DE2640649A1

DE2640649A1 - Demodulator fuer ein frequenzmoduliertes signal

Info

Publication number: DE2640649A1
Application number: DE19762640649
Authority: DE
Inventors: Teruo Sato
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1975-09-10
Filing date: 1976-09-09
Publication date: 1977-03-17
Also published as: AU509565B2; NL7610110A; GB1553613A; JPS5233460A; FR2324161B1; CA1057367A; US4054840A; AU1751176A; FR2324161A1

Description

Demodulator für ein frequenzmoduliertes Signal

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf FM-Demodulatoren und betrifft insbesondere einen FM-Demodulator mit einer Multipli ziers chaltung.

Bis jetzt ist es üblich, als FM-Demodulatoren Ratiodetektoren zu verwenden. Neuerdings sind auch sog. Quadratur-FM-Detektoren gebräuchlich, bei denen eine Multiplizierschaltung als FM-Detektor wirkt, da solche Detektoren über einen großen Bereich linear arbeiten und sich leicht als integrierte Schaltkreise herstellen lassen. Bei einem solchen FM-Detektor wird eines der FM-Signale der Multiplizierschaltung auf direktem Wege zugeführt, während das andere FM-Signal der Multiplizierschaltung über einen Verzögerungskreis zugeführt wird₉ bei dem sich das Ausmaß der Phasenverschiebung in Abhängigkeit von der Frequenz eines ihm zugeführten Signals veränderte Der Multiplizierschaltung werden die beiden FM-Signale nach ihrer Vervielfachung als Ausgangssignale über ein Tiefpaßfilter entnommen und dann als Demodulationssignal verwendet.

Bekanntlich ist jedoch bei einem solchen FM-Demodulator der Pegel des erhaltenen Ausgangssignals proportional zu der durch den Verzögerungskreis hervorgerufenen Verzögerung, und die Mittenfrequenz des Demodulators wird zu einer Funktion der herbeigeführten Verzögerung,,

709811/0831

Wenn man bei einem solchen bekannten FM-Demodulator die Verzögerung so eingestellt hat, daß sich ein optimaler Pegel des nachweisbaren Ausgangssignals ergibt, und dann die Mittenfrequenz so wählt, daß das Verzerrungsverhältnis des Demodulators einen Kleinstwert annimmt, weicht der nachweisbare Ausgangspegel von seinem optimalen Wert ab, was unerwünscht ist. Mit anderen Worten, bei den bekannten FM-Demodulatoren mit Multiplizierschaltungen ergibt sich der Nachweis, daß es nicht möglich ist, den Pegel des Ausgangssignals und die Mittenfrequenz unabhängig voneinander einzustellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten FM-Demodulator zu schaffen, bei dem dieser Nachteil der bekannten Demodulatoren vermieden ist, und bei dem zusätzlich nur ein Phasenschieber vorhanden ist, so daß es möglich ist, den Pegel des Ausgangssignals und die Mittenfrequenz unabhängig einzustellen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist durch die Erfindung ein FM-Demodulator geschaffen worden, der eine Signaleingangsklemme aufweist, welcher ein frequenzmoduliertes Signal zugeführt wird, ferner eine Multiplizierschaltung mit zwei Eingangs klemmen und einer Aus gangs klemme, ein an die Aus gangs klemme der Multiplizierschaltung angeschlossenes Tiefpaßfilter zum Erzeugen eines demodulierten Signals, einen Kopplungskreis zum Ankoppeln der Signaleingangsklemme an eine der Eingangsklemmen der Multiplizierschaltung sowie eine zwischen der Signaleingangsklemme und der anderen Eingangs klemme der Multiplizierschaltung liegende Reihenschaltung, die sich aus einer Verzögerungsleitung und einem Phasenschieber zusammensetzte

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

709811/0831

Fig,, 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen FM-Demodulators;

Figo 2A und 2B jeweils eine graphische Darstellung zur Erläuterung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1; und

Figo 3 die Schaltung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

In Fig. 1, 2A und 2B ist ein Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Demodulator dargestellt, bei dem ein im folgenden kurz als FM-Signal bezeichnetes frequenzmoduliertes Signal und ein Ausgangssignal, das durch Zuführen des FM-Signals zu einem Phasenschieber bzw. einer Verzögerungsleitung erhalten wird, wobei das Ausmaß der Phasenverschiebung bzw. die Verzögerung in Abhängigkeit von der Frequenz des FM-Signals verändert wird, einer Multiplizierschaltung zugeführt werden, um multipliziert zu werden und ein demoduliertes Signal zu erzeugen«.

