgefrequenz der jeweiligen Aussteuerung, das heißt dem Frequenzhub folgt. Auch bei großen Frequenzhüben wird die Frequenz von beispielsweise 20 kHz niemals nennenswert unterschritten.

In F i g. 2 ist ein Blockschaltbild für einen Sender und einen Empfänger zur Durchführung des Übertragungsverfahrens nach der Erfindung dargestellt. Die zu

übertragende Niederfrequenz W wird zunächst im Verstärker 2 verstärkt. Zur Verschiebung des Mittelwertes der Impulsfolgefrequenz in Abhängigkeit von der Aussteuerung dient die Kombination des Kondensators 3 mit der Diode 4 und dem Widerstand 5. Der Spannungsverlauf der Spannung Ul ist in F i g. 3a unter dem Bezugszeichen 22 beispielsweise dargestellt. Die Diode 4 verhindert gewissermaßen die Unterschreitung einer bestimmten Spannung und damit auch einer bestimmten Frequenz des nachgeschalteten Senders 6. Die Zeitkonstante des Kondensators 3 und des Widerstandes 5 ist so zu wählen, daß keine hörbaren Sprachverfälschungen entstehen; sie beträgt beispielsweise 100 ms oder mehr. Die Einregelzeit, die durch den Innenwiderstand des Verstärkers 2 und den Kondensator 3 gegeben ist, ist natürlich wesentlich kürzer.

Der Sender 6 erzeugte kurze frequenzmodulierte Stromimpulse gleicher Länge, die die Lumineszenzdioden 7 durchfließen. Im unmodulierten Zustand sind es nach obigem Beispiel 20 000 Impulse pro Sekunde. Im modulierten Zustand können es aber auch beispielsweise 100 000 Impulse sein. Die impulse selbst haben aiie die gleiche Form und Dauer, und es verändert sich lediglich die Anzahl der Impulse pro Sekunde. Hiermit steht die Stromaufnahme des Senders 6 in direktem Zusammenhang. Ähnlich wie bei einem B-Verstärker steigt bei niederfrequenter Aussteuerung der Strom wesentlich an. Daher ist es auch ein Vorteil der Erfindung, daß in den Sprechpausen oder bei geringer Modulation eine nur sehr geringe Sendeenergie aufgewendet werden muß.

Während die zur Zeit am meisten verwendeten Infrarot-Lumineszenzdioden für einen Dauerstrom von etwa 10OmA ausgelegt sind, kann man ohne weiteres Impulsströme von über 2 A zulassen, wenn die mittlere Leistung nicht überschritten wird. Diese hohen Stromstärken erzeugen im Empfänger entsprechend große Ströme durch die Empfangsdiode 8 und damit große Spannungsabfälle am Widerstand 9. Über den Koppelkondensator 10 wird dem Verstärker 11 die impulsspannung zugeführt. Der Verstärker It soll linear arbeiten und gute Rauscheigenschaften besitzen; er wird zweckmäßigerweise mit einer Verstärkungsregelung versehen.

Der Kondensator 12 bildet mit dem Widerstand 13, der Diode 14 und dem Widerstand 15 eine Schaltung zur Pegelhaltung, die bewirkt, daß der nachfolgende Begrenzer/erstärker 16 nach Möglichkeit im optimalen Arbeitspunkt arbeitet. Er soll einem Unteranspruch entsprechend so begrenzen, daß an seinem Ausgang die optimale Flankensteilheit der zu diskriminierenden Flanke zur Verfügung steht. Der zeitliche Verlauf der am Ausgang des Verstärkers 16 auftretenden Impulsspannung L/2 ist Fig.3d dargestellt. Am Ausgang des Verstärkers 16 findet durch den Kondensator 17 und den Widerstand 18 eine Defferenzierung statt, das heißt, bei jedem Nulldurchgang wird ein positiver oder negativer schmaler Impuls erzeugt. Einer der beiden Impulse wird durch den Impulsformer 19 in einen Impuls konstanter Breite umgewandelt. Die Impulsformen vor und nach dem Impulsformer 19 sind mit dsm Bezugszeichen L/3 bzw. L/4 versehen und in Fig.3e und f dargestellt. Der Widerstand 20 und der Kondensator 21 bilden zusammen in einfacher Weise ein Integrationsglied, an dem dann wieder die Interfrequenz NF zur Verfügung steht. In vorteilhafter Weise läßt sich jedoch auch die Demodulation mi» einem in der Nachrichtentechnik bekannten Zähldiskriminator durchführen.

