DE2738732A1 - Phasendemodulator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen mit 90° Phasenverschiebung arbeitenden Phasendemodulator und insbesondere einen Phasendemodulator, der leicht als integrierte Schaltung ausgebildet werden kann und dessen AM-Unterdrückung verbessert ist.

Aus der US-PS 3 548 326 ist ein mit 90° Phasenverschiebung arbeitender Phasendemodulator bekannt. Dieser Demodulator hat einen Begrenzen und einen mit dem Begrenzer direkt verbundenen Diskriminator. Der Diskriminator enthält einen LC-Kreis, eine doppelt symmetrische Torschaltung und einen Integrator, wobei der LC-Kreis ein gegenüber dem Bezugssignal des Begrenzers 90° phasenverschobenes Signal liefert und die Torschaltung auf das Bezugssignal und das 90° phasenverschobene Signal anspricht, so daß der Integrator eine Amplitudenumhüllende proprotional der Phasendifferenz zwischen diesen Signalen erzeugt.

Der bekannte Demodulator ist jedoch instabil, da eine in der Begrenzerstufe auftretende Gleichspannungsdrift durch Gleichspannungskopplung auf die Torschaltung übertragen wird.

Außerdem hat die Gleichspannungskopplung zwischen dem Begrenzer und dem Diskriminator ein geringeres Unterdrückungsverhältnis der in der Begrenzerstufe erzeugten amplitudenmodulierten Komponente.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen mit Phasenverschiebung arbeitenden Phasendemodulator zu schaffen, bei dem eine Gleichspannungsdrift eines Begrenzerverstärkers an der übertragung zu einer Phasenkomparatorstufe gehindert wird, bei dem das Unterdrückungsverhältnis der amplitudenmodulierten Komponente hoch ist und der als integrierte Schaltung ausgebildet werden kann.

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Die Erfindung schafft einen mit 90° phasenverschobenen arbeitenden Demodulator, der einen Signaleingangskreis mit zwei Eingängen hat, denen Bezugseingangssignale im Gegentakt zugeführt werden, einen Differentialverstärker mit zwei Eingängen, denen Eingangssignale zugeführt werden, ein erstes und zweites Hochpaßfilter, das jeweils aus einem Kondensator und einem Widerstand besteht, einen ersten Verbindungskreis, um das erste und zweite Hochpaßfilter in Reihe zwischen die Eingänge zu schalten, einen zweiten Verbindungskreis, um den Verbindungspunkt des Kondensators und des Widerstandes des ersten und zweiten Hochpaßfilters mit den Eingängen des Differentialverstärkers zu verbinden, einen mit 90° Phasenverschiebung arbeitenden Signalgenerator zum Empfang des Bezugseingangssignals von der zweiten Verbindungseinrichtung, um ein 90° phasenverschobenes Signal in Abhängigkeit von der Frequenz des Bezugseingangssignals zu erzeugen, und einen Vervielfacher, dem jeweils das Ausgangssignal des Differentialverstärkers und des Signalgenerators zugeführt wird und der ein Ausgangssignal proportional der Phasendifferenz zwischen diesen Signalen erzeugt.

Der Phasendemodulator hat somit zwei Hochpaßfilter, die zwischen einen Begrenzerverstärker geschaltet sind, und einen Differentialverstärker, um zwei Bezugseingangssignale, von denen jedes eine unterdrückte AM-Komporiente hat, zu dem einen Anschluß eines Vervielfachers zu übertragen, der doppelsymmetrisch ausgebildet ist. Der andere Anschluß des Vervielfachers erhält ein 90° phasenverschobenes Signal von einem weiteren Differentialverstärker, um ein Ausgangssignal proportional der Phasendifferenz zwischen diesen Signalen zu erzeugen. Der Vervielfacher und der Differentialverstärker sind durch zwei einfache Gleichspannungs-Vorspannungskreise vorgespannt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren 1 bis beispielsweise erläutert. Es zeigt:

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Figur 1 ein Schaltbild eines Beispiels des Phasendemodulator ,

Figur 2 ein Diagramm, aus dem die MitnahmeverhSltnis/ Eingangspegel-Kennlinien eines bekannten Phasenkomparators und des Phasenkomparator gemäß der Erfindung hervorgehen, und

Figur 3 ein Diagramm, aus dem die AM-Unterdrückungsverhältnis/Eingangspegel-Kennlinie des Phasenkomparator gemäß der Erfindung hervorgeht.