Zu dem Demodulator nach Fig. 1 gehört eine Eingangsklemme IN, der ein FM-Signal zugeführt wird, das dann zu einer Verzögerungsleitung 4 gelangt, bei der das Ausmaß der Verzögerung in Abhängigkeit von der Frequenz des zugeführten FM-Signals verändert wirdo Bei der Ausführungsform nach Fig_o 1 ist an die Ausgangsseite der Verzögerungsleitung 4 ein Phasenschieber angeschlossen, auf dessen Aufbau weiter unten näher eingegangen wird» Ferner ist eine Multiplizierschaltung 9 vorhanden, der das FM-Signal von der Eingangsklemme IN aus direkt zugeführt wird, und zu der auch das Ausgangssignal der Verzögerungsleitung 4 gelangte Das Ausgangssignal der Multiplizierschaltung 9 wird von ihrer Ausgangsklemme 10 aus über ein Tiefpaßfilter 12 einer Ausgangsklemme OUT zugeführt, an der ein aus dem FM-Signal gewonnenes demoduliertes Ausgangssignal erscheintβ

70981 1/0831

Es sei angenommen, daß das der Eingangsklemme IN zugeführte FM-Signal e,|(t) durch die nachstehende Gleichung (1) ausgedrückt werden kann, wenn der Phasenschieber 8 nicht vorhanden ist:

B₁ Ct) = sin (2irft) (1)

Hierin bezeichnet f den Augenblickswert der Frequenz und t einen Zeitpunkt, in dem das Ausgangesignal B₂Ct) der Verzögerungsleitung 4 der nachstehenden Gleichung entspricht:

e₂(t) = sin{2irf + <ρ(2ττΐ)} (2)

Somit läßt sich das an der Ausgangsklemme OUT erscheinende vervielfachte Aus gangs signal e-,(2 f) wie folgt ausdrücken:

e₃(27Tf) = G - O₁Ct) . O₂Ct)

= § cos{<p(2irf)} (3)

Hierin bezeichnet G den Demodulationsgewinn.

Drückt man das Ausmaß der Phasenverschiebung cp(2irf) wie folgt aus,

(2TTf) = 2TTAf (4)

wobei A eine proportionale konstante Verzögerung bezeichnet, läßt sich das Signal e₃(2irf) wie folgt ausdrücken:

e₃(27Tf) = |cos (2TAf) (5)

Dieses Signal e₃(2Tf) ist in Fig_o 2A durch die Kurve S₁ dargestellte

Ferner läßt sich der differenzierte Gewinn des Signals e₃(2TTf) wie folgt ausdrücken:

70981 1/0831

de,(2irf) _r

= - 5 · A . sin(2*Af) (6)

Dieser differenzierte Gewinn ist in Fig. 2B durch die Kurve S dargestellt.

Ist die Trägerfrequenz fß so gewählt, daß sie auf dem flachen Teil der Kurve für den differenzierten Gewinn liegt, muß sie so gewählt sein, daß sich für den Ausdruck sin(21TAfQ) an den Punkten a und b usw. ein Maximum oder ein Minimum ergibt. Da sin(21TAf) = sin ^, gilt f = τ-^. Drückt man die Trägerfrequenz fQ durch eine allgemeine Gleichung aus, erhält man somit die nachstehende Gleichung:

,, 1 2n - 1
^fO ⁼ A ° —5

Hierin ist η = 1, 2, 3 usw_o

Wie aus Gleichung (5) ersichtlich, ist der Pegel des vervielfachten Ausgangssignals proportional zu dem proportionalen konstanten Verzögerungsbetrag A. Ist es erwünscht, die Trägerfrequenz £q in der oben beschriebenen Weise auf einen optimalen Wert festzulegen, und soll für den Pegel des demodulierten Ausgangssignals ein erwünschter Wert gewählt werden, ist es daher nicht möglich, die Werte für f_Q und A nach Wunsch unabhängig voneinander zu wählen, wenn kein Phasenschieber 8 vorhanden ist, und dies ist natürlich unerwünscht.

