DE2831276C2 - Schaltung zur Wiedergewinnung des Nachrichteninhaltes aus einem der Frequenzdrift unterliegenden frequenzmodulierten Signal - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Wiedergewinnung des Nachrichteninhaltes aus einem der Frequenzdrift unterliegenden frequenzmodulierten Signal von großer Bandbreite im Hochfrequenzbereich in Form einer phasenstarren Schleife aus einem Phasendetektor, einem nachgeschalteten Verstärker und einem in Reihe liegenden spannungsgesteuerten Oszillator, dessen Signal zum Phasendetektor zurückführbar ist, der die Phase dieses Signales mit der des frequenzmodulierten Signales vergleicht und eine den Nachrichteninhalt mitführenden Niederfrequenzspannung dem Verstärker zuleitet.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 25 28 319 ist eine Schaltung zum Nachführen der Phase oder Frequenz eines von einem spannungsgesteuerten Oszillator abgegebenen Signals bezüglich eines in einen Phasenkomparator von außen eingespeisten Signals bekannt. Dieser Phasenkomparator bildet die Differenz der Frequenzen der beiden Signale und führt sie einem Tiefpaßfilter zu, das in den meisten Fällen von einem sogenannten nichtidealen Integrator gebildet ist, dessen Ausgangssignal über einen Verstärker an die Eingangsklemme des spannungsgesteuerten Oszillator herangebracht wird. Falls sich die beiden zu vergleichenden Frequenzen nur wenig voneinander unterscheiden, arbeitet die soweit erläuterte Schaltung als phasenstarre Schleife, die sich selbst in der Weise synchronisiert, daß die beiden Frequenzen übereinstimmen. Das Ausgangssignal dieser Schleife wird an der Ausgangsklemme des spannungsgesteuerten Oszillators abgegriffen. Eine derartige Schaltung wird vorteilhaft in zahlreichen Sende- und Empfangsanlagen angewendet, um insbesondere ein Signal mit einer langsamen Frequenzverschiebung (Dopplereffekt) oder raschen Frequenzverschiebung (Phasen- oder Frequenzdemodulator) zu filtern, um die Frequenz des Oszillators in Gegenwart von Rauschsignalen zu stabilisieren, oder zur Demodulation von Signalen.

Wenn ein Hochfrequenz-Trägersignal frequenzmoduliert wird, nimmt seine Frequenz in Abhängigkeit von den Amplitudenschwankungen eines modulierenden Signals gegenüber der ursprünglichen Trägersignalfrequenz, der sogenannten Mittenfrequenz zu oder ab. Während des Vorganges der Frequenzmodulation werden somit neue Frequenzen, die sogenannten Seitenband-Frequenzen ober- und unterhalb der Mittenfrequenz des unmodulierten Trägersignals hervorgerufen. Diese Seitenband-Frequenzen sind Vielfache der Frequenz des modulierenden Signals und stellen den Nachrichteninhalt dar, um in Kombination mit dem unmodulierten Trägersignal das frequenzmodulierte Signal zu bilden. Die Bandbreite eines frequenzmodulierten Signals ist der Frequenzbereich nur zwischen den äußersien oberen und unteren Seitenbandfrequenzen, deren Größen im Hinblick auf den Nachrichteninhalt als bedeutsam betrachtet werden; diese Seitenband-Frequenzen können sich eben stark von der Mittenfrequenz des fre^uenzmodulierten Signals entfernen. Zum Suchen und Leiten der Frequenz des frequenzmodulierten Signals zwecks Wiedergewinnung oder Herausziehen der Nachricht (also des modulierenden Signals) aus dem frequenzmodulierten Signal werden Demodulatoren (oder Detektoren) mit phasenstarren Schleifen benutzt

Falls das frequenzmodulierte Signal, das gerade von der Schleife demoduliert wird, eine sehr große Bandbreite hat, also eine sogenannte Breitband-Frequenzmodulation vorliegt, ist die Frequenzverschiebung derart extrem, daß häufig das Ausgangssignal des Phasendetektors, das an den Schleifenverstärker angelegt wird, sehr weite Amplitudenausschläge zeigt, wodurch der Schleifenverstärker vom Linearbetrieb zu einer nichtlinearen Arbeitsweise übergeht bei der der von seinem Ausgangssignal wiedergegebene Nachrichteninhalt gestört also nicht mehr seinem Eingangssignal proportional ist. Dabei geht nicht nur die Linearität der Verstärkung verloren, sondern es wird ein Punkt erreicht, an dem die Synchronisation des vom spannungsgesteuerten Oszillator erzeugten Signals mit dem frequenzmodulierten Signal tatsächlich aufhört und der Oszillator Zyklen zu überspringen beginnt.