Fig. 1 zeigt ein Schaltbild eines 90°-Phasenverschiebungsdemodulators. Mit 1 ist ein Begrenzerverstärker bezeichnet, der aus einem stabilisierten mehrstufigen Verstärker mit Gleichspannungs-Gegenkopplung vom Typ mit Kondensatorkopplung besteht. Dem Begrenzerverstärker 1 wird am Eingang 2 ein winkelmoduliertes Signal zugeführt und er erzeugt an seinen Ausgängen 3a und 3b winkelmodulierte Signale, die in der Amplitude begrenzt sind, gegenphasig sind und die gleiche positive Gleichspannungskomponente haben. Die Ausgangsimpedanz des Begrenzerverstärkers 1 beträgt von den Ausgängen 3a und 3b gesehen etwa 800 Ohm.

In Fig. 1 bezeichnet 4 den eigentlichen Phasendemodulator für 90° Phasenverschiebung. Der Demodulator 4 hat Eingänge 5a und 5b, denen frequenzmodulierte Signale zugeführt werden, die amplitudenmoduliert sind und entgegengesetzte Polarität haben, sowie Ausgänge 6a und 6b, an die demodulierte Ausgangssignale abgegeben werden. 7a und 7b sind Hochpaßfilter, die zwischen die Ausgänge 3a, 3b des Begrenzerverstärkers 1 und die Eingänge 5a, 5b des eigentlichen Demodulators geschaltet sind. Die Hochpaßfilter 7a und 7b bestehen aus Kondensatoren 8a und 8b und Widerständen 9a, 9b, deren Grenzfrequenz durch die Kapazitäten der Kondensatoren 8a, 8b, die Widerstandswerte der Widerstände 9a, 9b und die Eingangsimpedanz des Demodu-

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lators 4 bestimmt wird und die nahe der Trägerfrequenz der frequenzmodulierten Eingangssignale gewählt wird. Die Grenzfrequenz wird etwa 0,5 bis 1,2 mal die Trägerfrequenz (z.B. eine 10,7 MHz FM-ZF-Trägerfrequenz) gewählt. Z.B. wird die Kapazität der Kondensatoren 8a, 8b zu 5 pF und der Widerstandswert der Widerstände 9a, 9b zu 2 Kiloohm gewählt. Zwischen die Ausgänge 3a, 3b des Verstärkers 1 sind Amplitudenbegrenzungsdioden D1, D2 gegensinnig geschaltet.

Der eigentliche Demodulator 4 wird nun im einzelnen beschrieben. Dieser Demodulator 4 besteht aus einem doppelsymmetrischen Differentialverstärker. In Fig. 1 bezeichnet

10 einen Vervielfacherkreis (Schaltkreis), der aus zwei Paaren Transistoren Q1 bis Q4 besteht. Die Emitter von Q1 und Q2 und auch die Emitter von Q3 und Q4 sind miteinander verbunden. Den Basen von Q1 bis Q4 werden frequenzmodulierte Signale unterschiedlicher Phase zugeführt. Die Basen von Q2 und Q3 sind miteinander verbunden und erhalten eines der frequenzmodulierten Signale, das gegenüber dem anderen um 90° phasenverschoben ist, während die Basen von Q1 und Q4 miteinander verbunden sind und eine Bezugsspannung erhalten. Die Kollektoren von Q1 und Q3 und auch die Kollektoren von Q2 und Q4 sind miteinander verbunden.

An den Verbindungspunkten der Kollektoren von QI bis Q4 erhält man demodulierte gegenphasige Ausgangssignale.

In Fig. 1 bezeichnen 11 und 12 einen ersten und zweiten Differentialverstärker. Der erste Differentialverstärker

11 besteht aus einem Transistorpaar Q5, Q6, zur Verstärkung, einem Transistor Q9 als Konstantstromquelle und einem Widerstand R1 (mit einem Widerstandswert von 600 Ohm), der zwischen den Emitter von Q9 und Masse geschaltet ist.