Um hier Abhilfe zu schaffen, ist der erfindungsgemäße Demodulator nach Fig_o 1 mit einem Phasenschieber 8 versehen, der an die Ausgangsseite der Verzögerungsleitung 4 angeschlossen ist_o Es wäre jedoch auch möglich, den Phasenschieber 8 der Verzögerungsleitung 4 vorzus ehalten«,

Entspricht das FM-Signal e^t) der Gleichung (1), läßt sich das Ausgangssignal e₂(t) des Phasenschiebers 8 wie folgt ausdrücken:

709811/0831

- 6 e₂(t) = sin{27Tft +Cp₁(SiCC) + φ_£} (8)

Hierin bezeichnet ^(2TrT) die Phase als Funktion des Augenblickswertes f des FM-Signals am Ausgang der Verzögerungslei tung 4 und <p₂ eine konstante Phase, die unabhängig von der Frequenz f am Ausgang des Phasenschiebers 8 ist. Somit entspricht das vervielfachte Ausgangssignal e,(2¹TCf), das an der Ausgangsklemme OUT erscheint, der nachstehenden Gleichung:

e₃(2TTf) = G . e,,(t) · e₂(t)

= § cos O₁U f) + φ₂} (9)

Drückt man das Glied Qp₁(ZiTf) wie folgt aus,

= 2TTAf,

erhält man für das Signal den folgenden Ausdruck:

e₃(2 f) = |cos (2TTAf + <p₂).

de, (STTC) Somit läßt sich der differenzierte Gewinn ausdrücken:

de, (STTf) ρ

^β " 2 * ^A ' ^sin(²ⁱr^{Af +} <fz> ⁽¹⁰⁾

¥enn die Trägerfrequenz f_Q auf dem flachen Teil der Kurve für den differenzierten Gewinn liegen soll, muß man die Trägerfrequenz so wählen, daß sich für den Ausdruck sin(2irAF + Cp₂) ein Maximum oder ein Minimum ergibt. Somit läßt sich die Trägerfrequenz f_Q wie folgt ausdrücken:

- 1 2n - 1

^ro ⁼ I ° ~~%

709811/0831

- 7 Hierin ist η = 1, 2, 5 usw.

Da der Pegel des demodulierten Ausgangssignals proportional zu dem proportionalen konstanten Verzögerungsbetrag A ist, und zwar auch dann, wenn man die Konstante A so wählt, daß der Pegel des demodulierten Ausgangssignals einen optimalen Wert annimmt, kann man die Trägerfrequenz £q unabhängig von dem Pegel des demodulierten Ausgangssignals wählen, wie es aus der vorstehenden Gleichung ersichtlich ist, indem man c^> entsprechend einstellte

Wenn die Mittenfrequenz eines FM-Empfängers z.B. 10,7 MHz beträgt, und wenn man als Verzögerungsbetrag der Verzögerungsleitung 4 den Wert von 140 ns gewählt hat, wählt man für die Phasenverschiebung <p₂, die durch den Phasenschieber 8 herbeigeführt wird, den Betrag von 90°.

In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, zu der eine Eingangsklemme 1 zum Zuführen eines frequenzmodulierten Signals gehört. Die Eingangsklemme 1 ist mit der Eingangsseite einer Verstärkerschaltung 2 verbunden, die als Differentialverstärker mit Transistoren Q1 und Q2 als Verstärkungselementen ausgebildet ist,, Ein weiterer Transistor Q3 kommt als Quelle für einen konstanten Strom zur Wirkung«, Die Eingangsklemme 1 ist an die Basis des Transistors Q1 angeschlossen. Als nächste Stufe ist die Verstärkerschaltung 2 mit einer Trennverstärkerschaltung 3 verbunden, zu der zwei Transistoren Q4 und Q5 gehören, die eine Emitterfolgeschaltung bilden, bei der die Basiselektroden dieser Transistoren an die Kollektoren der zugehörigen Transistoren Q1 und Q2 angeschlossen sind. Mit der Ausgangsseite der Trennverstärkerschaltung 3 ist an dem Transistor Q5 eine Verzögerungsleitung 4 verbunden, bei der der Verzögerungsbetrag entsprechend den Frequenzänderungen des FM-Signals verändert wird_o Bei der Verzögerungsleitung könnte es sich z_oB. um ein Tiefpaßfilter vom LC-Typ handeln«, Zu der Verzögerungsleitung 4 gehören gemäß Fig„ 3 Kapazitäten C/2, C οo. C, C/2 sowie Induktivitäten L, L _O00 L, L₀