Auch in dem Fall, daß die Mittenfrequenz des gerade zu demodulierenden Signals infolge einer Drift des Senders von der durchschnittlichen Frequenz wegläuft, folgt die mittlere Höhe der vom Phasendetektor erzeugten Niederfrequenzspannung der Frequenzdrift. Dies führt zu einer Nichtlinearität des Verstärkers, bei der der lineare Arbeitsbereich verlassen wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, im Falle einer Frequenzdrift des übertragenen Signals den Schleifenverstärker im linearen Bereich zwischen seinen optimalen Grenzen zu betreiben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen der Eingangsklemme und der Vorspannungsquelle des Verstärkers eine Serienschaltung aus einem Niederfrequenzfilter und einem Integrator zur Kompensation des der Frequenzdrift entsprechenden Gleichspannungsanteils der Niederfrequenzspannung

angeschlossen ist

Der Integrator korrigiert dann die Gleichspannungs-Verschiebung (und nicht der Schleifenverstärker selbst), so daß der Schleifenverstärker seine Fähigkeit der Ausführung von Spannungsausschlägen beibehält Der Integrator ist somit derjenige Bestandteil der an der Stelle des Schleifenverstärkers der Frequenzdrift folgt; er arbeitet bei sehr geringen Frequenzen mit einem sehr hohen Gütefaktor, der sich in einem gewissen Maße bei der Korrektur der Frequenzdrift über die Reaktion des Schleifenverstärkers hinwegsetzt

Der Integrator spricht dabei auf die durchschnittliche Gleichspannung an der Ausgangsklemme des Phasendetektors an und ändert innerhalb vorgeschriebener Grenzen die Gleichvorspannung ab, die von der Versorgungsklemme an den Schleifenverstärker geschaltet ist, um die lineare Arbeitsweise des letzteren aufrechterhalten zu können. Auf eine solche Weise entfällt die Notwendigkeit einer Änderung oder Einstellung an der inneren Charakteristik des Schleifenverstärkers, z. B. mit Hilfe einer Abstimmung von Hand.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden ausführlich erläutert Es stellt dar

F i g. 1 ein vereinfachtes Schaltbild der phasenstarren Schleife gemäß der Erfindung und

F i g. 2 einen Abschnitt aus der Schaltung der F i g. 1.

Eine Schaltung 10 wird beispielsweise in einem Frequenzmodulations-Empfänger als Demodulator zum Gewinnen des die ursprüngliche Frequenz modulierenden Signals angewendet, das den Nachrichteninhalt wiedergibt der im frequenzmodulierten Signal enthalten war. Das modulierende Signal kann eine sich ändernde Videospannung sein, die von einer auswertenden Schaltung 12 verwertet werden kann, die zur Erzeugung eines Fernsehbildes mit der Schaltung 10 verbunden ist.

Zur Wiedergewinnung des modulierenden Signals benutzt die Schaltung 10 eine übliche phasenstarre Schleife, die aus einem Phasenkomparator oder -detektor 14, einem als Schleifenverstärker ausgebildeten Verstärker 16 und einem in Reihe liegenden, spannungsgesteuerten Oszillator 18 besteht Obwohl die Arbeitsweise einer phasenstarren Schleife an sich bekannt ist, sei sie kurz betrachtet. Der Phasendetektor 14 empfängt das frequenzmodulierte Signal und ein vom spannungsgesteuerten Oszillator 18 erzeugtes Signal, vergleicht die Phase dieser Signale und gibt eine Niederfrequenzspannung ab, die ein Maß für die Phasendifferenz zwischen den beiden Signalen ist; sie wird von der Differenz zwischen den Frequenzen der beiden Signale, sowie von einer der Schleife eigentümlichen Verzögerung hervorgerufen. Vom Schleifenverstärker 16 wird die Niederfrequenzspannung gefiltert und verstärkt, worauf sie am Oszillator 18 angelegt wird, um das von ihm erzeugte Signal in eine Richtung zu treiben, in der sich die Phasendifferenz (und somit die Frequenzdifferenz) vermindert, die zwischen dem frequenzmodulierten und dem vom Oszillator 18 erzeugten Signal besteht. Sobald die Schleife starr arbeitet, ist die am Oszillator 18 angelegte Spannung derart bemessen, daß die Frequenz des vom Oszillator 18 erzeugten Signals gleich der Frequenz des frequenzmodulierten Signals ist. Das gefilterte und verstärkte Niederfrequenzsignal stellt daher die aus dem frequenzmodulierten Signal herausgezogene Nachricht dar, also das ursprünglich die Frequenz modulierende Signal.