F i g. 3 zeigt das Impulsschema für das Übertragungsverfahren nach der Erfindung. Im Diagramm a iu lediglich die Niederfrequenzspannung UX dargestellt, die unter Einbeziehung des gebildeten variablen Mittelwerts einen einseitigen Verlauf 22 zeigt. Entsprechend dieser Spannung wird die Anzahl der vom Sender 6 in Fig.2 abgegebenen Stromimpulse 23 mit gleicher Impulsbreite und gleicher Amplitude / herabgesetzt LED, die im Diagramm i> dargestellt sind, verändert. Die diesen entsprechenden und im Diagramm c dargestellten Lichtimpu'se 24 zeigen eine eigentümlich verschliffene Form, die mit der Trägheil der L>. .tausstiahlung zusammenhängt. Im Diagramm c ist auch jargesieiii, wie die oberen bzw. unteren Begrenzungspegel 25 und 26 liegen sollten; die Rückflanken der Lichtimpulse 24 weisen in diesem Bereich die größte Steilheit auf.

Die im F.mpfänger in Fig. 2 auftretende Ausgangsspannung L/2 des Begrenzerverstärkers 16 ist im Diagramm d dargestellt. Es handelt sich hier um mehr oder weniger trapezartige Impulse 27, bei denen im allgemeinen die Rückflanke steiler als die Vorderflanke ist. Werden die Impulse 27 differenziert, so entsteht die Spannung L/3 in Form schmaler positiver oder negativer Spannungsspitzen 28 und 29, wie im Diagramm e dargestellt ist, die schließlich zur Ansteuerung des Inipulsformers 19 dienen. Der Impulsformer gibt eine Spannung U4 ab, die im Diagramm /"dargestellt ist und deren Impulse 30 gleiche Dauer haben. Soll die Schaltung vereinfacht werden, so kann die Integration bereits unmittelbar hinter dom Begrenzerverstärker 16 vorgenommen werden.

Das beschriebene Übertragungsverfahren ist nicht auf die Infrarot-Lichtübertragung beschränkt, sondern kann auch in anderen Bereichen der elektromagnetischen Strahlung, vorzugsweise im GHz-Bereich eingesetzt werden; aufgrund der benötigten großen Bandbreite dürfte die Anwendung jedoch im wesentlichen bei der Übertragung von Nachrichten im Infrarotbereich liegen. Das Übertragungsverfahren ist äußerst leistungsfähig und erfordert nur einen geringen Aufwand an Batterie-, Strom- und Schaltelementen. Da Induktivitäten völlig vermieden werden, ist sowohl der Sender wie auch der Empfänger vollständig integrierbar.

Durch die Erfindung ergibt sich in der Empfangseinrichtung e'n weiterer Vorteil: Am Ausgang des Diskriminators entsteht ohne zusätzliche Schalt.ungsmaßnahrnen eine de." senderseitigen Aussteuerung proportionale Gleichspannung, weiche zu Regelungsvorgängen bekannter Art herangezogen werden kann. Beispielsweise kann eine Dynamikvergrößerung nach Art des bekannten Doioy-Verfahrens erreicht werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Übertragung von Nachrichten durch Impuisfrequenzmodulation, dadurch g e k e η π ζ e i c h η e t, daß die mittlere Impulsfolgefrequenz der ausgesandten Impulse in Abhängigkeit vom Frequenzhub derart verändert wird, daß sie mit zunehmendem Frequenzhub zu höheren Frequenzwerten verschoben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die modulationsabhängige Verschiebung der mittleren Impulsfolgefrequenz derart erfolgt, daß der modulationsabhängige Momentanwert der Impulsfolgefrequenz stets höher als die Impulsfolgefreuqenz im unmodulierten Zustand ist.

3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 2, mittels einer Strahlungsquelle, gekennzeichnet durch den Einsatz einer Strahlungsquelle (7) im Infrarotbereich.

4. Anordnung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch den Einsatz einer infrarot-Lumineszenzdiode (7)alsStrahlungsc .eile.

5. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 2, nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß empfangsseitig die Demodulation c'er Nachrichten durch einen Zähldiskriminator erfolgt.

6. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß empfangsseitig der untere bzw. obei·· Begrenzungspegel (26; 25) so gelegt wird, daß stets der sHlste Teil der Impulsflanken (24) durch die nachfolgende Diskriminierungsschaltung ausgewertet wird.