Die obigen Eingänge 5a und 5b sind mit den Basen von Q5 und Q6 verbunden. Die Kollektoren von Q5 und Q6 sind mit den Verbindungspunkten zwischen den Emittern von Q1, Q2 und zwischen den Emittern von Q3, Q4 verbunden. Die Basis

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von Q9 ist mit einer Vorspannungsquelle +B3 verbunden. Der zweite Differentialverstärker 12 besteht aus einem Paar Transistoren Q7, Q8 zur Verstärkung, einem Transistor Q10 als Konstantstromquelle und einem Widerstand R2 (dessen Widerstandswert 600 Ohm beträgt), der zwischen den Emitter von Q10 und Masse geschaltet ist. Die obigen Eingänge 5a und 5b sind mit den Basen von Q7 und Q8 verbunden. Der Kollektor von Q7 ist mit einer Spannungsquelle +B2 (6,2 V) und der Kollektor von Q8 ist über einen Widerstand R3 (390 Ohm) mit der Spannungsquelle +B2 verbunden.

In Fig. 1 bezeichnet 13 einen Phasenschieber, der die Phase eines Eingangssignals bei der Mittenfrequenz des Eingangssignals um 90° verschiebt. Der Phasenschieber 13 besteht aus einem Abstimmkreis 14, einer Spule 15 und einem Kondensator 16 zur Gleichstromdrosselung. Ein Ende des Abstimmkreises 14 ist mit der Spannungsquelle +B2 und das andere Ende über die Spule 15 mit dem Kollektor von Q8 und auch über den Kondensator 16 mit der Basis eines Transistors Q11 einer Emitterfolgerschaltung verbunden, die später beschrieben wird. Wenn die in Fig. 1 gezeigte Schaltung als integrierte Schaltung auf einem monolithischen Halbleiterkörper gebildet wird, wird der Phasenschieber 13 extern angeschlossen.

Das frequenzmodulierte Signal, das von dem Phasenschieber 13 um 90° phasenverschoben wird, wird über Q11 den Basen von Q2 und Q3 zugeführt. Die Basis von Q11 ist über einen Widerstand R4 (5 kil) mit der Spannungsquelle +B2 verbunden, dessen Kollektor ist mit der Spannungsquelle +B1 (12 V) und dessen Emitter ist über einen Widerstand R5 (10 kil) mit Masser verbunden.

Die Basen von Q1 und Q4 erhalten eine Bezugsspannung, die durch Teilung der Spannung der Spannungsquelle +B2 über die Serienschaltung eines Transistors Q12 und Wider-

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ständen R6, R7 erzeugt wird. Die Basis von Q12 ist über den Widerstand R6 (5 kJl) mit der Spannungsquelle +B2 verbunden.

Der Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 9a und 9b der Hochpaßfilter 7a und 7b erhält eine Spannung, die durch Teilung der Spannung der Spannungsquelle +B2 über die Serienschaltung eines Transistors Q13 und Widerständen R8, R9 erzeugt wird.

Die Verbindungspunkte zwischen den Kollektoren von Q1 und Q3 und zwischen den Kollektoren von Q2 und Q4 des Vervielfachers 10 sind mit Stromspiegelschaltungen 17 und 18 als Ausgangskreis verbunden. Die Stromspiegelschaltung 17 besteht aus Transistoren Q14 bis Q16 und Widerständen R10, R11 (680-fiL). Der Verbindungspunkt zwischen den Kollektoren von Q1 und Q3 ist mit dem Kollektor von Q14 verbunden, um den Kollektorstrom von Q1 und Q3 über den Transistor Q14 fließen und diesen Strom dann an den Ausgang 6a über den Transistor Q15 abzugeben. Die andere Stromspiegelschaltung 18 besteht aus Transistoren Q17 bis Q19 und Widerständen R11, R12 (68oil). Die Kollektoren von Q2 und Q4 sind miteinander mit dem Kollektor von Q17 verbunden, um den Kollektorstrom von Q2 und Q4 über den Transistor Q17 fließen zu lassen und ihn dann an den Ausgang 6b über den Transistors Q18 abzugeben.

Fig. 2 ist ein Diagramm, aus dem die Eingangspegel/Mitnahmeverhältnis-Kennlinien von Phasendemodulatoren mit 90° Phasenverschiebung hervorgeht, in der die Ordinate das Mitnahmeverhältnis in dB und die Abszisse den Eingangspegel in dBii angibt. In dem Diagramm der Fig. 2 zeigt eine gestrichelte Kennlinienkurve 20 den Fall eines bekannten Demodulators und die durchgehende Kennlinienkurve 21 den Fall des Demodulators der Erfindung. Hieraus ist ersichtlich, daß das Mitnahmeverhältnis größer ist als im Vergleich zum Stand der Technik.