Die Schaltung 10 soll für eine Demodulation einer Breitband-Frequenzmodulation benutzt werden. Bei einer derartigen Anwendung können die Frequenzverschiebung und die Drift des ankommenden frequenzmodulierten Signals derart extrem sein, daß das vom Phasendetektor 14 abgegebene Niederfrequenzsignal, das am Schleifenverstärker 16 angelegt wird, um den spannungsgesteuerten Oszillator 18 zu einer entsprechenden Verschiebung der Frequenz seines Ausgangssignals anzutreiben, derartig weiten Anr.plitudenausschlagen unterliegt, daß der Schleif en verstärker 16 nicht mehr folgen kann. Folglich würde die gerade wahrgenommene Nachricht, die der auswertenden Schaltung 12 zugeleitet wird, gestört werden.
Zu der soweit erläuterten phasenstarren Schleife bekannten Aufbaus ist ein !Compensations- bzw. Korrektur-Hilfsmittel vorgesehen, das zu dem mit Gleichspannung betriebenen Schleifenverstärker 16 der F i g. 1 parallel geschaltet ist damit das von dieser Serienschaltung 20 erzeugte Signal zu demjenigen addiert wird, das in den Schleifenverstärker 16 eingespeist wird; dies geschieht in der Weise, daß vom letzten kein Signalverlust oder eine Signalbegrenzung bewirkt wird, da die der Frequenzdrift des eingehenden frequenzmodulierten Signals entsprechende Gleichspannung kompensiert wird, die vom Phasendetektor 14 aus herangeführt wird.

Die Serienschaltung 20 ist zur Korrektur parallel zum Schleifenverstärker 16 an ihrem einen Ende an einer Eingangsklemme 22 zwischen dem Schleifenverstärker und dem Phasendetektor 14 und an ihrem anderen Ende εη einem Punkt 26 zwischen ihm und einer Vorspannungsquelle 24 angeschlossen. Diese Serienschaltung 20 spricht auf die Gleichspannungs-Komponenten der Niederfrequenzspannung an, die vom Phasendetektor 14 erzeugt werden, um die Gleichvorspannung, die von der Vorspannungsquelle 24 an den Schleifenverstärker 16 herangebracht wird, innerhalb festgesetzter Grenzen abzuändern, wenn durch die Frequenzdrift des eingehenden frequenzmodulierten Signals Verschiebungen in der vom Detektor hervorgerufenen Niederfrequenzspannung entstehen. Auf diese Weise wird von der Serienschaltung 20 zur Korrektur der Schleifenverstärker 16 innerhalb seines optimalen Bereiches gehalten.
Gemäß den Fig. 1 und 2 sind die grundlegenden Komponenten dieser Serienschaltung 20 ein Niederfrequenzfilter 28, ein Integrator 30, ein Begrenzer 32 und eine Versorgungsklemme 34, die dem Schleifenverstärker 16 die Vorspannung zuführt.
Das Niederfrequenzfilter 28 aus Widerständen 36 und 38 und einem Kondensator 40 gleicht im wesentlichen alle Frequenzschwankungen aus, die auf die Modulation zurückgehen; daher bildet die Spannung, die über eine Leitung 41 (Fig. 2) der einen Eingangsklemme des Integrators 30 zugeleitet wird, einen Gleichspannungsanteil, der die Verschiebung oder die Drift der Frequenz des frequenzmodulierten Signals wiedergibt. Die vom Phasendetektor 14 (nicht gezeigt in Fig. 2) über das Niederfrequenzfilter 28 an den Integrator 30 herangebrachte Niederfrequenzspannung ist sehr niedrig.