70981 1/0831

Der Verzögerungsleitung 4 ist ein Phasenschieber 8 nachgeschaltet, der eine im wesentlichen konstante Phasenverschiebung der variablen Frequenz des FM-Signals herbeiführt und im vorliegenden Fall als Allpaßfilter ausgebildet ist. Zu dem Phasenschieber 8 gehört ein Transistor Q6, dessen Basis an den Ausgang der Verzögerungsleitung 4 angeschlossen ist, so daß ihr ein Eingangssignal zugeführt wird; an den Transistor Q6 schließt sich eine durch einen Widerstand 6 und einen Kondensator 7 gebildete Reihenschaltung an, die zwischen dem Kollektor und dem Emitter des Transistors Q6 liegt₀ Der Knotenpunkt zwischen dem Widerstand 6 und dem Kondensator 7 bildet die Ausgangsklemme des Phasenschiebers 8. Bei diesem Phasenschieber ist es möglich, die jeweilige Phasenverschiebung Z₀B₀ dadurch zu verändern, daß man den Widerstandswert des Widerstandes 6 entsprechend verändert.

Bei der Ausführungsform nach Fig_o 3 ist der Phasenschieber 8 zwar an den Ausgang der Verzögerungsleitung 4 angeschlossen, doch wäre es auch möglich, die Verzögerungsleitung dem Phasenschieber nachzuschalten, wobei man die gleiche Wirkung erzielen würde.

Dem Phasenschieber 8 ist ein Trennverstärker 5 nachgeschaltet, zu dem als erste Stufe ein als Emitterfolger geschalteter Transistor Q7 als Impedanzwandler gehört, auf den eine Differentialverstärke rs chaltung mit zwei Verstärkertransistoren Q8 und Q9 sowie ein einen konstanten Strom liefernder Transistor Q1O gehören. Gemäß Fig_e 3 ist die Basis des Transistors Q7 an den Knotenpunkt zwischen dem Widerstand 6 und dem Kondensator 7 angeschlossen, während sein Emitter mit der Basis des Transistors Q8 verbunden ist. Die Kollektoren der Transistoren Q8 und Q9 liegen an den Eingangsklemmen ti und t2 einer noch zu beschreibenden Multiplizierschaltung_e

Der in Fig. 3 dargestellten Multiplizierschaltung 9 wird das FM-Signal von dem Trennverstärker 3 aus über die Eingangsklemme ti und das verzögerte FM-Signal von dem Trennverstärker 5 aus

70981 1 /0831

liber die Eingangs klemme t2 zugeführt, so daß die Schaltung beide Signale vervielfacht, um ein demoduliertes Signal zu erzeugen.

Zu der Multiplizierschaltung 9 gehören Transistoren Q11 bis Q17. Die Transistoren Q11 bis Q13 sowie Q17 bilden einen Differentialverstärker auf der Eingangsseite, während die Transistoren Q14 bis Q17 einen Differentialverstärker auf der Ausgangsseite bilden,. Hierbei arbeiten die Transistoren Q11, Q12, Q14 und Q15 als Verstarkungstransistoren, während die Transistoren Q13 und Q16 mit variablen Strömen arbeiten und der Transistor Q17 einen konstanten Strom liefert.

Genauer gesagt werden die FM-Signale von entgegengesetzter Polarität von der Verstärkerschaltung 2 aus über den Trennverstärker 3 den Basiselektroden der Transistoren Q13 und Q16 der Multiplizierschaltung 9 differentiell zugeführt, während die verzögerten FM-Signale von entgegengesetzter Polarität von dem Trennverstärker 5 aus den Basiselektroden der Transistoren Q11 und Q15 über die Eingangsklemme ti und den Basiselektroden der Transistoren Q12 und Q14 über die Eingangsklemme t2 differentiell zugeführt werden. An die Kollektoren der Transistoren Q12 und Q15 ist eine Ausgangsklemme 10 angeschlossen, an der das demodulierte FM-Signal erscheint.