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Fig. 3 ist ein Diagramm, das die Eingangspegel-AM-Unterdrückungsverhältnis-Kennlinienkurven 22 und 24 des Demodulators in Fig. 1 zeigt, in der die Abszisse den Eingangspegel in dBu und die Ordinate das AM-Unterdrückungsverhältnis in dB unter der Bedingung angibt, daß die Signale mit der ZF-Trägerfrequenz von 10,7 MHz, der Frequenzmodulationsfrequenz von 400 Hz, der Amplitudenmodulationsfrequenz (durch Störung) von 1 kHz und das frequenzmodulierte Signal mit einer 30 %-Modulation (die 100 %-Modulation betragt 75 kHz) auf den Demodulator in Fig. 1 gegeben werden, und daß die Widerstandswerte der Widerstände 9a, 9b 2 k JL und die Kapazität der Kondensatoren 8a, 8b 5 bis 6 pF und in den Hochpaßfiltern 7a, 7b 3 pF und 10 pF betragen. Die Kennlinienkurve 22, die für den Fall gilt, daß die Kapazitäten der Kondensatoren 8a, 8b 5 bis 6 pF betragen, ist am besten. Die tatsächliche Grenzfrequenz fC der Hochpaßfilter auf der Kurve 22 beträgt etwa 9,5 MHz, da die Ausgangsimpedanz ZO des Begrenzerverstärkers 1 in Reihe zu den Hochpaßfiltern liegt. Die Grenzfrequenz fC wird dabei durch die folgende Gleichung ausgedrückt:

fC =

2irC8a (R9a + ZO)

in der C8a die Kapazität des Kondensators 8a und R9a der Widerstandswert des Widerstands 9a ist.

Da die Hochpaßfilter (die aus Kondensatoren und Widerständen bestehen) und eine Grenzfrequenz etwa gleich der Trägerfrequenz des Winkelmodulierten Signals haben, zwischen den Begrenzerverstärker und den eigentlichen Demodulator geschaltet sind, sind sie gleichspannungs- und NF-mäßig getrennt. Der Phasendemodulator ist somit frei von jeglichen Schwankungen seines Arbeitspunktes und damit kann seine Demodulatorkennlinie verbessert werden.

Selbst wenn irgendeine Amplitudenänderungskomponente durch die Frequenzmodulation im Sättigungsbetriebsbereich des

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Begrenzerverstärkers verursacht wird, werden das Mitnahmeverhältnis, das AM-ünterdrückungsverhältnis und die Demodulationskennlinie nicht geändert.

Wenn die Vorspannungen für den Begrenzerverstärker und den eigentlichen Phasendemodulator stabilisiert sind, können die Demodulationskennlinie, das Mitnahmeverhältnis und das AM-Unterdrückungsverhältnis weiter verbessert werden.

Wenn in dem eigentlichen Phasendemodulator gesondert Differentialkreise für die frequenzmodulierten, 90° phasen verschobenen Signale vorgesehen sind, kann jede Störung zwischen diesen Signalen vermieden werden.

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Claims (12)

1. Ansprüche

   Mit 90° Phasenverschiebung arbeitender Phasendemodulator mit zwei Eingängen, denen zwei Bezugseingangssignale im Gegentakt zugeführt werden, einem Differentialverstärker mit zwei Eingängen, denen zwei Eingangssignale zugeführt werden, und einem ersten und einem zweiten Hochpaßfilter, von denen jedes aus einem Kondensator und einem Widerstand besteht, gekennzeichnet durch eine erste Verbindungseinrichtung, um das erste und zweite Hochpaßfilter in Reihe zwischen die Eingänge zu schalten, eine zweite Verbindungseinrichtung, um die Verbindungspunkte der Kondensatoren und Widerstände des ersten und zweiten HochpaBfilters mit den Eingängen des Differentialverstärkers zu verbinden, einen mit 90° Phasenverschiebung arbeitenden Signalgenerator zum Empfang des Bezugseingangssignals von der zweiten Verbindungseinrichtung, um ein gegenphasiges Signal in Abhängigkeit von der Frequenz des