Wegen der großen Verstärkung durch das Integratorglied 42 haben sogar der geringfügigste Betrag der Frequenzdrift und die entsprechende Verschiebung der Gleichspannung eine direkte Wirkung auf den Schleifenverstärker 16, wenn sie als Gleichvorspannung von der Ausgangsklemme eines npn-Transistors 46 in EmiMer-Folgeschaltung in den Verstärker 16 eingebracht wird; dieser Transistor 46 liegt am Ausgang des Integratorgliedes 42 zwischen der Vorspannungsquelle

24 und dem Punkt 26, der mit den Kollektoren der Transistoren (nicht gezeigt) des Schleifenverslärkers 16 verbunden ist. Die Kondensatoren SO und 52 dienen bloß der Kompensation und unterstützen das Integratorglied 42, bei der Niederfrequenz richtig zu arbeiten, s Zwischen Masse und einer Ausgangsleitung 56 des Integratorgliedes 42 stellt eine Diode 54 sicher, daß die vom Integratorglied 42 abgegebene Spannung niemals negativ wird. Die negative Spannung wird also kurzgeschlossen, damit der Basis-Emitter-Übergang des κι Transistors 46 geschützt wird. Ein Widerstand 58 und ein Kondensator 60 wirken als Filter, damit Stör- und Rauschsignale nicht die Basis des Transistors 46 erreichen. Weitere Kondensatoren 62 und 64 dienen demselben Zweck, nämlich das Rauschen vom Emitter π des Transistors 46 fernzuhalten, da die Versorgungsklemme 34 scheinbar die Stromversorgung für den Schleifenverstärker 16 darstellt. Der Emitter des Transistors 46 liefert natürlich die Vorspannung an den Schleifenverstärker 16 über Widerstände 66, 68, die durch Drähte 70, 72 mit den Kollektoren seiner Transistoren (nicht gezeigt) verbunden sind. Somit bilden die Widerstände 66, 68 einen Teil einer dem Schleifenverstärker 16 zugeordneten Schaltung 74.

Die obere und untere Grenze der vom Integrator- >> glied 42 abgegebenen Spannung wird vom Begrenzer 32 festgelegt. Diese Grenzen stellen ihrerseits die obere und untere Grenze der Vorspannung dar, die von der Vorspannungsquelle 24 aus am Schleifenverstärker 16 angelegt wird. In Abhängigkeit von der Lage ihrer Mittelabgriffe 80, 82, an denen die beiden Eingangsklemmen des Begrenzergliedes 84 angeschlossen sind, setzen Potentiometer 76, 78 die obere und untere Grenze derjenigen Spannung fest, die über eine Leitung 86 an die Steuerklemme des Integratorgliedes 42 angelegt wird. An dieser Steuerklemme des Integratorgliedes 42 wird also dessen Ausgangsspannung in der Leitung 56 zwischen diesen Grenzen festgelegt. Hierbei wirken Rückkopplungsdioden 88, 90 mit, die zwischen dem Ausgangsende des Begrenzergiiedes 84 und der w Leitung 86 liegen. Da die Spannung an der Steuerklemme des Integratorgliedes 42 schwingt, erreicht sie die äußeren Punkte, an denen die eine der beiden Rückkopplungsdioden 88,90 die Klemmwirkung einleitet und ausführt, damit die Größe der Spannung nicht über die Grenze hinausgeht, die von der eingeschalteten Diode aufgestellt ist.

Eine weitere Eingangsleitung 92 des Integratorgliedes 42 ist mit einem Mittelabgriff 94 an einem Potentiometer 96 verbunden, das in Reihe zwischen Widerständen 98, 100 liegt, die ihrerseits mit einer positiven bzw. negativen Spannung + V bzw. — V gespeist werden. An dieser Eingangsleitung 92 kann der Schwellenwert des Integratorgliedes 42 in typischer Weise auf einen Wert nahe dem Erdpotential eingestellt werden. Einem Zweck ähnlich dem des Mittelabgriffes 94 des Potentiometers % dient ein Potentiometer 102. Durch eine Einstellung seines Mittelabgriffes 104 kann der gewünschte Gleichspannungsabgleich, also eine Anpassung zwischen den beiden Dioden (nicht gezeigt) des Phasendetektors 14 erreicht werden, die an den beiden Enden des Potentiometers 102 liegen; bei dieser Einstellung läßt sich eine optimale Arbeitsweise des Schleifenverstärkers 16 erreichen. Ein Kondensator 106 und ein Widerstand 108, die zwischen dem Mittelabgriff 104 und der Eingangsklemme 22 geschaltet sind, dienen nur als Kompensations-Komponenten, die den Betrieb der Schleife stabilisieren, während ein weiterer Widerstand 110 mit den Dioden des Phasendetektors zusammenwirkt.