Gemäß Fig. 3 sind eine Quelle +B für eine positive Gleichspannung und eine Quelle -B für eine negative Gleichspannung vorhandene

Da die Schaltung nach Fig. 3 im wesentlichen in der gleichen Weise arbeitet wie die anhand von Fig_o 1 beschriebene, dürfte sich eine nähere Erläuterung erübrigen«,

Gemäß der vorstehenden Beschreibung weist der erfindungsgemäße FM-Demodulator eine Verzögerungsleitung auf, bei welcher der Verzögerungsbetrag in Abhängigkeit von den Frequenzände-

709811/0831

rungen des FM-Signals verändert wird; ferner ist ein Phasenschieber vorhanden, der bei den veränderlichen Frequenzen des FM-Signals eine im wesentlichen konstante Phasenverschiebung herbeiführt; schließlich gehört zu der Schaltung die beschriebene Multiplizierschaltung, wobei die FM-Signale und die verzögerten FM-Signale, die man dadurch erhält, daß die FM-Signale der durch die Verzögerungsleitung und den Phasenschieber gebildeten Reihenschaltung zugeführt werden, zu der Multiplizierschaltung gelangen, um dann multipliziert zu werden, damit ein demoduliertes Signal entsteht, so daß es gemäß der Erfindung möglich ist, unabhängig voneinander optimale Werte für die Kreisfrequenz beim Differenzierungsgewinn und den Pegel des demodulierten Ausgangssignals zu wählen«,

Ferner ist es bei dem FM-Demodulator nach der Erfindung möglich, die Streuung des gesamten Phasenverschiebungsbetrags bzw« der Verzögerung durch die aus der Verzögerungsleitung und dem Phasenschieber bestehende Reihenschaltung zu korrigieren und die Verzögerungscharakteristik zu verbessern.,

Natürlich könnte man die Verzögerungseinrichtung 4, den Phasenschieber 8 und die Multiplizierschaltung 9 auch durch andere, eine entsprechende Wirkung hervorrufende Schaltungen ersetzenο

Patentansprüche;

709811/0831

Claims

- 11 PATENTANSPRÜCHE

ν 1y Demodulator für ein frequenzmoduliertes Signal mit einer Eingangsklemme zum Zuführen eines frequenzmodulierten Signals, einer Multiplizierschaltung mit zwei Eingangsklemmen und einer Ausgangsklemme, einem an die Ausgangsklemme der Multiplizierschaltung angeschlossenen Tiefpaßfilter zum Abgeben eines demodulierten Signals sowie einer Einrichtung zum Verbinden der Signaleingangsklemme mit einer der Eingangsklemmen der Multiplizierschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Signaleingangsklemme (1) und der anderen der beiden Eingangsklemmen (t2) der Multiplizierschaltung (9) eine durch eine Verzögerungsleitung (4) und einen Phasenschieber (8) gebildete Reihenschaltung liegt.

2. Demodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu der Verzögerungsleitung (4) ein Tiefpaßfilter vom LC-Typ gehört.

3. Demodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu dem Phasenschieber (8) ein Allpaßfilter gehört.

4_e Demodulator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zu dem Allpaßfilter (8) mindestens ein Transistor (Q6) mit einer Basis, einem Emitter und einem Kollektor gehört, daß die Basis dieses Transistors mit dem Ausgang der Verzögerungsleitung (4) verbunden ist, daß der Kollektor und der Emitter des Transistors über Widerstände an eine Spannungsquelle angeschlossen sind, daß eine durch einen Regelwiderstand (6) und einen Kondensator (7) gebildete Reihenschaltung vorhanden ist, daß diese Reihenschaltung zwischen dem Kollektor und dem Emitter des genannten Transistors liegt, und daß der Knotenpunkt · zwischen dem Regelwiderstand und dem Kondensator die Ausgangsklemme des Allpaßfilter-s bildet.

70981 1 /0831

5o Demodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu der Multiplizierschaltung (9) mindestens drei eine Kaskadenschaltung bildende Differentialverstärker gehören.

6ο Demodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Signaleingangsklemme (1) und der Eingangsseite der durch die Verzögerungsleitung (4) und den Phasenschieber (8) gebildeten Reihenschaltung ein Trennverstärker (3) liegt.

7. Demodulator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Ausgangsseite der durch die Verzögerungsleitung (4) und den Phasenschieber (8) gebildeten Reihenschaltung und der anderen der beiden Eingangsklemmen (t2) der Multiplizierschaltung (9) ein weiterer Trennverstärker (5) liegte

atentanwalt:

709811/0831

Leefseite