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   Bezugseingangssignals zu erzeugen, und einen Vervielfacher, dem das Ausgangssignal des Differentialverstärkers und des Signalgenerators zugeführt werden und der ein Ausgangssignal proportional der Phasendifferenz zwischen diesen erzeugt.
2. 2. Demodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzfrequenz des ersten und zweiten Hochpaßfilters im wesentlichen gleich der Mittenfrequenz des Bezugseingangssignals ist.
3. 3. Demodulator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine erste Gleichspannungs-Vorspannungseinrichtung zur Erzeugung einer ersten Vorspannung am Verbindungspunkt der Widerstände des ersten und zweiten Hochpaßfilters, um die Eingänge des Differentialverstärkers mit der gleichen Vorspannung zu beaufschlagen.
4. 4. Demodulator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalgenerator einen weiteren Differentialverstärker mit zwei Eingängen, die mit der zweiten Verbindungseinrichtung verbunden sind, sowie mit einem zweiten Ausgang, und einen Phasenschieber aufweist, der mit dem Ausgang des weiteren Differentialverstärkers verbunden ist, dessen Ausgang mit dem Vervielfacher verbunden ist.
5. 5. Demodulator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenschieber eine Serienschaltung einer Drosselspule und eines LC-Resonanzkreises aufweist, deren Verbindungspunkt mit dem Vervielfacher verbunden ist.
6. 6. Demodulator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Vervielfacher besteht aus einem ersten und einem zweiten Transistor mit Basis,

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   Emitter und Kollektor, wobei die Emitter miteinander und mit dem einen Ausgang des Differentialverstärkers verbunden sind, einem zweiten und einem dritten Transistor mit Basis, Emitter und Kollektor, wobei die Emitter miteinander und mit dem anderen Ausgang des Differentialverstärkers verbunden sind, einer Signalübertragungseinrichtung, um das Ausgangssignal des Phasenschiebers auf die Basen des zweiten und dritten Transistors zu übertragen, einer ersten Signalausgangseinrichtung, die mit den Kollektoren des ersten und dritten Transistors verbunden ist, um ein erstes Ausgangssignal proportional der Phasendifferenz zwischen dem Bezugseingangssignal und dem um 90° phasenverschobenen Signal zu erzeugen, und einer zweiten Signalausgangseinrichtung, die mit den Kollektoren des zweiten und dritten Transistors verbunden ist, um ein zweites Ausgangssignal proportional der Phasendifferenz zwischen dem Bezugseingangssignal und dem 90° phasenverschobenen Signal zu erzeugen, das zu dem ersten Ausgangssignal gegenphasig ist.
7. 7. Demodulator nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen EmitterfolgerverstSrker zwischen dem Ausgang des Phasenschiebers und den Basen des zweiten und dritten Transistors.
8. 8. Demodulator nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine zweite Gleichspannungs-Vorspannungseinrichtung zur Erzeugung einer zweiten Vorspannung für die Basen des ersten bis vierten Transistors.
9. 9. Demodulator nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch zwei Stromspiegelschaltungen, die mit den Ausgängen der ersten und zweiten Signalausgangseinrichtung verbunden sind.

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10. 10. Demodulator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet daß jede der beiden Stromspiegelschaltungen besteht aus einem fünften und einem sechsten Transistor mit Basis, Emitter und Kollektor, wobei die Basen miteinander verbunden sind und jeder Emitter auf einer Gleichspannung liegt, die höher als die Spannung der zweiten Gleichspannungs-Vorspannungseinrichtung ist, einer Gleichspannungs-Rückkopplungseinrichtung, die zwischen die Basis und den Kollektor des fünften Transistors geschaltet ist, und einer Signalübertragungseinrichtung, zur Verbindung des Kollektors des fünften Transistors mit dem entsprechenden Signalausgang, so daß die Kollektoren der fünften Transistoren in den beiden Stromspiegelschaltungen die Ausgangssignaleder ersten und zweiten Signalausgangseinrichtung im Gegentakt verdoppeln.
11. 11. Demodulator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwei Dioden, die zwischen die Signaleingänge gegensinnig parallelgeschaltet sind.
12. 12. Demodulator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß den Signaleingängen zwei Ausgangssignale eines Begrenzerverstärkers zugeführt werden.

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