Für einen wirkungsvollen Betrieb des Schleifenverstärkers 16 müssen die Kollektoren seiner beiden Transistoren (nicht gezeigt), die mit den Drähten 70, 72 verbunden sind, abgeglichen werden. Die Basis eines puffernden Stromtransistors 122 in Emitter-Folgeschaltung ist an einem Punkt 112 nur eines der beiden den Ausgang des Schleifenverstärkers 16 bildenden Drähte angeschlossen. Dadurch daß man vom Integratorglied 42 über die Versorgungsklemme 34 die Gleichvorspannung an den Widerständen 66, 68 und den Kollektoren der Transistoren des Schleifenverstärkers 16 verschieben läßt, wird nur die Gleichspannung am Schleifenverstärker 16 abgeändert, ohne daß die inneren Eigenschaften des Verstärkers selbst verändert zu werden brauchen. Die Kollektoren bleiben also abgeglichen, wenn die von der Versorgungsklemme 34 zugeführte Vorspannung zwischen der vom Begrenzer 32 festgelegten oberen und unteren Grenze der Spannungszufuhr schwankt. Dadurch daß der Abgleich der Kollektoren während der Änderung der Vorspannung zwischen den festgesetzten Grenzen aufrechterhalten wird, ist eine lineare Arbeitsweise des Schleifenverstärkers 16 sichergestellt, wenn dieser von der Gleichspannung des Phasendetektors 14 über eine Leitung 114 angetrieben wird.

Die Kombination aus Widerständen 116,118 und aus einem Kondensator 120, durch die der weitere npn-Transistor 122 in Emitter-Folgerschaltung angetrieben wird, unterstützt die Stabilität der Schaltung 10 und sucht alle Streukapazitäten zu kompensieren, die am Basis-Emitter-Übergang des npn-Transistors 122 auftreten können. Die bezeichnete Kombination liefert also eine Kompensation für die Eingangskapazität des spannungsgesteuerten Oszillators 18. Von weiteren Widerständen 130, 132, 134, 135, 138, 140, einem Kondensator 142, einer Zener-Diode 144 und einer negativen Spannung — V, die dem Schleifenverstärker 16 zugeordnet sind, werden an den Kollektoren der Transistoren dieses Verstärkers gerade die normalen Zustände der Gleichvorspannung aufgebaut.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Schaltung zur Wiedergewinnung des Nachrichteninhaltes aus einem der Frequenzdrift unterliegenden frequenzmodulierten Signal von großer Band- s breite im Hochfrequenzbereich in Form einer phasenstarren Schleife aus einem Phasendetektor, einem nachgeschalteten Verstärker und einem in Reihe liegenden spannungsgesteuerten Oszillator, dessen Signal zum Phasendetektor zurückgeführt ist, to der die Phase dieses Signales mit der des frequenzmodulierten Signales vergleicht und eine den Nachrichteninhalt mitführende Niederfrequenzspannung dem Verstärker zuleitet, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Eingangsklemme (22) und der Vorspannungsquelle (24) des Verstärkers (16) eine Serienschaltung (20) aus einem Niederfrequenzfilter (28) und einem Integrator (30) zur Kompensation des der Frequenzdrifi entsprechenden Gleichspannungsanteils der Niederfre- quenzspannung angeschlossen ist

2. Schaltung nach dem Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die korrigierende Serienschaltung (20) einen Transistor (46) aufweist, der mit seiner Basis am Integrator (30), mit seinem Kollektor an der Vorspannungsquelle (24) und mit seinem Emitter an einer Versorgungsklemme (34) des Verstärkers (16) liegt.

3. Schaltung nach dem Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Integrator (30) mit einem Begrenzer (32) derart zusammenwirkt, daß über die vom Integrator (30) gelieferte Spannung die obere und untere Grenze der Gleichvorspannung einstellbar ist, die an der Versorgungsklemme (24) des Verstärkers (16) angelegt ist